M701SDA高炉煤气燃机低热值试验研究

M701SDA高炉煤气燃机低热值试验研究穆克进1，雍一正1,2，王泉荣1（1.南京天菱能源技术有限公司，江苏南京210019;2.东南大学，江苏南京210096）摘要：针对目前运行热值范围窄的不足，在国内某三菱M701SDA高炉煤气机组进行了低热值运行试验研究，内容包括在各种热值条件下的燃烧调整、负荷波动、急降负荷及甩负荷试验。试验结果表明在喷嘴及燃烧室不作改造的前提下，M701SDA高炉煤气燃机在3200kJ/Nm3-dry低热值时运行状态良好，燃烧振动、BPT偏差及其它运行参数均正常。因此，机组的运行热值由以往的4400kJ/Nm3-dry扩展为3200~4400kJ/Nm3-dry，成功实现纯烧高炉煤气发电，极大地提高了M701SDA联合循环机组的燃料适应性，运行可靠性及经济性。关键词：高炉煤气；低热值；燃烧调整；燃烧振动中图分类号：文献标志码：引言高炉煤气（BFG）为低热值气体燃料，热值一般在3400kJ/Nm3左右，是钢铁企业高炉炼铁工艺的副产品，属于二次能源。目前钢厂富裕的高炉煤气大都利用常规锅炉或燃气-蒸汽联合循环发电以达到节能减排的目的[1]。近年来，燃用高炉煤气的联合循环发电技术依靠启停方便、效率高、以及用水量少等优点，在钢厂得到越来越多的应用，并为企业带来了良好的经济效益和社会效益[2][3][4]。M701SDA高炉煤气燃机是三菱研发生产的150MW级别燃用高炉煤气发电机组，由于其高效率和可靠性，在国内已有多台运行业绩。M701SDA高炉煤气燃机最初是基于4400kJ/Nm3-dry热值设计，除了在点火升速阶段，运行热值通过增加或减少焦炉煤收稿日期：作者简介：穆克进(1980-)，男，江苏南京人，工科硕士，南京天菱能源技术有限公司工程师，从事于燃气轮机调试和性能试验工作，13814531771；[e-mail]。气（COG）的流量自动维持在4400kJ/Nm3-dry左右。一旦运行热值偏离设定值太多，将导致热值高高或低低自动停机。由于电站使用的COG鼓风机运行可靠性差，经常发生由于COG鼓风机故障、供应压力不足等原因导致的机组跳机；另外，有的钢厂在冬季会出现COG不足，致使燃机只能在低负荷运行甚至停机，不利于机组的运行率及经济性。因此，为了解决上述问题，在国内某台M701SDA机组上进行了低热值运行试验研究，目的是扩展M701SDA高炉煤气燃机运行热值范围，以提高机组的燃料适应性和鲁棒性，进一步提高机组的可靠性和运行率，为业主创造更大的经济效益。1试验准备由于低热值运行涉及到热值调节控制、燃烧特性等，因此，试验前需准备的事项包括：（1）热值仪升级和重新标定，扩展热值仪的测量下限；（2）临时燃烧振动监测探头的安装，增加数只加速度振动探头，以全面监测燃烧振动；（3）增热COG和减热N2流量确认，以便确认试验时能达到的最低热值，图1是试验中各热值下的煤气组分情况。当试验热值低于高炉煤气热值时，需要掺入N2以进一步降低热值。因此，在3200kJ/Nm3-dry热值时，煤气中N2含量增加，可燃组分如CO、H2含量降低；01020304050607030003300360039004200煤气热值/kJ/Nm3-dry）煤气组分体积比/%H2N2COCO2图1各热值条件下煤气组分含量（4）试验项目的确定，试验项目需确认机组稳定运行的最小热值，需涵盖机组所有极端条件下的运行状况。具体的试验项目如表1所示。表1低热值试验项目试验项目条件（1）燃烧调整空载无负荷时，3200，3600，4000kJ/Nm3-dry40MW负荷时，3200，3600，4000kJ/Nm3-dry75MW负荷时，3200，3600，4000kJ/Nm3-dry115MW负荷时，3200，3600，4000kJ/Nm3-dry145MW负荷时，3600，4000kJ/Nm3-dry（2）打闸停机试验3600kJ/Nm3-dry，最大负荷时实施（3）负荷波动试验3200，3600kJ/Nm3-dry（4）急降负荷试验4400kJ/Nm3-dry，150MW时实施（5）甩负荷试验3200kJ/Nm3-dry，最大负荷时实施2试验内容及结果分析2.1燃烧调整M701SDA高炉煤气燃机燃烧调整是通过调整热值和燃烧室旁通阀BV开度来优化燃烧状态。BV阀的开度直接决定着一次燃烧区的燃空比，当BV开度增加，进入一次燃烧区的空气量减少，燃空比增加；反之，燃空比减小。通过测量燃烧室燃烧振动和叶片通道BPT偏差来判断燃烧状态的好坏。机组运行中，燃烧振动变化最显著的是290~500Hz的H2波段以及500~2000Hz的HH1波段，各波段的燃烧振动压力幅值需控制在报警值以内。BPT偏差也必须尽可能的小，以免造成对透平过大的应力。燃烧状态差或者喷嘴损伤堵塞等情况会引起BPT偏差过大。试验中在空载~满负荷期间，分别在3200kJ/Nm3-dry、3600kJ/Nm3-dry和4000kJ/Nm3-dry三个热值条件下进行了燃烧调整，以判断燃烧振动的裕度。本文只列出40MW、3200kJ/Nm3-dry和145MW、3600kJ/Nm3-dry两种工况下的燃烧调整结果，见图2。从图中可以看出，在40MW低负荷段，低热值运行时，燃烧振动有较宽的裕度。H2波段燃烧振动约为0.5kPa，HH1波段燃烧振动约为0.25kPa，远小于各自的报警值（H2波段：8kPa；HH1波段：6kPa）。在145MW高负荷段，低热值运行时，BV阀开度的增加即一次燃烧区燃空比的增加有利于降低燃烧振动，但H2波段燃烧振动的最大幅值也控制在3kPa，HH1波段的幅值不超过1.5kPa，均小于报警值，在安全运行范围内。其他各负荷段的燃烧调整结果也同样显示机组在采用低热值运行时，燃烧振动没有明显变化，其振动幅值均控制在良好的范围内，燃烧状态良好。00.511.522.53708090100燃烧室旁通阀BV/%H2波段燃烧振动/kPa012345HH1波段燃烧振动/kPa290-500HzH2波段500-2000HzHH1波段00.511.522.53-100102030燃烧室旁通阀BV/%H2波段燃烧振动/kPa012345HH1波段燃烧振动/kPa290-500HzH2波段500-2000HzHH1波段图2各负荷段燃烧振动裕度（左：40MW，3200kJ/Nm3-dry，右：145MW,3600kJ/Nm3-dry）图3和图4分别是40MW低负荷段和145MW高负荷段时，BPT偏差和燃烧振动随着煤气热值的变化情况。从图中可以看出，随着煤气热值的降低，BPT偏差值变化不大，均控制在良好的范围内（报警值±40℃）。燃烧振动在低热值运行时也控制在理想的范围内，即使在高负荷段随着热值的降低，H2波动燃烧振动幅值有所增加，但没有恶化趋势，维持在3kPa以内。05101520253035403000350040004500煤气热值LHV/kJ/Nm3-dryBPT偏差+max/℃-40-35-30-25-20-15-10-50BPT偏差-min/℃BPT偏差+maxBPT偏差-min05101520253035403000350040004500煤气热值LHV/kJ/Nm3-dryBPT偏差+max/℃-40-35-30-25-20-15-10-50BPT偏差-min/℃BPT偏差+maxBPT偏差-min图3各负荷段时BPT偏差随热值变化情况（左：40MW，右：145MW）00.511.522.533000350040004500煤气热值LHV/kJ/Nm3-dryH2波段燃烧振动/kPa012345HH1波段燃烧振动/kPa290-500HzH2波段500-2000HzHH1波段00.511.522.533000350040004500煤气热值LHV/kJ/Nm3-dryH2波段燃烧振动/kPa012345HH1波段燃烧振动/kPa290-500HzH2波段500-2000HzHH1波段图4各负荷段时燃烧振动随热值变化情况（左：40MW，右：145MW）上述的燃烧调整试验结果说明M701SDA机组在现有的燃烧喷嘴及燃烧室基础上可以安全稳定地燃烧低热值煤气发电，而不需要做任何燃烧系统方面的改动。机组在燃料适应性方面的优秀表现也为低热值运行的应用提供了前提条件。2.2极端条件下机组运行试验机组在运行发电期间有时会遇到极端条件下的运行工况，如负荷大幅度波动、急降负荷和发电机断路器断开时的甩负荷等。因此，有必要验证在这些极端条件下机组在低热值时的燃烧状态和运行情况。具体试验内容及结果如下：（1）在热值3600kJ/Nm3-dry时最大满负荷138MW进行打闸停机试验，确认了机组能够安全停机，管道煤气压力上升值小于30kPa，各水封处无煤气泄漏。（2）在热值3200kJ/Nm3-dry时进行负荷波动试验，从40MW升至满负荷，然后再降至40MW，期间确认了过渡状态下燃烧振动及其它运行参数均无问题，如图5所示。（3）在4400kJ/Nm3-dry热值时，模拟COG系统发生故障，机组由满负荷急降至90MW，并能够维持负荷恒定安全地连续运行，在整个急降过程中，机组的阀门控制、运行参数、燃烧振动都正常，见图5。（4）在3200kJ/Nm3-dry热值时的最大负荷（120MW左右）上实施了甩负荷试验，确认机组无熄火问题，转速也控制在合理范围内，机组的燃烧振动及BPT偏差等参数均无问题。00.511.5214:5215:2115:5016:1916:4817:16时间H2波段燃烧振动/kPa012345HH1波段燃烧振动/kPa290-500HzH2波段500-2000HzHH1波段00.511.5219:3719:5220:0620:21时间H2波段燃烧振动/kPa012345HH1波段燃烧振动/kPa290-500HzH2波段500-2000HzHH1波段图5极端条件下燃烧振动（左：负荷波动，3200kJ/Nm3-dry，右：急降负荷，4400kJ/Nm3-dry）表2所示的是各项试验项目实施中重点监测和评估的运行参数。各项试验中，机组的运行数据均在正常范围内。这表明，M701SDA机组具有较好的燃料适应性，燃用的煤气可以扩展到纯高炉煤气。表2试验时重点监测参数监测项目燃烧调整负荷波动急降负荷甩负荷转速○○发电机出力○○○火检电压○○○○燃料流量○○○燃烧振动○○○○BPT偏差○○○○轴振○○○○燃料阀控制○○○空压机压比○○煤压机入口、出口压力○○排烟温度、压力○○轮盘间温度○○：重点监测和评估参数3低热值运行方针3.1热值设定范围低热值应用后，当联合循环出力达到40MW以后，燃机运行热值就可以由之前的4400kJ/Nm3-dry固定值改为在一定范围内调节，此范围为热值设定下限值到4400kJ/Nm3-dry。从稳定燃烧的角度考虑，热值设定下限值是由煤气温度、燃机负荷和燃机吸气温度来确定的值，如图6所示。在燃机起动到40MW到达之前，为了稳定燃烧，机组的运行热值仍是自动设定在4400kJ/Nm3-dry以上。330034003500360037003800-10010203040燃机吸气温度/℃热值设定下限值/kJ/Nm3-dry0MW30MW60MW图6热值设定下限值煤气温度会影响煤气的含水率，当煤气温度上升时，煤气中水分增加，实际热值（湿式）会降低，燃烧状态会变得不稳定，因此煤气温度上升时，热值设定下限值会上升。随着燃机负荷的增加，燃烧温度也随之上升，燃烧稳定性增强，因此在较高负荷段，热值设定下限值会降低。同样地，随着燃机吸气温度上升，燃烧温度也上升，有利于温度燃烧，此时热值设定下限值也会降低。3.2GC、GT喘振限制保护机组在低热值运行时，因为投入的热量低，所需煤气量较大，受到煤压机通流限制，机组的出力将会降低，目的是为了保护煤压机防止喘振的发生。如图7所示，在相同的燃机吸气温度下，随着运行热值的降低，机组的额定出力也会随之下降。在4400kJ/Nm3-dry热值运行时，当吸气温度