合成气燃气轮机：技术优势与应用前景

中低热值燃气轮机区别于常规的燃用天然气燃气轮机的设计。IGCC中的燃气轮机要直接燃烧由煤气化生成并经过净化的合成气，合成气主要成分为H2、CO、CO2以及N2等，热值低，约为天然气热值的1/4～1/3；机组还要与IGCC的工艺流程（如空分系统）有机地组合为一个整体，这给燃气轮机的燃烧系统及通流部分设计带来一系列问题。

7.3.2.1　合成煤气的特性

合成煤气的特性受气化炉的形式，供煤方式（水煤浆、干粉），气化剂（纯氧、富氧或空气）等因素的影响，所产生的合成煤气特性也不同（见表7-14）。因此，IGCC电站的燃气轮机结构性能必须适应燃料变化，包括启动燃料切换的要求。

表7-14　十种煤气化技术特性比较

（续表）

7.3.2.2　燃烧系统改进

煤气热值可分为三类：高热值煤气，热值高于15.07 MJ/Nm3（3 600 kcal/Nm3）；中热值煤气，热值为6.28～15.07 MJ/Nm3（1 500～3 600 kcal/Nm3）之间；低热值煤气，热值低于6.28 MJ/Nm3。

高热值煤气有天然气等，中热值煤气有以氧气为气化剂的合成煤气和转炉煤气，低热值煤气有以空气为气化剂的合成煤气和高炉煤气。由于中低热值煤气和天然气的燃烧特性有很大的差别，以致IGCC系统中使用的燃气轮机燃烧室及系统与常规燃气轮机间也存在很大的差别。

1）燃烧低热值煤气的难题

燃烧室中燃烧低热值煤气时将会遇到以下难题：①低热值燃气的燃烧稳定性差，在机组低负荷工况下容易熄火；②理论燃烧温升低，且火焰传播速度较小，在低负荷工况下容易发生CO和碳氢化合物燃烧不完全的问题，致使燃烧效率明显下降，CO的排放量大大超过环保标准；③兼烧柴油时排气冒黑烟，NOx的排放量超过环境标准，这是因为机组启动、煤气化炉供气不足或发生故障时，需要燃用备用燃料柴油来维持整台机组运行；④火焰管壁局部地段温度甚至会比燃烧柴油时更高；⑤燃气轮机的燃烧室再改烧低热值煤气时，必须通过燃烧室的结构改造和大量的实验调整妥善解决上述问题。

目前，已发展的低热值煤气燃烧室的总体结构方案大致有单个（或双个）大管径的圆筒型燃烧室（如Siemens公司的V94.2和V94.3）和多个小管径的分管型或环管型燃烧室（如三菱公司的MW701D等）两大类。(www.xing528.com)

另外，考虑到空分系统的整体化程度、氮气回注、饱和器煤气加湿、中低热值煤气特性，以及主燃料与备用燃料和启动燃料的切换等因素，必须对燃料系统进行相应的改造，包括增大煤气系统的尺寸，彻底改造调节系统。

2）燃气轮机通流部分改造

由于中、低煤气的热值低，常规的燃气轮机改烧中、低热值煤气，在维持透平前燃气温度不变的情况下，燃料的质量流量将要增大，以致流经透平的燃气质量流量会有相当程度的增加。为此，必须对燃气轮机的通流部分进行改造，解决机组各元件间的流量平衡问题，以免因透平质量流量的增大，通流能力不够而造成压气机喘振。

另外，空分系统与燃气轮机间的配合方式、氮气是否回注、煤气是否加湿等因素都会使通过燃气轮机各元件的流量发生变化。为此，必须根据具体情况改造燃气轮机的通流部分，制订合理的运行参数，解决上述各种原因所引起的流量不平衡问题。

改变燃气透平通流能力与压气机空气流量的主要方法有如下几种：①改变静叶片安装角，即增加透平叶片安装角，提高透平的通流能力，关小压气机进口可转动导叶和可转静叶，减小空气流量；②改变叶片高度，即增加透平各级叶片高度，可以有效地增大透平通流能力，同时保持透平内效率基本不变，用切顶的办法来减小压气机通流面积，降低压气机的空气流量；③压气机加级，增加压比，即压气机的末级之后或中间加级之后，流量基本不变，压比提高，燃气透平进口压力提高，流量提高；④适当降低透平进口燃气温度，即根据弗留格尔公式在透平膨胀比和通流面积不变时，降低透平前燃气温度可以提高燃气透平流量。

3）IGCC燃气轮机的选型

IGCC中燃气轮机的选型应该考虑以下几个主要问题：①燃气轮机的容量应与IGCC电站的容量相适应。在独立空分系统的IGCC电站中，燃气轮机的功率一般占电站功率的60%～65%；整体空分系统的IGCC电站中燃气轮机的功率占55%～57%。②应用热力性能较先进的燃气轮机。③机组要具有改烧中低热值煤气和回注N2的业绩。④燃气轮机要具有其他有关部件改造经验和业绩——通流部分改造，压气机出口空气抽取口的开设等。⑤选用的燃气轮机和设计单位应具备改造IGCC电站调节控制系统的业绩或经验。

4）IGCC燃气轮机技术的发展趋势和关键技术

通过对各国发展燃气轮机计划的目标、内容、技术措施和实施情况以及各大公司的燃气轮机产品发展情况的分析，可以把IGCC燃气轮机技术的发展趋势概括如下：不断向高参数、高性能、大型化发展；积极研究和应用新技术、新材料和新工艺；提高燃气轮机对各种燃料的适应性，并研究燃气轮机燃烧中低热值煤气的技术。

燃气轮机的关键技术如下：从总能概念进行系统设计，包括机组性能、高参数、高性能及大型化；新材料及隔热涂层、新工艺的开发，尤其是新的冷却技术的研究和应用；气动热力学设计技术，使合成气燃料适应IGCC系统对燃气轮机的特殊要求；全工况下的低污染燃烧技术。