IGCC氣化爐水循環計算與分析

吳努斌， 劉建斌， 蹇 浪， 任晞青， 徐 鴻

（1.金風科技股份有限公司，烏魯木齊830026；2.上海鍋爐廠股份有限公司，上海200245；3.中南電力設計院，武漢430071；4.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，北京102206）

隨著中國經濟的較快發展和工業化進程的加快，能源需求不斷增長，但以煤為主的能源消費結構對環境造成的壓力很大.目前，中國鼓勵發展潔凈煤技術，推進煤炭氣化及加工轉化等先進技術的研究開發，推廣整體煤氣化聯合循環（IGCC）技術［1］，其中氣化爐是IGCC發展的關鍵設備，自主開發并承制大型氣化爐設備有著深遠的意義［2－3］.以國家重點支持IGCC示范工程某氣化爐為例，建立了中壓控制循環水系統數學模型.

二段式加壓干煤粉氣化爐要求在保證出口煤氣參數的條件下，同時考慮顯熱回收，產生的水蒸氣進入蒸汽輪機做功，煤氣通過燃氣輪機做功，實現燃氣－蒸汽聯合循環.氣化爐與傳統鍋爐的結構布置存在很大差異：傳統鍋爐以產生額定壓力、溫度的蒸汽為目的，而氣化爐在保證煤氣氣化過程中各段出口溫度的同時產生一定壓力和溫度的飽和蒸汽，由于要兼顧煤氣與水蒸氣的品質，因而對氣化爐水循環系統提出了更高的要求.筆者通過對氣化爐水循環系統建立數學模型，解決水系統在氣化爐內吸熱與熱負荷相匹配以及流量和阻力平衡問題，從而確保設備運行安全及結構合理［4］.

1 氣化爐的結構

整個氣化爐呈倒“U”型結構，按煤氣流通走向氣化爐分為渣冷卻段、氣化室一段、縮口段、氣化室二段、氣化爐上部、爐頂、返向室出口、煤氣導管段、煤氣冷卻器水冷壁和冷卻器上、中、下段.按布置形式蒸發受熱面分為列管、盤管、蛇形管；按熱交換形式分為膜式壁輻射受熱面、膜式壁對流受熱面和盤管套筒對流受熱面；按工質受熱流向分為一次垂直上升管、水平圍繞上升管、“U”形上升管和“W”形上升管等.受熱面布置結構種類多，并行回路差異大.圖1為氣化爐整體結構示意圖.

2 水循環系統組成

圖1 氣化爐結構示意圖Fig.1 Structural diagram of the gasifier

該氣化爐為中壓控制循環水系統，汽包壓力為5.0MPa，飽和溫度為265℃，主要由汽包、下降管、強制循環泵、分配母管、下聯箱、上升管、上聯箱、汽水引出管、汽水分離器等設備組成.工質從汽包經下降管、循環泵進入分配母管，由分配母管分別引出8組引入管，流經各受熱面后從8組汽水引出管返回汽包.其中渣冷卻段、氣化室一段和縮口段水冷壁共用1組引入管，對應2組汽水引出管；煤氣冷卻器水冷壁與冷卻器上蒸發器共用1組汽水引出管，對應2組引入管，其他回路引入、引出管一一對應，屬于復雜循環回路.水系統劃分為1組下降管、8組引入（出）管組和28組蒸發受熱面.氣化爐汽水系統流程見圖2.

圖2 氣化爐汽水系統流程示意圖Fig.2 Flow chart of the water－steam system in the gasifier

3 水動力計算的數學模型

3.1 數學模型

穩定工況下的水動力計算都可以歸結為求解流量平衡、阻力平衡和熱量平衡的問題.對于一級并聯管組，同一壓差下工作的各并聯管組滿足下列非線性方程組：

式中：△p為引入管與引出管間的壓差；Gi為第i根并聯管工質的流量；G為引入（出）管工質流量；fi（Gi，G）為在Gi，G 流量下第i根管在引入、引出管間的壓差.

顯然，在上式中如果已知管組壓差△p求各并聯管工質流量G1＋G2＋…＋Gk，則每個非線性方程僅與Gi和G兩個未知量有關.反之，如果已知總流量G求壓差△p和各并聯管工質流量G1＋G2＋…＋Gk，則每個非線性方程僅與Gi和△p兩個未知量有關.

當求循環回路的流量問題時，可分為下降管總流量等于上升管總流量和下降管壓差等于上升管壓差這兩個平衡.已知下降管流量Gxj就可以確定下降管壓差，也就確定了上升管壓差，由此可求出上升管總流量.即上升管組的總流量Gss是下降管流量Gxj的非線性函數.在穩定工況下，下降管的流量Gxj應滿足非線性方程：

3.2 計算過程

圖3給出了水循環的計算過程.

圖3 水循環計算過程圖Fig.3 Water cycle computation process

具體過程如下：

（1）初定循環泵壓頭，假定循環流速w0；

（2）求出下降管系統流量Gxj和壓差△pxj；

（3）由Gss＝Gxj，通過計算程序求解Gi，上升管系統壓差△pss；

（4）比較△pxj與△pss是否滿足精度｜△pxj－△pss｜＜ε；

（5）修正循環泵壓頭，直至符合實際工況需求.

3.3 求解方法

式中：ε＞0，i＝1，2，…，k［5－6］.

4 計算結果與分析

通過程序迭代計算使流量、壓降和熱量達到平衡，在穩定工況下，表1給出水循環系統總體參數，表2給出各回路數據表，圖4給出氣化爐各段目標流量、計算流量和吸熱量情況.為了接近氣化爐目標流量，在引入管安裝了可變節流圈，增加可調節手段.在部分回路受熱面的管子入口處裝設節流圈，進行二級回路流量分配，控制管子出口含汽率.該爐型結構布置類似荷蘭Buggenum電廠shell氣化爐，該爐水冷壁規格為外徑38mm和壁厚6mm以及外徑48mm和壁厚6mm，循環水量為2 000t／h，循環泵揚程為66.5m.與其相比，本爐型水冷壁規格為外徑38mm和壁厚8mm以及外徑48mm和壁厚8mm，循環水量為3 000t／h，水冷壁內徑小于shell氣化爐，總循環水量增加，此外，由于結構差異等因素，使系統總體壓降增大，循環泵揚程抬高至110m［7］.

表1 水循環系統主要特性參數Tab.1 Main characteristic parameters of the water cycle system

表2 各回路數據表Tab.2 Data sheet of each loop

圖4 氣化爐各段流量和吸熱量Fig.4 Flow rate and heat absorption in each part of the gasifier

圖5給出了28個水冷壁管組的重位壓降、流動壓降、總壓降及出口質量含汽率的曲線圖.由圖5可以看出，各并聯回路總壓降相等，質量含汽率均控制在7%以下.煤氣冷卻器部分受熱面所處位置熱負荷不高，雖然后12組水冷壁平均含汽率稍高，但仍在安全范圍內.各并行回路之間含汽率的偏差主要是結構差異引起的，另外考慮到制造工藝和價格成本，在不影響設備安全的前提下，某些管路沒有安裝節流圈.

圖5 水冷壁管組壓降曲線Fig.5 Pressure drop curves of water wall tube bank

圖6為引入管組的重位壓降、流動壓降、總壓降與質量流速曲線圖，其中渣冷卻上下段、氣化室一段、縮口段共用第①組引入管，對應第Ⅰ和第Ⅱ組引出管組，在目標流量下氣化爐上部管組總壓降最大.

圖6 引入管組壓降曲線Fig.6 Pressure drop curves of inlet tube bank

圖7為汽水引出管組的重位壓降、流動壓降、總壓降、出口含汽率及可變節流圈壓降曲線圖.從圖7中可知，第4組引出管可變節流圈壓降最小，該組引出管對應氣化爐上部、爐頂和返向室出口三組受熱面，入水集箱處于氣化爐最高位置，重位有效壓頭很小，汽水流動阻力基本上由循環泵克服.循環泵揚程由壓降最大的回路決定，該組回路壓降最大，其他回路通過可變節流圈調節與該組回路壓降相同.第5組引出管可變節流圈壓降最大，該組引出管對應煤氣導管段水冷壁為圖2第16組，相對于其他管路該組受熱面流程簡單，流動阻力最小，可變節流圈壓降最大.

圖7 引出管組壓降曲線Fig.7 Pressure drop curves of outlet tube bank

圖8和圖9分別為氣化爐蒸發受熱面水動力特性曲線與氣化爐水系統總體特性曲線，由兩者關系可以得出水系統在不同工作點各回路的流動參數.

圖8 氣化爐各部分水動力特性曲線Fig.8 Hydrodynamic behavior of each part of the gasifier

5 結 論

圖9 氣化爐總體水循環系統特性曲線Fig.9 Hydrodynamic behavior of the whole water cycle system

（1）選取高循環倍率使足夠的循環水量流過受熱面，即使汽水混合物沿受熱面有向下流動的情況，也能確保受熱面不發生傳熱惡化；同時在各分配水管裝有可變節流圈，內部受熱面元件加裝節流圈，以使流量分配均勻，并行回路出口含汽率偏差不大.

（2）氣化爐上段三組水冷壁管組在目標流量下流動阻力最大，主要是由于受熱面布置方式多，且多次上升，流程較長，因此壓降很大，對于整個汽水系統循環很不利，如優化布置結構、簡化汽水流程，并盡量避免汽水混合物沿受熱管道向下流動，則能夠有效降低循環泵揚程，對提高電廠效率、降低成本影響顯著.

［1］焦樹建.整體煤氣化燃氣－蒸汽聯合循環［M］.北京：中國電力出版社，1996.

［2］國務院新聞辦公室.中國能源狀況與政策［R］.北京：［s.n.］，2007.

［3］焦樹建.IGCC某些關鍵技術的發展與展望［J］.動力工程，2006，26（2）：153－165.JIAO Shujian.Development and prospect of some key technologies of IGCC［J］.Journal of Power Engineering，2006，26（2）：153－165.

［4］林宗虎，陳立勛.鍋內過程［M］.西安：西安交通大學出版社，1990.

［5］上海發電設備成套設計研究所.電站鍋爐水動力計算方法［R］.上海：上海發電設備成套設計研究所，1983.

［6］洛克申，別捷爾松，什瓦爾茲.鍋爐機組水力計算標準方法［M］.董祖康，王孟浩，李守恒，譯.北京：電力工業出版社，1981：4－9.

［7］曹子棟.煤加壓氣化與IGCC技術研究現狀與進展［C］／／中國西安能源動力科技創新研討會及展示會論文集.西安：［s.n.］，2007.