WO2021083237A1 - 一种igcc电站燃气轮机合成气燃料的混合加热系统及方法 - Google Patents

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穆延非
张波
闫姝
陈新明
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    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/16—Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]

Definitions

  • the invention belongs to the field of IGCC power station gas turbines, and in particular relates to a mixed heating system and method for IGCC power station gas turbine synthesis gas fuel.
  • the IGCC power station is a power generation technology that uses the syngas produced by the gasification of solid fuels such as coal in a gas-steam cycle.
  • the synthesis gas produced by the chemical reaction of coal in the gasifier mainly includes H 2 and CO. Because it contains more H 2 , the chemical reaction speed is fast.
  • inert gas such as water vapor is used to further dilute the synthesis gas.
  • the combustion speed of the diluted syngas is reduced and no backfire phenomenon will occur, the diluted syngas may experience combustion oscillations, periodic and violent changes in the flame surface, and high-amplitude pressure pulsations.
  • the stabilization phenomenon has a serious impact on the normal operation of the gas turbine.
  • the gas turbine system of an IGCC power station has relatively stable combustion and can operate stably when the ambient temperature is high in summer.
  • the ambient temperature In winter, when the ambient temperature is lower than 0°C, the flame in the combustion chamber is unstable, which is mainly manifested by the frequent occurrence of alarm signals with a pressure fluctuation greater than 80mbar and a duration greater than 0.4s detected by the buzzer monitoring system in the combustion chamber.
  • the ambient temperature has a consistent correlation with the buzzer signal. The higher the ambient temperature, the buzzer disappears; the lower the ambient temperature, the more frequent the buzzer. Frequent buzzing alarms can not only cause over-fuel switching back to fuel operating conditions or tripping events, but also may cause accidents such as cracks in the combustion chamber insulation tiles.
  • the purpose of the present invention is to provide a hybrid heating system and method for syngas fuel for gas turbines in IGCC power stations to solve the above technical problems.
  • An IGCC power station gas turbine synthesis gas fuel mixing heating system comprising: a synthesis gas pipeline, a main steam pipeline, a first auxiliary steam pipeline, a second auxiliary steam pipeline, a heat exchanger and a mixer;
  • the outlet of the synthesis gas pipeline is connected to the low temperature inlet of the heat exchanger, and the low temperature outlet of the heat exchanger is connected to the synthesis gas inlet of the synthesis gas steam mixer;
  • the outlet of the main steam pipeline is divided into two ways: the first auxiliary steam pipeline and the second auxiliary steam pipeline; the first auxiliary steam pipeline is connected to the steam inlet of the syngas steam mixer; the second auxiliary steam pipeline is connected The high temperature inlet of the heat exchanger;
  • the outlet of the syngas steam mixer is connected to the inlet of the combustion chamber.
  • bypass steam pipe the inlet of the bypass steam pipe is connected to the first steam sub-pipe, and the outlet is connected to the inlet of the combustion chamber; the steam pipe is provided with a first regulating valve.
  • a second regulating valve is provided on the first water vapor auxiliary pipe.
  • a third regulating valve is provided on the second water vapor auxiliary pipe.
  • the dust-removed and purified syngas generated in the upstream gasifier enters the syngas pipeline, and is first heated in the heat exchanger with the second steam sub-pipe, and then enters the mixer and the second steam sub-pipe The water vapor is mixed, and finally sent to the combustor in the combustion chamber for combustion.
  • An IGCC power station gas turbine syngas fuel mixing heating method including:
  • the steam in the main steam pipe 2 is medium-pressure steam, with a pressure of about 4.85Mpa and a temperature of 260°C.
  • the synthesis gas in the synthesis gas pipeline 1 is the synthesis gas after dust removal and purification produced by the upstream gasifier.
  • the synthesis gas with a pressure of 2.5Mpa and a temperature of 100°C in the synthesis gas pipeline 1 exchanges heat with the water vapor with a pressure of 4.85Mpa and a temperature of 260°C in the second steam sub-pipe through the heat exchanger, increasing the temperature of the synthesis gas to 200°C;
  • the heated synthesis gas is mixed with the steam in the first steam sub-pipe in the mixer, and the mixed synthesis gas enters the combustion chamber to participate in combustion.
  • the first regulating valve on the bypass steam pipe is opened, so that the steam mixed with the syngas in the first steam sub-pipe is correspondingly reduced, and the whiteness value at the outlet of the mixer is correspondingly increased. ;
  • the water vapor in the corresponding bypass water vapor pipeline directly enters the combustion chamber, mixes with the high-temperature gas produced by the combustor, and reduces its temperature, so that the outlet temperature of the combustion chamber remains unchanged.
  • the water vapor flow rate in the bypass water vapor pipe is 10%-20% of the water vapor flow rate in the first water vapor sub-pipe.
  • the present invention Compared with the prior art, the present invention has the following beneficial effects: the present invention proposes a hybrid heating system for IGCC power station syngas fuel, which can adjust the syngas fuel at the inlet of the combustor when it operates under low ambient temperature in winter.
  • the whiteness value improves the stability of combustion and can ensure that the gas temperature at the outlet of the combustion chamber remains unchanged.
  • the invention can couple the water vapor quantity of the water vapor pipeline by bypassing the opening degree of the flow regulating valve according to the change of the ambient temperature.
  • Fig. 1 is a schematic structural diagram of a hybrid heating system for syngas fuel of an IGCC power station gas turbine according to the present invention.
  • the present invention provides a synthesis gas fuel mixing heating system for IGCC power stations, including a synthesis gas pipeline 1, a main steam pipeline 2, a first auxiliary steam pipeline 3, and a second auxiliary steam pipeline 4.
  • Bypass steam pipe 5 syngas heating heat exchanger 6, and syngas steam mixer 7.
  • the outlet of the synthesis gas pipeline 1 is connected to the low temperature inlet of the heat exchanger 6, and the low temperature outlet of the heat exchanger 6 is connected to the synthesis gas inlet of the synthesis gas steam mixer 7.
  • the outlet of the water vapor main pipe 2 is divided into two paths: the first water vapor sub-pipe 3, the second water vapor sub-pipe 4; the first water vapor sub-pipe 3 is connected to the water vapor inlet of the syngas water vapor mixer 7;
  • the outlet of the steam mixer 7 is connected to the inlet of the combustion chamber 8.
  • the second steam sub-pipe 4 is connected to the high temperature inlet of the heat exchanger 6.
  • the inlet of the bypass steam pipe 5 with the first regulating valve is connected to the first steam sub-pipe 3, and the outlet is connected to the inlet of the combustion chamber 8.
  • the first steam sub-pipe 3 is provided with a second regulating valve
  • the second steam sub-pipe 4 is provided with a third regulating valve.
  • the steam in the main steam pipe 2 is medium-pressure steam, with a pressure of about 4.85Mpa and a temperature of 260°C.
  • the synthesis gas in the synthesis gas pipeline 1 is the dust-removed and purified synthesis gas produced by the upstream gasification furnace, and its pressure is about 2.5Mpa and the temperature is about 100°C.
  • the synthesis gas pipeline 1 needs to increase its temperature to about 200°C through the heat exchanger 6, and then it is mixed with the steam in the first steam sub-pipe 3 in the mixer 7, so that the mixed synthesis gas can enter the combustion chamber 8. Participate in burning.
  • This part is the synthesis gas fuel mixing heating system of IGCC power station gas turbine. Its main purpose is to adjust the whiteness value of syngas.
  • the whiteness value is an indicator of the interchangeability of different fuels.
  • the same whiteness value means that the same amount of heat energy is guaranteed to be released while maintaining the operating conditions such as pressure and valve opening unchanged, which is conducive to the stable operation of the gas turbine. Working conditions. Therefore, in order to keep the temperature at the outlet of the combustion chamber constant, the ratio of water vapor to synthesis gas should be adjusted according to the predetermined white value W sp.
  • the whiteness value is defined as the ratio of the fuel's high heating value H sg to the square root of its relative density.
  • the reference density is usually the density of air under the same conditions, ⁇ air, as shown in the following formula:
  • ⁇ sg is the density of synthesis gas.
  • the amount of water vapor in the first water vapor sub-pipe 3 is correspondingly increased or decreased.
  • the amount of steam in the bypass steam pipe 5 is about 10%-20% of the amount of steam in the first steam sub-pipe 3.
  • the operation method is to first ensure that the total amount of the corresponding gas in the synthesis gas pipeline 1 and the water vapor main pipeline 2 remains unchanged.

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Abstract

一种IGCC电站燃气轮机合成气燃料的混合加热系统及方法，系统包括：合成气管道（1）、水蒸气主管道（2）、第一水蒸气副管道（3）、第二水蒸气副管道(4)、换热器（6）和合成水蒸气混合器（7）；合成气管道（1）的出口连接换热器（6）的低温入口，换热器（6）的低温出口连接合成气水蒸气混合器（7）的合成气入口；水蒸气主管道（2）的出口分为两路：第一水蒸气副管道（3）、第二水蒸气副管道（4）；第一水蒸气副管道（3）连接合成气水蒸气混合器（7）的水蒸气入口；第二水蒸气副管道（4）连接换热器（7）的高温入口；合成气水蒸气混合器（7）的出口连接燃烧室（8）的入口。在冬季环境温度较低的情况下运行时，可以调节燃烧器进口的合成气燃料的华白值，提高燃烧的稳定性，而且能够保证燃烧室（8）出口燃气温度不变。

Description

一种IGCC电站燃气轮机合成气燃料的混合加热系统及方法 技术领域
本发明属于IGCC电站燃气轮机领域，特别涉及一种IGCC电站燃气轮机合成气燃料的混合加热系统及方法。
背景技术
IGCC电站是一种将煤炭等固体燃料气化产生的合成气用于燃气–蒸汽循环的发电技术。作为IGCC的燃料，煤在气化炉中发生化学反应生成的合成气，其成分主要包括H 2和CO。由于含有较多H 2，化学反应速度快，为了避免富氢燃烧时的回火现象，因此，实际操作中，会使用惰性气体如水蒸汽等将合成气进一步稀释。经稀释后的合成气虽然燃烧速度降低，不会发生回火现象，但是稀释后的合成气在燃烧时，可能出现燃烧振荡，火焰面周期性的剧烈变化以及高幅值的压力脉动等燃烧不稳定现象，从而对燃气轮机的正常运行产生严重影响。
某IGCC电站的燃机系统在夏季环境温度较高时，燃烧较为稳定，能够稳定的运行。而冬季环境温度低于0℃时，燃烧室内火焰燃烧不稳定，主要表现为燃烧室内路蜂鸣监视系统检测出压力波动大于80mbar的持续时间大于0.4s的报警信号频繁出现。而且环境温度与蜂鸣信号具有一致的相关性，环境温度越高，蜂鸣消失；环境温度越低，蜂鸣越频繁。频繁的蜂鸣报警，不仅能导致过燃料切换回燃油工况或跳机事件，也有可能造成燃烧室隔热瓦裂纹等事故。
根据运行经验可知，在冬季环境温度较低，提高合成气燃料的华白值，可以显著的降低燃机蜂鸣报警信号出现的频率。但是在合成气燃料流量不变的情况下，单纯提高其华白值，会使得燃烧室出口燃气超温，有烧损透平叶片的风险。
发明内容
本发明的目的在于提供一种IGCC电站燃气轮机合成气燃料的混合加热系统及方法，以解 决上述技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种IGCC电站燃气轮机合成气燃料的混合加热系统，包括：合成气管道、水蒸气主管道、第一水蒸气副管道、第二水蒸气副管道、换热器和混合器；
合成气管道的出口连接换热器的低温入口，换热器的低温出口连接合成气水蒸气混合器的合成气入口；
水蒸气主管道的出口分为两路：第一水蒸气副管道、第二水蒸气副管道；第一水蒸气副管道连接合成气水蒸气混合器的水蒸气入口；第二水蒸气副管道连接换热器的高温入口；
合成气水蒸气混合器的出口连接燃烧室的入口。
进一步的，还包括旁路水蒸气管道；旁路水蒸气管道入口连接第一水蒸气副管道，出口连接燃烧室的入口；水蒸气管道上设有第一调节阀。
进一步的，第一水蒸气副管道上设有第二调节阀。
进一步的，第二水蒸气副管道上设有第三调节阀。
进一步的，上游气化炉产生的经过除尘、净化后的合成气进入合成气管道内，首先与第二水蒸气副管道在换热器内进行加热，然后进入混合器中与第二水蒸气副管道的水蒸气进行混合，最后送入燃烧室的燃烧器内参入燃烧。
一种IGCC电站燃气轮机合成气燃料的混合加热方法，包括：
水蒸气主管道2中的水蒸气为中压蒸汽，压力约4.85Mpa，温度为260℃。合成气管道1中的合成气为上游气化炉产生的经过除尘、净化后的合成气，其
首先，合成气管道1中压力2.5Mpa,温度100℃的合成气通过换热器与第二水蒸气副管道中压力4.85Mpa，温度260℃的水蒸气换热，提高合成气温度至200℃；加热后的合成气与第一水蒸气副管道的水蒸气在混合器中进行混合，混和后的合成气进入燃烧室参与燃烧。
进一步的，在冬季运行模式下，打开旁路水蒸气管道上的第一调节阀，使得第一水蒸气副管道与合成气混合的水蒸气相应减少，相应地提高了混合器出口的华白值；同时相应旁路水蒸气管道内的水蒸气直接进入燃烧室，与燃烧器燃烧产生的高温燃气混合，并降低其温度，使燃烧室出口温度不变。
进一步的，旁路水蒸气管道中水蒸气流量为第一水蒸气副管道中的水蒸气流量的10％～20％。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明提出一种IGCC电站合成气燃料的混合加热系统，在冬季环境温度较低的情况下运行时，可以调节燃烧器进口的合成气燃料的华白值，提高燃烧的稳定性，而且能够保证燃烧室出口燃气温度不变。
在冬季环境温度较低，燃机蜂鸣报警较为频繁时，打开旁路第一调节阀，使得一部分水蒸汽等惰性气体不直接参与合成气混合稀释，直接进入燃烧室与高温燃气混合；由于主管路中缺少了一部分与合成气混合的惰性气体，则相应的提高了进入燃机燃烧室的华白值从而提高燃烧稳定性。而旁路水蒸气管道中的水蒸气最终也进入燃烧室内，从而也保证了能够保证燃烧室出口燃气温度不变，消除了烧损透平叶片的风险。
本发明能偶根据环境温度的变化，通过流量调节阀的开度来旁路水蒸气管道的水蒸气量。冬季环境温度越低，阀门开度越大；夏季环境温度提高，适度地减小阀门开度，直至关闭阀门。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明一种IGCC电站燃气轮机合成气燃料的混合加热系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
请参阅图1所示，本发明提供一种IGCC电站合成气燃料的混合加热系统，包括合成气管道1、水蒸气主管道2、第一水蒸气副管道3、第二水蒸气副管道4、旁路水蒸气管道5、合成气加热换热器6和合成气水蒸气混合器7。
合成气管道1的出口连接换热器6的低温入口，换热器6的低温出口连接合成气水蒸气混合器7的合成气入口。水蒸气主管道2的出口分为两路：第一水蒸气副管道3、第二水蒸气副管道4；第一水蒸气副管道3连接合成气水蒸气混合器7的水蒸气入口；合成气水蒸气混合器7的出口连接燃烧室8的入口。第二水蒸气副管道4连接换热器6的高温入口。
带第一调节阀的旁路水蒸气管道5入口连接第一水蒸气副管道3，出口连接燃烧室8的入口。通过关闭/开启第一调节阀能够控制在旁路水蒸气管道5是否工作分流第一水蒸气副管道3中的水蒸气。
第一水蒸气副管道3上设有第二调节阀，第二水蒸气副管道4上设有第三调节阀，通过调节第二调节阀和第三调节阀的开度，能够调整第一水蒸气副管道3和第二水蒸气副管道4的流量比例。
水蒸气主管道2中的水蒸气为中压蒸汽，压力约4.85Mpa，温度为260℃。合成气管道1中的合成气为上游气化炉产生的经过除尘、净化后的合成气，其压力约2.5Mpa,温度约100℃。
首先合成气管道1需要通过换热器6提高自身温度至200℃左右，然后与第一水蒸气副管道3的水蒸气在混合器7中进行混合，混和后的合成气才能够进入燃烧室8参与燃烧。该部分为IGCC电站燃气轮机的合成气燃料混合加热系统。其主要目的为调节合成气的华白值。
华白值是不同燃料可互换性的指标，相同的华白值表示在保持运行工况如压力和阀开度不 变的情况下，保证释放的热能相同，这有利于燃气轮机运行在稳定的工况下。因此，为了保证燃烧室出口温度不变，水蒸气与合成气的比例应根据预定的华白值W sp调整。华白值的定义为燃料高热值H sg与其相对密度平方根的比值，参考密度通常为同等条件空气的密度ρ air，如下式所示：
Figure PCTCN2020124534-appb-000001
其中，ρ sg为合成气密度。
一般来说合成气燃料的华白值越高，其燃烧稳定越好，但是容易造成燃烧室出口温度超温。
则在燃机稳定运行的工况下，为了保证燃机燃烧室出口温度不变，首先要保证进入燃烧室中纯合成气的量和水蒸气的量呈合适的比例，而且其总量保证不变。即保证合成气管道1中合成气流量不变、第一水蒸气副管道3和旁路水蒸气管道5中的水蒸气总量不变。
而减少或增加旁路水蒸气管道5中水蒸气的量，则相应的增加或减少第一水蒸气副管道3中的水蒸气的量。一般旁路水蒸气管道5中水蒸气量约为第一水蒸气副管道3中的水蒸气量的10％～20％。
其运行方式为，首先保证合成气管道1、水蒸气主管道2中相应的气体总量不变。
在冬季环境温度较低时，那么需要打开旁路水蒸气管道5上的阀门，使得第一水蒸气副管道3与合成气混合的水蒸气相应减少，则相应地提高了混合器7出口的华白值，保证了燃烧室燃烧稳定性。同时相应旁路水蒸气管道5内的一部分水蒸气直接进入燃烧室8，与燃烧器燃烧产生的高温燃气混合，并降低其温度，保证了燃烧室出口温度不变。
在夏季环境温度较高时，关闭旁路水蒸气管道5上的阀门，使得水蒸气主管道2中的水蒸气除了通过第二水蒸气副管道4用于加热合成气外，其余全部在混合器7中与合成气混和。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实 现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (8)

  1. 一种IGCC电站燃气轮机合成气燃料的混合加热系统，其特征在于，包括：合成气管道(1)、水蒸气主管道(2)、第一水蒸气副管道(3)、第二水蒸气副管道(4)、换热器(6)和混合器(7)；
    合成气管道(1)的出口连接换热器(6)的低温入口，换热器(6)的低温出口连接合成气水蒸气混合器(7)的合成气入口；
    水蒸气主管道(2)的出口分为两路：第一水蒸气副管道(3)、第二水蒸气副管道(4)；第一水蒸气副管道(3)连接合成气水蒸气混合器(7)的水蒸气入口；第二水蒸气副管道(4)连接换热器(6)的高温入口；
    合成气水蒸气混合器(7)的出口连接燃烧室(8)的入口。
  2. 根据权利要求1所述的一种IGCC电站燃气轮机合成气燃料的混合加热系统，其特征在于，还包括旁路水蒸气管道(5)；旁路水蒸气管道(5)入口连接第一水蒸气副管道(3)，出口连接燃烧室(8)的入口；水蒸气管道(5)上设有第一调节阀。
  3. 根据权利要求2所述的一种IGCC电站燃气轮机合成气燃料的混合加热系统，其特征在于，第一水蒸气副管道(3)上设有第二调节阀。
  4. 根据权利要求3所述的一种IGCC电站燃气轮机合成气燃料的混合加热系统，其特征在于，第二水蒸气副管道(4)上设有第三调节阀。
  5. 根据权利要求1所述的一种IGCC电站燃气轮机合成气燃料的混合加热系统，其特征在于，上游气化炉产生的经过除尘、净化后的合成气进入合成气管道(1)内，首先与第二水蒸气副管道(4)在换热器(6)内进行加热，然后进入混合器(7)中与第二水蒸气副管道(3)的水蒸气进行混合，最后送入燃烧室(8)的燃烧器内参入燃烧。
  6. 一种IGCC电站燃气轮机合成气燃料的混合加热方法，其特征在于，基于权利要求1至5中任一项所述的一种IGCC电站燃气轮机合成气燃料的混合加热系统，包括：
    水蒸气主管道2中的水蒸气为中压蒸汽，压力约4.85Mpa，温度为260℃；合成气管道1中的合成气为上游气化炉产生的经过除尘、净化后的合成气，其
    首先，合成气管道1中压力2.5Mpa,温度100℃的合成气通过换热器(6)与第二水蒸气副管道(4)中压力4.85Mpa，温度260℃的水蒸气换热，提高合成气温度至200℃；加热后的合成气与第一水蒸气副管道(3)的水蒸气在混合器(7)中进行混合，混和后的合成气进入燃烧室(8)参与燃烧。
  7. 根据权利要求6所述的一种IGCC电站燃气轮机合成气燃料的混合加热方法，其特征在于，在冬季运行模式下，打开旁路水蒸气管道(5)上的第一调节阀，使得第一水蒸气副管道(3)与合成气混合的水蒸气相应减少，相应地提高了混合器(7)出口的华白值；同时相应旁路水蒸气管道(5)内的水蒸气直接进入燃烧室(8)，与燃烧器燃烧产生的高温燃气混合，并降低其温度，使燃烧室出口温度不变。
  8. 根据权利要求7所述的一种IGCC电站燃气轮机合成气燃料的混合加热方法，其特征在于，旁路水蒸气管道(5)中水蒸气流量为第一水蒸气副管道(3)中的水蒸气流量的10％～20％。
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