燃氣輪機改燒焦爐煤氣的適應性研究

李 濤，張哲巔，雷福林

(1. 中國航發燃氣輪機有限公司，沈陽 110179；2. 中國科學院先進能源動力重點實驗室(工程熱物理研究所)，北京 100190；3. 中國科學院大學，北京 100049)

焦炭在冶金工業中有廣泛應用，我國是世界最大的焦炭生產國[1]。焦爐煤氣是煉焦工業的副產品，是指由幾種煙煤配制成的煉焦用煤在煉焦爐中經過高溫干餾后在產出焦炭產品的同時所產生的一種可燃性氣體。焦爐煤氣產率和組成因煉焦用煤質量和焦化過程條件不同而有所差別，其主要成分為H2(55%～60%)和CH4(23%～27%)。焦爐煤氣熱值較高，富含H2，具有燃燒速度快、火焰短、爆炸范圍大等特點。按1 t干煤生產0.75 t焦炭和250 m3焦爐煤氣估算[1]，年產240萬t的焦化廠一年可以產生約8億m3焦爐煤氣。

焦爐煤氣綜合利用途徑包括發電、制甲醇、合成氨、制天然氣、制氫等[2]。使用焦爐煤氣發電，可以滿足煉焦企業的用電需求，降低焦炭成本，提高資源利用率，減少環境污染。燃氣輪機逐步取代蒸汽輪機成為焦爐煤氣發電的主要方式。目前，焦化廠使用進口的燃氣輪機發電機組[3]，以焦爐煤氣作主燃料，實現熱電聯產。但是，進口機組的價格較高，特別是后續運維費用和檢修費用很高[4]，增加了機組的運行成本和不固定支出，嚴重影響經濟效益，成為焦化廠發電用戶共同面臨的困境。

國產AGT-25燃氣輪機以天然氣為燃料，運行穩定，性能良好，具備改燒焦爐煤氣的技術條件，同時功率等級滿足焦化廠的需求，具有改燒焦爐煤氣的市場前景。焦爐煤氣與天然氣相比，其較低的熱值和較高的H2含量將會給燃燒室的設計帶來較大的挑戰[5]。國內外學者針對燒中低熱值燃料燃氣輪機燃燒室的性能和NOx排放開展了大量試驗和數值模擬研究[6-13]，結果表明須要綜合考慮燃料組分變化對燃燒穩定性、回火特性以及污染物排放等各個方面的影響。楊強等人開展了天然氣組分變化對雙燃料燃燒室性能影響試驗研究[14]，分析了雙燃料低排放燃燒室技術特點，指出雙燃料燃燒室設計難點主要在噴嘴設計、燃料切換、混合燃燒等方面[15]。穆延非等人開展了燃氣輪機啟動燃料的替換研究，表明采用天然氣替代柴油作為啟動燃料能夠節省費用以及降低污染物排放[16]。

1 改燒焦爐煤氣的研究思路

1.1 喘振裕度分析

與天然氣相比，焦爐煤氣的熱值低，相同工況下流經火焰筒和透平的燃氣流量相應增加，引起透平前壓力增加，可能導致壓氣機喘振。

喘振是氣流沿軸線方向發生的低頻率、高振幅的振蕩現象。壓氣機喘振會導致強烈的機械振動和熱端超溫，在極短的時間內造成燃氣輪機部件的嚴重損壞。燃氣輪機改燒焦爐煤氣必須有足夠的喘振裕度。

喘振裕度的計算方法為：

(1)

式中：y為壓氣機喘振裕度；q0為壓氣機喘振邊界處的空氣流量；π0為壓氣機喘振邊界線處的壓比；q1為壓氣機工作時的實際空氣流量；π1為壓氣機工作時的實際壓比。

最小的穩定喘振裕度要求取決于發動機構型與應用需求。最大負荷下所需喘振裕度變化很大，取決于加速和減速時間要求、發動機構型、是采用離心式還是軸流式壓氣機、是否在部分負荷時使用放氣閥或VSV等，不同用途發動機大致的喘振裕度要求水平見表1[17]。

表1 喘振裕度要求

AGT-25燃氣輪機的壓氣機特性線見圖1，壓氣機5 000 r/min等轉速線與喘振邊界線交點的空氣流量取40.9 kg/s，壓比取2.54。0.1工況時的喘振裕度最小，1.0工況時的喘振裕度約28%，遠大于發電行業要求的20%。為保證安全，《AGT-25燃氣輪機試驗大綱》中要求壓氣機轉速5 000 r/min(對應0.1工況)時的喘振裕度不低于10%。

圖1 壓氣機特性線

燃氣輪機性能分析的基本原理是利用熱力學公式搭建壓氣機、燃燒室、渦輪的計算模型，各部件之間參數平衡時得到的工況點就是燃氣輪機的平衡運行點。燃氣輪機在某個工況穩定運行時，必須滿足功率平衡、流量平衡、壓力平衡、轉速平衡和燃燒室的熱平衡。利用燃氣輪機性能分析軟件，模擬得到燃氣輪機以天然氣為燃料，壓氣機轉速5 000 r/min時的空氣流量42.725 kg/s、壓比2.335，代入式(1)計算出相應的喘振裕度13.63%；改為焦爐煤氣為燃料，壓氣機轉速5 000 r/min時的空氣流量42.844 kg/s、壓比2.356，代入式(1)計算出相應的喘振裕度12.93%。結果表明，燃氣輪機改燒焦爐煤氣，喘振裕度降低了0.7%，滿足喘振裕度大于10%的要求。

1.2 火焰筒流量分析

燃氣輪機在額定負荷下，單個火焰筒空氣流量為3.457 m3/s，天然氣流量為0.128 m3/s。天然氣成分為CH4，熱值取33.8 MJ/m3，燃燒過程為：

(2)

化學反應式(2)表明，以天然氣為燃料，火焰筒內燃燒前后的質量和標準體積不變，產生的燃氣流量為3.585 m3/s。

以焦爐煤氣為燃料，單個火焰筒的空氣流量不變，按等熱值法計算出對應的焦爐煤氣流量為0.264 m3/s。焦爐煤氣的成分見表2，熱值取16.4 MJ/m3，燃燒過程為：

(3)

(4)

(5)

化學反應式(3)、(4)、(5)表明，焦爐煤氣中的CH4、CO、H2都參與了燃燒過程，產生燃氣的質量等于焦爐煤氣與空氣的質量和，標準體積減少了CO和H2體積和的1/3，為3.668 m3/s。

表2 焦爐煤氣成分體積百分比

燃氣輪機額定負荷下使用焦爐煤氣和天然氣相比，單個火焰筒內部的燃氣流量增加了0.083 m3/s，約為2.32%。這表明在不改變火焰筒結構的情況下，使用焦爐煤氣的額定負荷要低于天然氣。考慮到燃氣流量的增量較小，暫不改變火焰筒結構，整機試驗時確定以焦爐煤氣為燃料的最大負荷。

1.3 研究內容

焦爐煤氣富含H2，燃燒速度快，火焰前移，容易出現燒蝕噴嘴的現象。在天然氣燃料噴嘴的基礎上改進設計，主要通過適當增大燃料噴射孔面積，解決噴嘴燒蝕的問題。

焦爐煤氣受煤種與工藝影響變化較大，所含成分復雜，火焰穩定性差，導致點火和聯焰不可靠。為了保證燃氣輪機的可靠點火和聯焰，使用天然氣燃料啟動，在中低工況穩定運行時切換至焦爐煤氣。

綜上所述，AGT-25燃氣輪機的適應性研究內容定位在焦爐煤氣噴嘴、雙燃料系統和燃料切換。

2 焦爐煤氣噴嘴改進

2.1 焦爐煤氣噴嘴結構

在天然氣噴嘴的基礎上，依據焦爐煤氣的燃燒特點，提出了四種噴嘴結構。噴嘴A結構如圖2(a)所示，在頭部中心位置開有一燃料孔，燃料孔徑為3.9 mm，以防止近噴嘴處的回流和燒蝕。噴嘴B結構如圖2(b)所示，在頭部噴嘴中心位置無燃料孔，僅保留了周向均布的 12 個燃料孔。噴嘴 C在噴嘴A基礎上減小10%燃料孔徑，燃料孔徑為3.5 mm；噴嘴D在噴嘴A基礎上增大10%燃料孔徑，燃料孔徑為4.3 mm。

(a) 有中心孔噴嘴

使用計算流體力學模擬軟件，對四種改進噴嘴分別進行了數值仿真[18]，0.8工況的計算結果匯總在表3中。結果表明：燃氣輪機以焦爐煤氣為燃料時，噴嘴C、A、D的燃料孔徑從3.5 mm增大到4.3 mm，燃燒室出口溫度周向分布系數OTDF和徑向分布系數RTDF有減小的趨勢，但是燃料孔徑增大時，高溫火焰區會更貼近火焰筒壁面，有可能導致壁面局部溫度過高。將噴嘴A的中心噴孔堵住得到噴嘴B，可以降低火焰筒出口最高溫度，具有更好的溫度場。因此，部件燃燒試驗中選擇噴嘴A和B進行比較，確定較好的噴嘴方案。

表3 噴嘴的燃燒室模擬結果

2.2 部件燃燒試驗

部件燃燒試驗在中國科學院的多燃料全溫全壓全尺寸燃氣輪機燃燒室試驗臺上開展。試驗臺由空壓機組、空氣預熱器、燃料調配系統、試驗段、排氣系統、冷卻系統和測控系統組成。

試驗段采用全尺寸單管燃燒室和焦爐煤氣噴嘴試驗件，現場布置見圖3。在數值分析的基礎上，綜合考慮后確定加工兩組焦爐煤氣噴嘴試驗件，分別為有中心孔噴嘴和無中心孔噴嘴，其噴嘴結構見圖2。考慮到燃料孔徑較大時火焰離噴嘴較近，為避免燒蝕噴嘴，將燃料孔徑調整為3.8 mm。

分別對有中心孔噴嘴和無中心孔噴嘴進行部件燃燒試驗，氣動熱力參數采用壓力模化方法，首先保證空氣進出口溫度不變，其次將空氣流量按照壓力進行折算保持體積流量不變，從而保證燃燒室的速度不變，試驗測試結果見表4。

表4 部件燃料試驗的測試結果

有中心孔噴嘴和無中心孔噴嘴完成部件燃燒試驗后的實物狀態見圖4，檢查結果為狀態良好，無燒蝕現象，均有輕微積炭。結合試驗條件分析，噴嘴出現積炭的原因是試驗所用的焦爐煤氣未進行凈化處理，而工程實際使用的焦爐煤氣經過過濾，潔凈度高，一般不會出現導致影響燃氣輪機運行的積炭現象。

(a) 有中心孔噴嘴

通過部件燃燒試驗可以看出，有中心孔噴嘴和無中心孔噴嘴均可穩定燃燒，火焰筒和噴嘴均無過熱過燒現象。但是無中心孔噴嘴的出口中心溫度和出口邊緣溫度的差值較小，表明出口溫度場相對比較均勻，這也和數值模擬的結果一致，因此確定使用無中心孔噴嘴作為裝機方案。無中心孔噴嘴作為焦爐煤氣噴嘴，與天然氣噴嘴相比，取消了中心孔，孔徑由2.65 mm改為3.8 mm。

3 燃氣輪機系統改造

3.1 雙燃料系統

雙燃料系統為兩路輸入和一路輸出。兩路輸入分別是天然氣供應輸入和焦爐煤氣供應輸入，天然氣供應壓力2.0～2.5 MPa、溫度50～80 ℃，焦爐煤氣供應壓力3.0～3.5 MPa、溫度60～90 ℃。一路輸出為向燃氣輪機點火氣路和工作氣路輸出燃料。天然氣與焦爐煤氣共用一套輸出管道、點火氣路管道、工作氣路管道、點火裝置和工作噴嘴，可以實現天然氣點火、焦爐煤氣點火、天然氣單獨供應、焦爐煤氣單獨供應、天然氣焦爐煤氣切換、天然氣焦爐煤氣任意比例混合供應等，滿足燃氣輪機對燃料供應的要求。

考慮到當前的技術水平，為了保證燃氣輪機的可靠點火和安全起動，暫不驗證和使用焦爐煤氣點火，雙燃料系統的工作模式確定為：燃氣輪機使用天然氣點火，發電功率升到約6 000 kW時將天然氣切換為焦爐煤氣，之后以焦爐煤氣為燃料在任意工況運行和停機。

雙燃料系統的三維模型見圖5，主要有流量計、防爆熱電阻、快速切斷閥、防爆壓力變送器、點火氣路壓力變送器、燃料調節閥、單動氣動球閥、電磁閥、減壓閥、放空閥等，滿足燃氣輪機從起動點火到并網滿負荷運行的天然氣/焦爐煤氣燃料供應要求。

圖5 雙燃料系統的三維模型

3.2 燃料切換

為了保持發電功率的穩定，減少對電網的影響，燃料切換采用等功率切換控制方法。燃氣輪機在發電功率6 000 kW穩定運行5 min后，開始減小天然氣供應量直至完全關閉，程序自動閉環控制，焦爐煤氣隨動打開，維持目標熱量等于初始狀態。

發電功率處于5 500～6 500 kW區間時，收到燃料切換指令且無相關限制性故障時，開始燃料切換：

(1) 開始切換計時；

(2) 打開焦爐煤氣切斷閥，關閉焦爐煤氣放空閥；

(3) 通過功率閉環控制，得到維持目標功率所需的熱量Q，把Q分配給天然氣和焦爐煤氣：Q=Qn(天然氣熱量)+Qc(焦爐煤氣熱量)；

(4) 記錄切換開始時的Q記為Q1，0～100s所需天然氣熱量Qn由Q1線性減小到0；

(5) 0～100 s，焦爐煤氣承擔剩余熱量：Qc=Q-Qn；

(6) 100 s后，關閉天然氣切斷閥，打開天然氣放空閥，完成切換。

3.3 燃氣輪機運行試驗

燃氣輪機根據焦爐煤氣噴嘴、雙燃料系統和燃料切換控制程序方案完成改裝。改裝后的機組見圖6，具備開展以焦爐煤氣為主燃料的發電運行試驗。

圖6 改裝后的機組

目前，改裝后的機組已在焦化廠完成2 000 h發電運行試驗。試驗過程中，燃氣輪機以天然氣為燃料起動，在5 500～6 500 kW切換為焦爐煤氣，能夠按電網要求調控和穩定運行，主要運行工況為發電功率19 MW，最大運行工況為發電功率24 MW，0.1工況處的喘振裕度為12%～14%。

4 結論

通過開展適應性研究，更換焦爐煤氣噴嘴和雙燃料系統，在控制系統中增加燃料切換控制程序，實現了AGT-25燃氣輪機以焦爐煤氣為主燃料的工作能力。

改裝后的機組完成了2 000 h發電運行試驗，標志著AGT-25燃氣輪機在焦爐煤氣應用領域取得了技術突破，拓寬了燃料使用范圍和工業應用領域。