低热值燃料燃气轮机燃烧特性及技术优化

范洪武

摘要：低热值燃气轮机具有燃料成本低、能源转化效率高等特点。但由于其燃料特性复杂，在实际运行中存在诸多问题。本文通过介绍低热值燃料燃气轮机发电技术，探索其燃烧特性，并提出了有针对性的技术优化措施以满足低热值燃料燃机稳定运行的要求。

关键词：低热值燃料;燃烧特性;燃气轮机;联合循环发电

中图分类号：TK16 文献识别码：A 文章编号：1001-828X（2019）015-0370-02

引言

低热值燃气发电技术最早起源于美国，早在上世纪70年代，美国就已经建造了多座运用钢厂高炉煤气为原料的燃气轮机CCPP项目。在国内，低热值燃气发电技术最早在宝钢145MW燃气发电项目中实施落地，选用的为三菱公司的重型燃气轮机。之后的十多年，相继有十几家国内钢铁企业根据生产实际需要，落地了多个低热值燃气轮机CCPP项目。

在技术方案上，低热值燃气发电技术具有极好的燃料适应性，因此对燃气轮机的技术要求也更高。不仅需要能适应普通高炉煤气、焦炉煤气、合成气及天然气，同时对于燃烧调整、热通道部件的檢修也提出了极高的要求。本文以燃用低热值兰炭合成尾气的上海电力哈密燃气发电项目为例，通过一系列设备改造、系统调试及运行经验的积累，探索低热值燃料燃气轮机燃烧特性及其技术优化。

一、低热值燃料燃气轮机发电技术

标准燃气轮机主要以天然气和轻馏油为燃料。作为非标型燃气轮机则主要以中低热值可燃气体为燃料。中低热值燃料是指煤化工/生物质化气体、石化尾气、高炉气/转炉气、焦炉气/煤热解气等，以CO和H2为主要可燃成分，其热值通常在3-17MJ/Nm³之间。哈密燃机项目选用的机型为美国通用公司的PG9171E型燃气轮机低热值版，项目以煤化工兰炭伴生尾气为主要燃料，燃料热值为6.3-7.6 MJ/Nm³，分子量约为26，属于典型的低热值可燃气。（见表1）

兰炭尾气主要燃烧成分为CO与H2，在制备上属于工艺副产物，生产过程中会残留大量的杂质，如焦油、灰尘、水分、苯、萘、氨、硫等成分，其洁净度远远不能满足燃气轮机燃烧的规范要求。因此在工艺上游，配置了整套尾气净化装置。

9E燃机要求进口燃气压力必须满足2.35Mpa，尾气供应母管压力仅为5Kpa，为了满足进口压力的要求，哈密低热值兰炭尾气CCPP项目主机采用燃气轮机加煤压机的运行方式。布置方式为燃气轮机、发电机及两级三段煤压机同轴布置。

在主要工艺流程上，燃气轮机启动初期以轻油为主燃料进行启动，通过变速齿轮箱带动煤压机在燃机3000rpm运行时，能达到5316rpm。在此过程中，煤气通过前置预处理及净化单元调整后进入煤压机，通过三段增压，加压到2.46MPa、150℃，此时增压煤气压力达到燃机燃烧的要求。燃机以轻油为主燃料升负荷，进行轻油至煤气的燃料切换，煤气经煤气调压控制阀组进入燃烧室。在燃烧室中，煤气以较大的过剩空气系数进行燃烧。煤气在燃烧室中燃烧后产生温度为1125℃的高温高压烟气送至燃气轮机驱动透平作功。燃气透平作功产生的功率除驱动发电机发电外，还驱动煤气压缩机及空气压缩机做功，扣除所消耗的功率及其它损失后，发电机的额定输出功率为101.25Mw。燃机透平出口排烟温度538℃，正常情况下，烟气直接进入余热锅炉，特殊情况下，可通过旁路烟囱直接排人大气。烟气进入余热锅炉后，与锅炉中的汽水介质进行热交换，产生两种参数的蒸汽，其中，高压蒸汽额定发生量198t/h、8.163MPa（绝压）、512℃，低压蒸汽额定发生量53t/h、0.411MPa（绝压）、181℃。两种蒸汽直接送入汽轮机作功，发电机端额定输出功率68.2MW。

二、低热值燃料的燃烧特性

1.燃烧方式的选择

与天然气和轻油为燃料不同，低热值燃气在燃烧过程中，具有难以点燃和控制，燃烧时容易出现回火和熄火现象，稳燃难度更大。以项目中选用的低热值兰炭尾气为例，其CO的含量较高，因此在燃用过程中着火下限较高，点火更为困难。同时因为含有一定比例的H2，在低负荷状态下，更容易出现回火及燃烧振荡等现象。正是由于低热值燃气的这一燃烧特性，如果采用燃料一空气预混方式的干式低NOX（DLN）燃烧技术，很容易出现喷嘴内自燃及回火的现象。鉴于低热值DLN燃烧器技术尚不成熟，为了实现低热值燃气的稳定燃烧，一般均选用扩散燃烧器。在扩散燃烧方式下，由于燃气可燃成分燃烧时绝热火焰分度较高，局部燃烧温度高，极易导致燃烧产物中的氮氧化物含量排放偏高。

2.排放问题的解决

解决在扩散燃烧方式中大量生成NOX的问题，一般主要按照其生成机理的不同有两大类方法可供选择：

（1）主要对燃烧器内部进行改造，增设燃烧器内稀释剂喷注管道。通过在低热值尾气中掺混N2等惰性气体，或者进行回注饱和蒸汽、及燃烧器内喷水等喷注稀释剂降低燃烧温度的方式，降低绝热火焰的温度，控制燃烧过程中热力型NOX的生成量。

（2）在燃机排烟侧加装烟气催化还原净化装置，在催化剂的作用下，使烟气中的NOX被还原成N2。

在这两种方式中，第二种方式不仅设备投资高，后期维护成本及使用成本也极高，因此哈密燃机项目现场采用燃烧室内蒸汽回注的方式。实践表明，通过回注降低燃烧温度，可以有效控制在燃烧过程中NOX的生成量，以达到优异的烟气排放指标。

三、低热值燃料燃气轮机燃烧技术优化

1.优化燃料切换工况点

由于低热值燃气的燃料特性独特，在燃机带负荷后的燃料切换（由轻油为主燃料在线切换至低热值尾气为主燃料）工况点的选择上，需进行多次试验及数据比对。（见表2）

燃机排烟分散度是反映燃烧室内火焰稳定及燃烧均衡与否的重要指标。通过对不同切换工况点的数据比对，综合分析得出：

（1）在低负荷段进行燃料切换，由于主燃料阀在燃机燃料基准冲程（FsR）的影响下，开度较小。因此导致燃烧室内形成弱旋转射流，导致扩散火焰强度较低，燃烧稳定性较差。

（2）提升切换工况点后，随着主燃料阀开度变大，燃烧室内形成强旋转射流，能有效提升扩散火焰强度，燃烧稳定性也随之提升。

（3）燃料切换工况点的选取存在负荷拐点。在高负荷段进行燃烧切换时，虽然由于主燃料阀处于大开度，燃烧室内强旋转射流与助燃空气混合度强，燃烧强度更强。但由于燃机进口导叶处于大开度，燃机压气机出口压比及空气流量增大，导致燃烧室内产生剧烈的燃烧脉动。燃烧处于极不稳定的状态。

由此可以得出，在30MW负荷下，燃气在燃烧室内形成强旋转射流，压气机排气压力与流量处于最佳燃烧配比，燃气着火温度高，燃烧处于最稳定的状态。也因此是最为理想的燃料切换点。

2.优化燃烧系统

低热值燃气热值远低于普通天然气，为了向燃烧室提供相同当量的化学能来驱动燃机透平，需要供应更多的燃料。普通燃机在燃用天然气时燃料占进入燃烧室的空气总量约为2.3%，燃用低热值燃气的燃机其燃料占比则高达12.7%。因此为了能加大燃料供应量，对燃机扩散喷嘴进行了优化。扩大了燃料管管径，同时根据配比按比例扩大清吹管道管径。燃烧器喷嘴采用旋流式，在燃烧过程中加强了燃气和空气的混合，使得燃气中的CO能在燃烧器内完全氧化，加速火焰的扩散。能在短时间内形成高强度、高稳定性和均衡燃烧的扩散火焰。

在燃用低热值燃气时，由于扩散火焰强度大，燃烧室出口烟气量增大，长期运行将导致透平一级静叶使用寿命大大降低。为了防止叶片可能出现的烧毁现象，低热值燃机透平一级静叶及动叶较标准机型更大，叶片内部空气冷却流道通流量更大。有效保证了透平高温叶片的使用寿命。

3.优化蒸汽回注控制方式

根据GE公司重型燃机维护指导书的内容，燃烧室内蒸汽回注虽然能有效降低燃烧室温度，控制烟氣中NOX的排放量，但对热通道部件也会带来极大的损伤。如不控制蒸汽回注量，长时间运行后，将导致燃烧喷嘴烧蚀、透平动静叶涂层产生裂纹剥落等现象。任何热通道部件的损伤都将严重影响燃烧的稳定性。因此为了能保证低热值燃气始终处于稳定燃烧的状态、保障燃机长时间稳定运行，需要选择蒸汽回注的方式。

低热值燃机蒸汽回注系统分为干式控制与湿式控制两种形式。在基本负荷状态下，通过蒸汽回注来有效降低燃烧室温度的方式，称之为干式控制。通过蒸汽回注，来控制燃烧室温度恒定以提升燃机带负荷能力的方式，称之为湿式控制。在干式控制状态下，燃机烟气NOX排放指标有效降低，热通道部件寿命影响较小。而在湿式控制状态下，燃机NOX排放指标无明显降低，除了带负荷能力提升外，热通道部件寿命显著下降。

同时，蒸汽回注流量与燃料量之比也存在效率拐点。经过大量运行数据验证，当回注蒸汽压力为22.1 bar、温度为260℃时，最佳蒸汽回注流量与燃料量之比为5.2%。蒸汽回注最佳运行方式为采用干式控制法。

四、结语

我国煤炭能源禀赋优越，煤化工产业发达，每年都产生大量的低热值煤气。由于低热值燃气其燃料特性复杂，因此大多未被有效的进行利用，造成能源的巨大浪费。而低热值燃料燃机，在原有燃机发电技术的基础上，根据各低热值燃气燃料特性的不同，通过燃烧方式的调整优化、燃烧系统的改造及控制方式的优化，从而有效的解决了其着火难、燃烧不稳定、排放高等问题，实现了低热值燃料燃气轮机的稳定运行。作为工艺成熟、理念先进的技术路线，在我国日益提倡能源高效利用的大背景下，必将拥有广泛的应用前景。