IGCC氣化爐水循環(huán)計算與分析

吳努斌， 劉建斌， 蹇 浪， 任晞青， 徐 鴻

（1.金風(fēng)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(shè)計院，武漢430071；4.華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院，北京102206）

隨著中國經(jīng)濟的較快發(fā)展和工業(yè)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(jié)構(gòu)對環(huán)境造成的壓力很大.目前，中國鼓勵發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)，推進煤炭氣化及加工轉(zhuǎn)化等先進技術(shù)的研究開發(fā)，推廣整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）技術(shù)［1］，其中氣化爐是IGCC發(fā)展的關(guān)鍵設(shè)備，自主開發(fā)并承制大型氣化爐設(shè)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(huán)水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型.

二段式加壓干煤粉氣化爐要求在保證出口煤氣參數(shù)的條件下，同時考慮顯熱回收，產(chǎn)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(xiàn)燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán).氣化爐與傳統(tǒng)鍋爐的結(jié)構(gòu)布置存在很大差異：傳統(tǒng)鍋爐以產(chǎn)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(chǎn)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(zhì)，因而對氣化爐水循環(huán)系統(tǒng)提出了更高的要求.筆者通過對氣化爐水循環(huán)系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，解決水系統(tǒng)在氣化爐內(nèi)吸熱與熱負(fù)荷相匹配以及流量和阻力平衡問題，從而確保設(shè)備運行安全及結(jié)構(gòu)合理［4］.

1 氣化爐的結(jié)構(gòu)

整個氣化爐呈倒“U”型結(jié)構(gòu)，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(dǎo)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(fā)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(zhì)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(jié)構(gòu)種類多，并行回路差異大.圖1為氣化爐整體結(jié)構(gòu)示意圖.

2 水循環(huán)系統(tǒng)組成

圖1 氣化爐結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of the gasifier

該氣化爐為中壓控制循環(huán)水系統(tǒng)，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(huán)泵、分配母管、下聯(lián)箱、上升管、上聯(lián)箱、汽水引出管、汽水分離器等設(shè)備組成.工質(zhì)從汽包經(jīng)下降管、循環(huán)泵進入分配母管，由分配母管分別引出8組引入管，流經(jīng)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(yīng)2組汽水引出管；煤氣冷卻器水冷壁與冷卻器上蒸發(fā)器共用1組汽水引出管，對應(yīng)2組引入管，其他回路引入、引出管一一對應(yīng)，屬于復(fù)雜循環(huán)回路.水系統(tǒng)劃分為1組下降管、8組引入（出）管組和28組蒸發(fā)受熱面.氣化爐汽水系統(tǒng)流程見圖2.

圖2 氣化爐汽水系統(tǒng)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(shù)學(xué)模型

3.1 數(shù)學(xué)模型

穩(wěn)定工況下的水動力計算都可以歸結(jié)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(lián)管組，同一壓差下工作的各并聯(lián)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(lián)管工質(zhì)的流量；G為引入（出）管工質(zhì)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(lián)管工質(zhì)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(guān).反之，如果已知總流量G求壓差△p和各并聯(lián)管工質(zhì)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(guān).

當(dāng)求循環(huán)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(shù).在穩(wěn)定工況下，下降管的流量Gxj應(yīng)滿足非線性方程：

3.2 計算過程

圖3給出了水循環(huán)的計算過程.

圖3 水循環(huán)計算過程圖Fig.3 Water cycle computation process

具體過程如下：

（1）初定循環(huán)泵壓頭，假定循環(huán)流速w0；

（2）求出下降管系統(tǒng)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(tǒng)壓差△pss；

（4）比較△pxj與△pss是否滿足精度｜△pxj－△pss｜＜ε；

（5）修正循環(huán)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(jié)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(wěn)定工況下，表1給出水循環(huán)系統(tǒng)總體參數(shù)，表2給出各回路數(shù)據(jù)表，圖4給出氣化爐各段目標(biāo)流量、計算流量和吸熱量情況.為了接近氣化爐目標(biāo)流量，在引入管安裝了可變節(jié)流圈，增加可調(diào)節(jié)手段.在部分回路受熱面的管子入口處裝設(shè)節(jié)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(jié)構(gòu)布置類似荷蘭Buggenum電廠shell氣化爐，該爐水冷壁規(guī)格為外徑38mm和壁厚6mm以及外徑48mm和壁厚6mm，循環(huán)水量為2 000t／h，循環(huán)泵揚程為66.5m.與其相比，本爐型水冷壁規(guī)格為外徑38mm和壁厚8mm以及外徑48mm和壁厚8mm，循環(huán)水量為3 000t／h，水冷壁內(nèi)徑小于shell氣化爐，總循環(huán)水量增加，此外，由于結(jié)構(gòu)差異等因素，使系統(tǒng)總體壓降增大，循環(huán)泵揚程抬高至110m［7］.

表1 水循環(huán)系統(tǒng)主要特性參數(shù)Tab.1 Main characteristic parameters of the water cycle system

表2 各回路數(shù)據(jù)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(zhì)量含汽率的曲線圖.由圖5可以看出，各并聯(lián)回路總壓降相等，質(zhì)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(fù)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(nèi).各并行回路之間含汽率的偏差主要是結(jié)構(gòu)差異引起的，另外考慮到制造工藝和價格成本，在不影響設(shè)備安全的前提下，某些管路沒有安裝節(jié)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(zhì)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(yīng)第Ⅰ和第Ⅱ組引出管組，在目標(biāo)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(jié)流圈壓降曲線圖.從圖7中可知，第4組引出管可變節(jié)流圈壓降最小，該組引出管對應(yīng)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(huán)泵克服.循環(huán)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(jié)流圈調(diào)節(jié)與該組回路壓降相同.第5組引出管可變節(jié)流圈壓降最大，該組引出管對應(yīng)煤氣導(dǎo)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(jié)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(fā)受熱面水動力特性曲線與氣化爐水系統(tǒng)總體特性曲線，由兩者關(guān)系可以得出水系統(tǒng)在不同工作點各回路的流動參數(shù).

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(jié) 論

圖9 氣化爐總體水循環(huán)系統(tǒng)特性曲線Fig.9 Hydrodynamic behavior of the whole water cycle system

（1）選取高循環(huán)倍率使足夠的循環(huán)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(fā)生傳熱惡化；同時在各分配水管裝有可變節(jié)流圈，內(nèi)部受熱面元件加裝節(jié)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(biāo)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(tǒng)循環(huán)很不利，如優(yōu)化布置結(jié)構(gòu)、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(huán)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(lián)合循環(huán)［M］.北京：中國電力出版社，1996.

［2］國務(wù)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(guān)鍵技術(shù)的發(fā)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(nèi)過程［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，1990.

［5］上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究所.電站鍋爐水動力計算方法［R］.上海：上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)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(biāo)準(zhǔn)方法［M］.董祖康，王孟浩，李守恒，譯.北京：電力工業(yè)出版社，1981：4－9.

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