低熱值合成氣燃?xì)廨啓C仿真系統(tǒng)的設(shè)計與驗證*

（煤基清潔能源國家重點實驗室(中國華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司））

0 引言

2012 年11 月6 日，我國首座、世界第6 座大型整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）電站——天津IGCC 示范電站投產(chǎn)發(fā)電[1]。與傳統(tǒng)燃煤電廠相比，IGCC 作為多種設(shè)備、多項技術(shù)集成（包括空分裝置、煤氣化及凈化系統(tǒng)、燃?xì)廨啓C、余熱鍋爐以及蒸汽輪機等）的一個復(fù)雜系統(tǒng)[2-3]，對于運行人員技術(shù)知識、操作水平、事故分析和處理能力等方面的要求都很高，也對運行人員的技術(shù)培訓(xùn)提出了更高的要求。這就需要研究開發(fā)針對IGCC的仿真系統(tǒng)，提供完善的實時培訓(xùn)環(huán)境，以便能夠可靠、有效的檢驗學(xué)員的操作過程和操作表現(xiàn)，加快培訓(xùn)速度并節(jié)約大量的培訓(xùn)費用，還可用于研究IGCC設(shè)計、優(yōu)化及控制技術(shù)。

天津IGCC 示范電站所用燃?xì)廨啓C為SGT5-2000E(LC)型低熱值合成氣燃?xì)廨啓C，該燃?xì)廨啓C由常規(guī)燃用天然氣的SGT5-2000E 型燃?xì)廨啓C改造而來，其額定負(fù)荷為171MW，采用單缸單軸、軸向排氣、冷端驅(qū)動的結(jié)構(gòu)，有兩個筒形燃燒室，每個燃燒室安裝8支燃燒器，啟動燃料為柴油，正常運行燃料為氣化爐所產(chǎn)合成氣，燃燒器燃燒方式為雙通道擴散燃燒[4-5]。燃?xì)廨啓C由壓氣機、燃燒室、透平等三大部件組成，其結(jié)構(gòu)示意圖可參見圖1。目前已有大量關(guān)于天然氣燃?xì)廨啓C的研究，采用數(shù)值計算[6-8]、計算流體力學(xué)模擬[9]到大渦模擬[10]，對于燃?xì)廨啓C性能預(yù)測、問題分析及改進(jìn)均達(dá)到了一定的深度，并取得了一定的成效。雖然已有采用商業(yè)軟件建立壓縮機的仿真模型[11-12]和采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建立軸流通風(fēng)機仿真模型[13]的研究，但對于低熱值合成氣燃?xì)廨啓C的仿真研究尚不多見。本文將針對低熱值合成氣燃?xì)廨啓C開展仿真系統(tǒng)設(shè)計及驗證。

圖1 低熱值合成氣燃?xì)廨啓C結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure low heating value syngas gas turbine

1 模型搭建

1.1 仿真系統(tǒng)平臺

本項目采用成熟的商業(yè)軟件平臺DYNSIM 來開發(fā)低熱值合成氣燃?xì)廨啓C仿真機，以便將精力集中于低熱值燃?xì)廨啓C的特有過程特點分析和機理建模。DYNSIM是SimSci公司開發(fā)的基于嚴(yán)格計算的、成熟的動態(tài)過程模擬系統(tǒng)，是Pro/II 的動態(tài)版本，采用基于機理的技術(shù)和嚴(yán)格的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，提供準(zhǔn)確可靠的計算結(jié)果，用于解決從工程分析、控制系統(tǒng)校核到操作員培訓(xùn)系統(tǒng)等工作中遇到的動態(tài)模擬問題。DYNSIM 目前已廣泛應(yīng)用于化工過程的動態(tài)模擬[15-17]和人員培訓(xùn)[18]。

1.2 低熱值燃?xì)廨啓C主要模型搭建

1.2.1 壓氣機

圖2 低熱值合成氣燃?xì)廨啓C仿真模型Fig.2 Simulation model of gas turbine for low heating value syngas

在DYNSIM中利用自帶的壓縮機（Compressor）模型作為低熱值合成氣燃?xì)廨啓C壓氣機仿真模型，見圖2。壓縮后的空氣一部分與燃料（柴油或合成氣）混合燃燒，另一部分冷卻燃燒室和透平，不過最終都將進(jìn)入燃?xì)廨啓C透平而做功，所以本模塊不再單獨設(shè)置冷卻通道，將壓氣機和透平做單通道連接。為保證燃?xì)廨啓C總體質(zhì)量和能量平衡，假設(shè)壓氣機壓縮后的空氣全部進(jìn)入燃燒室燃燒，燃燒后的高溫廢氣驅(qū)動透平做功。

1.2.2 燃燒室

為減少仿真系統(tǒng)復(fù)雜性，同時能夠準(zhǔn)確反映低熱值合成氣燃?xì)廨啓C燃燒室的運行特性，對于燃燒過程的仿真做了大幅簡化。在DYNSIM 中利用自帶的燃燒器（Combustor）模型作為低熱值合成氣燃?xì)廨啓C燃燒室仿真模型，見圖2。在進(jìn)入燃燒室仿真模型之前，就將壓縮后的空氣和燃料進(jìn)行混合，然后進(jìn)入燃燒室仿真模型，不考慮真實燃?xì)廨啓C燃燒室中的擴散燃燒。同時假設(shè)燃料的燃燒效率為100%，即所有可燃物完全燃燒。

1.2.3 透平

在DYNSIM 中利用自帶的膨脹機（Expander）模型作為低熱值合成氣燃?xì)廨啓C透平仿真模型，見圖2。轉(zhuǎn)動軸仿真模型將壓氣機仿真模型及透平仿真模型連接。膨脹機的通流能力可以用流導(dǎo)（flow conductance）J來表征，當(dāng)膨脹機處于臨界狀態(tài)（即壅塞流）時，膨脹機的通流能力將不隨膨脹機出口壓力的降低而增大，流導(dǎo)可以采用下式計算[19]。

式中，F(xiàn)為摩爾流量，kmol/s，Mi為進(jìn)口氣體分子質(zhì)量，kg/kmol，Ri為進(jìn)口氣體摩爾密度kmol/m3，ΔP為膨脹機壓差，kPa。

由式(2)可見，ΔP為膨脹機進(jìn)口壓力Pi與出口壓力Po的差值加上膨脹機出進(jìn)口靜壓差dPhead與膨脹機發(fā)生壅塞時的壓差比率KCPR乘以膨脹機進(jìn)口壓力Pi之間的最小值。在額定工況下，計算所得透平仿真模型流導(dǎo)為

1.2.4 輔助設(shè)備

低熱值合成氣燃?xì)廨啓C其他輔助設(shè)備及管道，如各種泵及管路等均采用DYNSIM 中相關(guān)模型搭建。低熱值合成氣燃?xì)廨啓C的燃料合成氣來自于IGCC系統(tǒng)的氣化系統(tǒng)，在進(jìn)入燃?xì)廨啓C燃燒室之前需要在合成氣中注入水蒸汽以調(diào)節(jié)合成氣熱值，降低燃?xì)廨啓C燃燒過程中的NOx排放。在燃?xì)廨啓C燃燒室前合成氣管路設(shè)有合成氣混合加熱系統(tǒng)，通過注入水蒸汽調(diào)節(jié)合成氣熱值和溫度。注入蒸汽后，合成氣中水的體積分?jǐn)?shù)控制在30%～33%之間。在實際運行過程以及仿真模型中，進(jìn)入燃?xì)廨啓C燃燒室的合成氣熱值及壓力均易受到前序工藝即合成氣注蒸汽混合加熱工序的影響。如圖3 所示，即為合成氣混合加熱系統(tǒng)仿真模型，由換熱器模型和壓力調(diào)節(jié)閥模型組成，可以實現(xiàn)合成氣加熱和壓力調(diào)節(jié)。

圖3 合成氣混合加熱系統(tǒng)仿真模型Fig.3 Simulation model of syngas mixing and heating system

1.3 控制邏輯

1.3.1 主要控制系統(tǒng)

低熱值合成氣燃?xì)廨啓C仿真模型控制的難點在于對空氣量、燃料量的精確控制，通過分別編寫六個主要約束因素的控制邏輯，根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，不斷優(yōu)化調(diào)整，最終以最小值選擇器的形式實現(xiàn)燃料量精確控制，如圖4所示。

圖4 低熱值合成氣燃?xì)廨啓C仿真模型主要控制邏輯Fig.4 Control system of low heating value syngas gas turbine simulation model

1.3.2 燃料切換邏輯

燃?xì)廨啓C在啟動過程、停機過程、及低負(fù)荷運行時（低于50%額定負(fù)荷），需要運行柴油燃料系統(tǒng)，當(dāng)燃?xì)廨啓C在正常工況下工作時，運行合成氣燃料系統(tǒng)。燃料切換的時機和穩(wěn)定混合燃燒的燃料比例選擇不是任意的，應(yīng)遵循下列原則，燃料的選擇必須在啟動之前或者在25%額定負(fù)荷以上才能切換。切換的過渡過程為150s。燃料切換功能在DYNSIM 中可用速率限制器（Rate limiter）控制器實現(xiàn)。切換過程可見圖5。

圖5 燃料切換過程Fig.5 Fuel switching process

2 低熱值合成氣燃?xì)廨啓C仿真系統(tǒng)驗證與應(yīng)用

當(dāng)?shù)蜔嶂岛铣蓺馊細(xì)廨啓C仿真系統(tǒng)搭建完畢，并根據(jù)現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)試之后，對低熱值合成氣燃?xì)廨啓C仿真系統(tǒng)分別進(jìn)行了不同負(fù)荷下穩(wěn)定運行工況，低熱值合成氣燃?xì)廨啓C仿真模型與現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)對比驗證，以及燃油切換過程的動態(tài)測試。

2.1 穩(wěn)定運行工況靜態(tài)測試

表1 對比了合成氣工況100%負(fù)荷（環(huán)境溫度平均約12.6°C，大氣壓力約為101.6kPa）、71.4%負(fù)荷（環(huán)境溫度平均約1.9°C，大氣壓力約為102.0kPa）下，低熱值合成氣燃?xì)廨啓C仿真模型計算主要參數(shù)與現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)（未折合到標(biāo)準(zhǔn)狀況下的實際值，下同）的對比。如圖6所示100%負(fù)荷，無論是燃料流量和壓力，燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、排煙溫度等與現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)誤差均小于4%。在71.4%負(fù)荷下，除燃料流量和排煙溫度與現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)誤差在5%～7%之間，其它參數(shù)與現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)誤差均不高于4%。表2 對比了柴油工況50%負(fù)荷下（環(huán)境溫度平均約0.8°C，大氣壓力為102.7kPa），低熱值合成氣燃?xì)廨啓C仿真模型計算主要參數(shù)與現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)的對比。

表1 合成氣工況，低熱值合成氣燃?xì)廨啓C仿真模型數(shù)據(jù)與現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)對比Tab.1 Comparison of main simulation parameters and on-site experiments parameters under syngas as fuel

圖6 合成氣工況，低熱值合成氣燃?xì)廨啓C仿真模型數(shù)據(jù)與現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)誤差Fig.6 The error between simulation and on-site experiments under syngas as fuel

表2 燃油工況，低熱值合成氣燃?xì)廨啓C仿真模型數(shù)據(jù)與現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)對比Tab.2 Comparison of main simulation parameters by and on-site experiments under fuel oil as fuel

由圖7 可見，50%負(fù)荷下燃料流量和壓力，燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速、負(fù)荷和與現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)誤差均小于2%，僅排煙溫度誤差約為9%。在不同燃料工況以及不同負(fù)荷穩(wěn)定運行工況下的靜態(tài)參數(shù)對比，表明搭建的低熱值合成氣燃?xì)廨啓C仿真系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對于現(xiàn)場實際燃?xì)廨啓C穩(wěn)定運行工況的準(zhǔn)確仿真。

2.2 燃料切換動態(tài)測試

圖7 柴油工況，低熱值合成氣燃?xì)廨啓C仿真模型數(shù)據(jù)與現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)誤差Fig.7 The error between simulation and on-site experiments under diesel as fuel

由于合成氣與柴油密度、溫度、壓力等特性的差別，導(dǎo)致燃料切換過程中負(fù)荷波動大以及燃燒室內(nèi)壓力波動大。通過合成氣混熱加熱仿真模型精確調(diào)節(jié)燃料切換過程中合成氣特性參數(shù)的穩(wěn)定，以及嚴(yán)格控制燃料量基準(zhǔn)及燃料閥門的前后壓差，使得燃燒室內(nèi)燃燒熱值穩(wěn)定。實現(xiàn)燃?xì)廨啓C燃料切換過程平穩(wěn)。圖8顯示了低熱值合成氣燃?xì)廨啓C燃料切換過程中燃料流量、合成氣熱值和壓力的變化情況?？梢?，在150s 內(nèi)，柴油流量從最大約8.5kg/s 降至0，而合成氣流量從0 升至最高50.3kg/s，同時合成氣熱值、壓力波動均小于1%。由圖9可見，燃?xì)廨啓C燃料切換過程前后，負(fù)荷均穩(wěn)定在115MW，燃料切換時，低熱值合成氣燃?xì)廨啓C仿真模型負(fù)荷波動控制在5MW 之內(nèi)，仿真模型負(fù)荷與現(xiàn)場實際運行負(fù)荷（環(huán)境溫度平均約-0.7°C，大氣壓力為102.8kPa）平均誤差小于1%，最大誤差小于10%，基本符合現(xiàn)場燃料切換過程。

圖8 燃料切換過程中燃料流量、合成氣熱值和壓力的變化Fig.8 Flow rates of fuel,syngas heating value and pressure during fuel switchover process

圖9 燃料切換過程燃?xì)廨啓C仿真模型和現(xiàn)場實際負(fù)荷對比Fig.9 Comparison of load between gas turbine simulation model and on-site experiments during fuel switchover process

2.3 應(yīng)用

搭建的低熱值合成氣燃?xì)廨啓C仿真系統(tǒng)已多次應(yīng)用于天津IGCC 操作人員培訓(xùn)，幫助現(xiàn)場運行人員熟悉掌握燃?xì)廨啓C開停車、升降負(fù)荷以及燃料切換操作，減少人為失誤，提升運行效率和穩(wěn)定性。利用該仿真系統(tǒng)還可以對燃?xì)廨啓C進(jìn)行的技術(shù)改造預(yù)先進(jìn)行仿真驗證，以減少現(xiàn)場試驗的風(fēng)險和成本。

3 結(jié)論

以國內(nèi)首臺天津IGCC關(guān)鍵設(shè)備低熱值合成氣燃?xì)廨啓C為研究對象，通過機理分析等手段，基于商業(yè)動態(tài)過程模擬系統(tǒng)搭建了針對低熱值合成器燃?xì)廨啓C的仿真系統(tǒng)。合成氣工況100%負(fù)荷、71.4%負(fù)荷，柴油50%負(fù)荷穩(wěn)定運行工況下，低熱值合成氣燃?xì)廨啓C仿真系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實際運行數(shù)據(jù)相比，絕大部分主要運行參數(shù)誤差小于5%。在115MW 進(jìn)行的燃料切換過程動態(tài)測試，低熱值合成氣燃?xì)廨啓C仿真系統(tǒng)負(fù)荷波動控制在5MW 之內(nèi)，仿真系統(tǒng)負(fù)荷與現(xiàn)場實際運行負(fù)荷平均誤差小于1%，最大誤差小于10%，基本符合現(xiàn)場燃料切換過程。這表明，搭建的低熱值合成氣燃?xì)廨啓C仿真系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對于現(xiàn)場實際燃?xì)廨啓C穩(wěn)定運行工況以及動態(tài)過程的準(zhǔn)確仿真。該仿真系統(tǒng)已應(yīng)用于現(xiàn)場操作人員的培訓(xùn)，以提高運行效率和穩(wěn)定性。