燃煤燃气－蒸汽联合循环关键技术的研究

摘 要: 本文介绍上海发电设备成套设计研究所在整体煤气化燃气－蒸汽联合循环（IGCC）和第二代增压流化床联合循环（PFBC）关键技术方面的研究概况。

关键词：洁净煤技术 联合循环发电 煤气化 燃烧室 磨蚀 试验

1. 引言

   “煤的洁净燃烧”技术是当前各工业发达国家都十分重视的研究领域，燃煤燃气－蒸汽联合循环由于能较大幅度提高火力发电厂的热效率，并使污染问题获得解决，因而成为最有发展前途的发电技术。我国是以燃煤为主的国家， 电力工业中燃煤发电厂的装机容量占总装机容量的70％以上。同时，燃煤发电厂又是严重的污染源，全国SO₂总排放量的三分之一，NO_X和粉尘总排放量的一半由燃煤发电厂产生。所以我国对“洁净煤技术”也十分重视，七十年代末国家科委就开始部署“煤的洁净燃烧”发电技术的研究工作。 上海发电设备成套设计研究所在“六五”到“八五”期间先后承担了国家科委下达的燃煤燃气－蒸汽联合循环项目中的“低热值煤气燃气轮机关键技术研究”、“常压流化床空气埋管传热试验研究”、“第二代增压流化床联合循环发电关键技术研究”等科技攻关课题。在吸收国外先进技术的基础上，成功地开展了对上述关键技术的攻关，取得了科研成果。本文将介绍这些科技攻关课题的研究概况。

2. 低热值煤气燃气轮机关键技术研究

   整体煤气化燃气－蒸汽联合循环（IGCC）是“煤的洁净燃烧”发电技术的一个重要方式。在IGCC中的燃气轮机必须可靠地燃烧气化炉产生的中、低热值煤气，标准的燃气轮机产品必须经过对燃烧系统改造方能满足IGCC的要求。1981年国家科委布置了燃煤联合循环发电的关键技术科研攻关工作，上海发电设备成套设计研究所承担了“燃用低热值煤气的燃气轮机技术研究”课题，研究内容包括“低热值煤气燃气轮机燃烧室试验研究”和“低热值煤气燃气轮机燃料调节系统试验研究”两个方面。课题攻关于1990年10月完成，并通过了国家科委和机械工业部组织的专家鉴定，主要研究成果有：

   2.1 建立了国内第一套使用配制组合压缩气体为燃料的气体燃料燃烧室试验台 ，

   可进行燃气轮机燃烧室燃油、燃气或油气混燃的低压模化试验，配置了供油、供气体燃料的燃料系统、空气供应系统及燃烧室试验控制系统。在试验测量和数据处理方面配置了较先进仪器设备，常规参数测量采用美国惠普公司的计算机数据采集及处理系统，对燃烧室排气采用日本进口的烟气分析仪进行烟气分析。

   2.2 与美国GE公司燃气轮机分部合作进行了“GE MS5001燃气轮机低热值煤气燃烧系统研究”项目。

   燃料气为鲁奇煤气。低热值煤气燃烧室的基本结构形式为多管逆流式燃烧室，保留了标准燃烧室的大部分结构形式，主要变动是采用了大流量强旋流的煤气喷燃器，加大煤气和空气的旋流速度。煤气和空气的旋转方向相反，加强煤气与空气的掺混，并形成强烈的回流区，改善火焰的稳定性。

   图1. GE的逆流式燃烧室（略）

   GE MS5001低热值煤气燃烧室试验在美国GE燃气轮机发展试验室（GT DL）的全压全尺寸燃烧试验台上进行，先后进行了4个方案的试验， 试验结果表明最终结构方案除燃烧柴油时高负荷下冒黑烟外，低热值煤气燃烧室其他性能均满足要求。

   2.3 在分析“GE MS5001”低热值煤气燃烧室结构和试验结果的基础上，设计了用于国内某型燃气轮机的燃烧室。

   该燃烧室也采用逆流式结构，并根据国内的制造工艺条件将火焰筒鱼鳞孔冷却结构改为气膜冷却结构。

   图2.某型低热值煤气燃烧室（略）

   燃烧室的基本参数为：

   体积热强度q_v＝4.694×10⁴MJ/m³·h·ata

   面积热强度q_F＝3.575×10⁴MJ/m²·h·ata

   燃气逗留时间t＝0.049s

   参考速度W_ref＝15.54m/s

   火焰管直径D_ft＝192mm

   火焰管长度L＝785mm

   火焰管外壳直径D＝255mm

   燃气过渡段收敛比3.79:1

   试验在上海发电设备成套设计研究所燃气轮机燃烧室试验台上进行。试验参数采用低压模化方法，使用实物燃烧室，给定试验燃烧室进口空气压力为104kPa， 按各工况下的模化试验参数进行试验。试验

   过程中燃烧室点火升负荷顺利，燃烧柴油时未发现冒黑烟现象。燃烧煤气试验时，先用柴油点火，负荷升到1/4全负荷时，由油顺利切换到煤气。试验结果表明，自行设计的燃烧室在模化条件下燃烧效率高，出口温度场均匀，分布符合要求。压损和火焰管壁温都满足要求，设计获得了成功。

   2.4 研究开发了大流量低热值煤气调节阀。

   煤气化联合循环中， 低热值煤气调节阀是系统中的重要部件，必须满足容积流量大，密封性能好，调节特性好，可快速开启和关闭的要求。经过多种方案的分析比较，后确定采用多只单座阀并联的设计方案来满足煤气大流量的要求，各单座阀可由同一执行机构带动，也可以每只阀分别由一个执行机构带动。设计的阀门由锥形阀蝶和拉伐尔缩放型阀座组成，并带有一个预启阀，以减小提升力和时间常数，具有很好的动态特性和快速关闭能力。

   图3. 低热值煤气调节阀（略）

   通过对模型阀门的气动性能吹风试验，掌握了阀门通流能力和流阻特性数据，所设计的调节阀5只并联，就可满足MS5001机组的基本负荷要求。通过大量动态特性试验，证明所设计的阀门快速开启和关闭的性能良好，在1.28MPa表压的控制油压下，50mm的满行程动作时间只需0.34秒。

   通过对“燃用低热值煤气的燃气轮机技术研究”的课题攻关，消化吸收了国外先进技术，自行设计和调试的低热值煤气燃烧室和调节阀主要性能指标良好，并且掌握了这些关键部件的母型和设计研究方法。上海发电设备成套设计研究所曾经成功地将低热值煤气燃烧技术和经验用于国内某大型钢铁企业高炉煤气燃气轮机热电装置的调试技术服务。

3. 常压流化床联合循环（AFBC）的技术研究

燃煤常压流化/燃气－蒸汽联合循环发电装置具有能源转换效率高，煤种适应性广，能燃用劣质煤且环境污染小的优点，是一种可行的洁净煤发电方式。

常压流化床空气热交换技术是发展燃煤常压流化床联合循环所必须解决的关键技术。为此国家科委1981年组织“常压流化床空气换热试验研究”单项关键技术研究。我所承担了建立单一学科研究的常压流化床空气传热试验台和单管及管束常压沸腾炉传热试验台，进行试验台的调试工作并完成初步机理性试验，提出单管传热试验报告，常压流化床联合循环热力系统分析报告和调节与控制系统分析报告。研究工作于1984年底完成并通过专家鉴定。

3.1 0.5m²常压流化床空气热交换试验台

国内在燃煤常压流化床技术方面进行了很多研究，取得了相当大的成绩，积累了丰富的经验。这些研究与发展均集中于燃煤常压流化床蒸汽锅炉技术。燃煤常压流化床联合循环发电装置中使用的燃煤常压流化床空气锅炉技术在国内尚属空白，而其中的“空气埋管热交换技术”是必须解决的关键技术。为此我所建立了一台床面积为0.5m²的常压流化床试验装置。试验台除了可供空气埋管的热交换试验研究外，还可供流化床燃烧、流化、阻力、空气埋管材料、结构，运行特性等多种试验研究使用。已成为一个综合性的燃煤常压流化床试验装置。

沸腾床断面为矩形风帽式布风结构，正压螺旋给煤，水平空气埋管，炉膛四周无冷却管布置，主要参数下：

布风板面积 0.5m ²

床宽度 560mm

床深度 900mm

风帽纵向节距S1 122.6mm

风帽横向节距S2 37mm

风帽个数 112个

下溢流口下沿距风帽顶 1060mm

上溢流口下沿距风帽顶 1960mm

空气埋管为并联布置的U形管，错列布置。

为了适应多种试验项目的要求共布置了温度测点40个、压力测点27个，流量测点14个，共81个测点。

试验台设备齐全，系统完善，配置了大型热力参数数字显示模拟屏，工业电视监察装置、计算机数据采集及处理等设施。

2. 0.1m²常压流化床单管及管束传热试验研究

为了进行更多的机理性研究，建立了一个单管及管束传热试验台，对空气埋管流化侧换热系数α、主要影响因素及流化床中的辐身换热问题进行试验研究。

试验台炉高3.5m，床面积0.4×0.25m²，床温在常温至900℃范围内可调，用电、油联合加热流化空气和流化床料，进行埋管的传热试验研究。

试验台由炉本体，流化空气供气系统，测试管压力空气供气系统，供油系统、排气系统、测试系统及试验控制台组成。

热态传热试验前进行空床试验，确定无料层时进气室和布风板的阻力随风速的变化情况；进行冷态试验，试验炉料使用上海吴淞化肥厂流化床锅炉的灰渣，去除8mm以上的粒子，选用0－8mm直径的“宽带分”颗粒，观察炉料流化的均匀性，冷态流化空气压降与流化速度之间的变化关系。测试管位于炉子的旺盛流化区中、进行热态传热试验。首批试验参数范围为：

粒子：种类吴淞化肥厂炉渣

粒子直径分布：0－8mm

床温：523－804℃

床压：环境压力

流化速度：2.86－4.86m/s

测试管直径：32mm

测试管空气压力：314kPa

测试管空气进口温度：110－154℃

通过试验得到换热系数α、传热系数K随床温的变化关系；试验段各截面床温、壁温和流化空气温度间的关系，试验结果与国内外的一些常压流化床埋管传热试验的结果进行了定性和定量的比较。表明所选用的试验方法是可行的，数据是可信的。

试验数据的分析表明测试管内侧的换热系数小于外侧的换热系统，流化床空气埋管传热的热阻主要在内侧流道。增强内侧流道换热强度或增大内侧流道的换热面积是流化床换热的关键问题之一。

4. 第二代增压流化床联合循环发电关键技术研究

第二代增压流化床联合循环（2G－PFBC－CC）也称为补燃增压流化床燃气－蒸汽联合循环，是在增压流化床联合循环（PFBC－CC）的基础上增加一套炭化炉、煤气除尘装置及燃气轮机补燃燃烧室。煤在炭化炉中裂解，产生低热值煤气和焦炭，焦炭被送到增压流化床中燃烧，产生蒸汽，驱动汽轮机发电。煤气送入燃气轮机燃烧室补燃，将增压流化床送来的烟气加热至1000℃以上，送入透平做功。这种方案集中了IGCC和PFBC－CC的优点，能使循环的总功率和热效率都得到提高。“八五”期间，国家科委部署了第二代增压循环流化床联合循环关键技术的课题攻关任务。由上海发电设备成套设计研究所和北京煤化学研究所共同承担。课题包括三大方面的研究内容：1.增压循环流化床气化技术研究；2.补燃燃烧室系统的研究；3.高温烟气对燃气轮机叶片的磨蚀研究。课题攻关在九五年底全面完成，通过了由科技部、机械部、电力部组织的专家鉴定，并获得了“八五攻关重大科技成果奖”。

4.1 建立了一套增压流化床煤气化技术试验装置系统，并成功地投入试验运行。

试验装置的主要技术参数为：

流化床气化炉：主反应段内径300mm

扩大段内径：450mm

高度：6010mm

设计压力：2.5MPa

操作压力：0.3－1.0MPa

操作温度：900－1100℃

气化剂：空气、水蒸汽

气化方式：部分气化、完全气化

煤处理能力：2.5－5吨/天

增压流化床煤气化技术试验装置建成后，进行了高温冶金焦、伍德炉半焦、神木煤和大同煤等五种原料的试验，试验装置实现了20小时的连续稳定运行，累计运行510小时。气化炉产生的煤气供低热值煤气燃烧系统和叶片磨蚀系统进行试验。

不同煤种、不同操作条件下获得的排灰中含碳量范围为11.1％－75.5％。基本掌握了煤灰粘聚及选择排灰的操作技术。为了开展流化床床内脱硫研究，在流化床气化炉上进行了五个不同含硫量的煤，两种脱硫剂的床内脱硫试验研究，获得了最高达93.6％的脱硫率。这些基础研究和试验工作，为放大规模的增压流化床煤气化和床内脱硫技术做了充分准备（图4）。

4.2 补燃燃烧系统技术研究中，选择了520kW级容量的燃烧室进行试验研究，

主要技术参数为：

空气压力：0.1059Mpa 空气进口温度：320℃ 煤气温度：200℃

PFBC炉烟气温度：850℃ 燃烧室排气温度：1100℃

PFBC中按烟气进入补燃燃烧室的方式可分为后混和前混两种方式，根据煤气化炉的碳转化率X_C选定了X_C＝50％后混、

X_C＝70％后混和X_C＝70％前混三个方案进行了试验（略）

a.后混试验方案（略）

试验在上海发电设备成套设计研究所燃气轮机燃烧室试验台上进行。试验按低压模化方法，并模拟压气机排气温度和PFBC中排出的烟气温度。各方案的试验工况按燃烧室的排气温度为1100℃、1000℃、900℃、800℃、700℃分成5点，根据设计数据和模化条件分别得到各工况的试验参数。

试验时先用0号柴油点火，升负荷至排气温度为750℃时切换成由增压流化床气

化炉供给的低热值煤气。煤气切换及其后的进一步升负荷均十分顺利。对所选定的（略）

b. 前混试验方案（略）

各方案顺利进行了燃烧室燃烧低热值煤气试验，取得了完整的数据。试验结果表明：各工况下的燃烧效率基本在99.0％以上；出口温度场满足要求，温度场系数随负荷的增加而减小，火焰管壁温分布符合设计要求。证明燃烧室的设计思想是正确的。所取得的研究成果可用于第二代增压流化床联合循环补燃燃烧系统的设备研制和调整试验。

4.3 建立了高温烟气磨蚀试验台，

对PFBC中进入燃气轮机的高温烟气中所含少量粉尘对叶片的磨蚀机理进行了研究，提出防磨措施。

叶片磨蚀试验台由高温烟气混合段，灰粒添加装置、叶栅工作段、排气喷水冷却段及叶片冷却空气系统组成。高温烟气来自低热热值（图6）煤气燃烧室排气。灰粒子在烟气混合段前端加入，在混合段中与烟气均匀混合并加速到主气流的速度。添加灰粒的目的是能够在较短的试验时间内观察到含灰烟气对叶片的磨蚀情况。

设计了三种不同结构形式的试验件，第一种是实物透平叶片，第二种是半圆形空心试验件，第三种为扁平形空心试件。三种试件壁面上都装有热电偶，用以测定试验件表面温度。试件材料选用FSX414钴基合金，并分别选用AMDRY997，AMDRY997＋MET－CO204，碳化铬三种不同涂层材料，用高温等离子喷涂工艺将涂层粉末喷涂在试件表面上，以研究耐高温耐磨蚀涂层对燃气轮机叶片的保护作用。

试验结果表明：三种涂层耐磨度对比分析看出，NiCoAlTaY涂层的抗腐蚀、抗高温氧化及耐磨性能较强。真空等离子喷涂的涂层表面臻密光洁，气孔少，具有更好的结合强度及耐高温性能，能符合PFBC中燃气轮机叶片防磨的技术要求。

国家科委自“六五”起连续部署燃煤燃气－蒸汽联合循环关键技术的课题攻关项目，使我国的科研机构和制造厂较好地跟踪了国外“煤的洁净燃烧”这一高新技术的发展，取得了很有价值的研究成果，为我国发展IGCC和PFBC联合循环做好了技术准备。

低热值煤气燃烧系统研究中采用的与国外合作， 吸收国外先进技术， 结合国内产品自行设计和调试的研究方式十分有效。通过研究掌握了低热值煤气燃烧室的设计和调试方法。气体调节阀的试验研究为大流量煤气调节阀的研制和调节系统的设计提供了依据。

第二代增压流化床联合循环关键技术研究中，在上海发电设备成套设计研究所建成了煤气化、燃烧和叶片磨蚀为一体的试验系统。

今后将充分发挥已有人才、设备及已获得的研究成果的作用，更深入地研究IGCC和2G－PFBC－CC的关键技术，为发展我国的洁净煤发电技术，为早日在我国建成燃煤联合循环电站作更多的贡献。

1. 杨道刚、李祖玉，低热值煤气燃气轮机燃烧室试验研究报告。上海发电设备成套设计研究所， 1990.9
2. K W Beebe, Li Jian-yie, Yang Dao-gang, Zhou Tian-yu, Design and Development Test of a Gas Turbine Combustor for Air-Alown Lurgi Coal Gas Fuel.ASME 85-IGT-128 Spet 1985
3. 焦树建，整体煤气化燃－蒸汽联合循环。中国电力出版社，1996
4. 杨道刚，补燃燃烧系统的研究试验研究报告。上海发电设备成套设计研究所， 1995.12
5. 李守玉、李祖玉，高温烟气对燃气轮机叶片磨蚀研究试验研究报告。上海发电设备成套设计研究所， 1995.12
6. 彭万旺、步学明，加压流化床煤气化技术鉴定材料。 煤炭科学研究总院北京煤化学研究所，1995.11