燃机合成气燃料系统的配置

燃机合成气燃料系统的配置

迟英伟 刘洪涛

中国电建集团山东电力建设有限公司，山东济南 250014

Syngas firing combustion turbine gas fuel system

[内容摘要]常规燃机燃烧天然气，但在IGCC项目，燃机主燃料为气化产品，沙特阿美吉赞IGCC项目气化原料为炼油残渣及高硫柴油，气化产品为氢气和一氧化碳，由于氢气的易燃易爆性，以及火焰特性，这就导致燃机燃烧系统需要进行相应的调整。本文以吉赞项目为例，对合成气系统进行了综合讲述。

关键词：燃机 合成气 氢气

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前言

沙特阿美吉赞项目目前是世界在建及建成后最大的IGCC项目，该项目为炼化厂配套处理炼化残渣及高硫柴油，同时，IGCC气化的氢气通过反渗过滤为炼化厂提供加氢裂解的氢气，空气分离系统为全厂提供安全用氮气，联合循环为炼化提供蒸汽和冷却水，对于燃机汽轮机联合循环，气化产品作为燃料，空分生产的氮气作为合成气掺烧来控制NOX排放及燃烧安全性，也作为启动调机阶段的吹扫用气。由于合成气成分为各占越50%的氢气和一氧化碳，在燃烧控制上，需要掺烧约等量的氮气来控制热值及NOX排放。

本项目采用西门子SGT6-5000F （3i），合成气工况出力242MW，配套西门子SGN6-1000发电机，系统为二拖一设置，汽轮机为西门子SST6-5000 HI-L 设计最大出力325MW.全厂为5套机组，合计出力约3850MW。

本篇主要讲述项目燃机氮气吹扫系统的配置及燃机氮气系统的工作过程。

氢气燃烧问题

吉赞项目燃机主燃料为合成气，经过过滤和脱硫的合成气主要成分为氢气及一氧化碳。 见表1.

氢气点火能量低，具有很高的反应能力，因此具有很高的层流燃烧速度，火焰温度更长，且属于一级易爆气体，容易发生爆炸，在空气中的爆炸浓度为4.0%～75.6%。当将氢添加到燃烧速度较慢的燃料中时，将扩大可燃性极限，并促进火焰传播，导致更有效的燃烧，减少有害空气污染物和温室气体的排放。

表1

在燃气轮机设计中，由于氢气火焰速度比天然气高十倍，因此如果氢气含量高，燃烧靠近燃气轮机喷油器，增加了回火的风险。因此燃烧氢气的燃气轮机需要在燃烧器和燃烧系统进行一些改造。掺烧氮气可以显著降低氢气燃烧速度，并将其控制在燃机可接受范围。同时降低火焰温度，达到控制NOX的目的。本项目通过中压氮气掺混，将氢气的比例降到了约21~25%体积百分比。

表2 典型的燃机合成气成分

氢气可以用作调峰储能，且燃烧时没有碳排放，因此可以利用水能，风能，太阳能等可再生能源在电力需求低谷时通过电解水储存。目前掺氢燃烧也是世界主要燃气轮机巨头的研究方向，西门子在其SGT-600,-700 & -800机型中已经达到60%掺烧，而通用电气在其9HA机型中也已经达到了某种工况50%的掺烧能力。

系统情况及工作过程

3.1燃气调质系统

燃用合成器的燃机燃料系统分为启动用柴油系统，合成气系统，中压氮气系统，高压吹扫氮气系统，已经为满足系统启动，隔离，检修的火炬管系统。

系统投用合成气前，需要按以下步骤投用，

调用从空分系统分离出的中压氮气（约35bar，需要比合成气高约1bar，以避免合成气系统混入氮气系统），此时合成气系统阀门关闭；

在系统达到混合气工作压力后，投用混合气加热系统，加热至混合气需求温度，缓慢打开燃气调节排气阀，并稳定系统压力，此时维持氮气进气阀约10%的设计流量；

当温度压力控制均稳定后，缓慢打开合成气进气调阀，在wobbe表测控下，将混合气热值达到设计参数，此时锁定合成气与氮气的调配比例；

此时混合气在wobbe表的测控下，通过排气至火炬系统稳定压力及温度，并调至燃料切换流量；

缓慢打开燃机进气阀门，将热值稳定的混合气导致燃机合成气控制模块；

燃机达到燃料切换条件。

正是由于配气系统的存在，燃机不能直接燃用合成气启动，且必须在一定负荷下的气量需求下，燃机才能由燃油工况切换为燃气工况，负荷切换约为燃油工况的50~70%负荷，切换时间为10~15分钟。

为保证系统安全，在以下条件需要切断合成气供应，如吹扫氮气压力低，合成气压力高于或低于限值，稀释氮气压力低，合成气压力高于稀释氮气压力；稀释氮气含氧量大于2%；wobble表值大于系统限值，系统泄漏及火灾情况。

3.2 燃机燃气系统

燃机自身的燃气系统分为A、B两级，由于合成气系统的特殊性，分别采用三个隔离阀实现快速隔离，以便实现安全可靠的非燃气情况的系统隔离及启停期间的分步吹扫，实现三阀门隔离加氮气双层隔绝。且安全起见，燃机区域排气气动门采用了氮气作为仪表用气，而隔离气动门采用液压控制。

燃机燃气系统投用的顺序为：调低燃油负荷至切换范围，停止控制NOX的燃油注水并稳定负荷；吹扫燃气母管；停止吹扫后，启动A级最小流量燃气供应；开始燃料切换；启动B级氮气吹扫；启动B级最小流量；完成燃料切换；提升负荷。

燃气切换燃油的顺序为：调低负荷至切换范围，并稳定负荷；启动燃油注水泵，然后启动燃油泵，开启油循环；清洗燃油喷嘴后，启动燃油喷嘴；开始燃料切换；启动燃气母管氮气吹扫；启动燃烧注水；完成燃料切换；提升负荷。

上文顺序中，已经提及合成气系统的氮气吹扫，在燃机操作中，有三个阶段需要高压氮气吹扫：1.燃油系统启动;2.燃油切换至合成气；3.合成气切换至燃油;4.燃气工况跳机。由于吹扫扫期间氮气消耗巨大，需要设置更高压力的高压氮气储罐，以减少设备体积，减压后供燃机吹扫。

本项目每次吹扫时间为40~45秒，最大流量约为25kg/s.吹扫压力约35bar。最末端隔离阀后管道内残留气体吹扫至燃机烟气侧，隔离阀前残留气体吹入火炬系统，流量约为6kg/s.

同样，燃机燃气控制系统中设有相应的跳机保护，如燃料温压超出范围;阀门故障;燃料切换故障;系统隔离失效;燃机燃气负荷低于最低负荷等。

结语

由上述系统说明可见，燃机燃用合成气，或者掺烧氢气是未来清洁能源，系统负荷调整发展的一个重要方向，但由于合成气中氢气的特殊性，系统需要进行相应的改造并加强对安全性的控制，本文通过吉赞项目的系统设计，控制程序，以期为氢气燃烧的系统研发，拓展提供有益的参照。

[参考文献]

Hydrogen co-firing in gas turbines: The road ahead By TMI Staff & Contributors · On January 29, 2019

Function logic description, Siemens

Syngas condition system, Siemens

作者简介:迟英伟（1976-），男，山东莱州人，高级工程师，主要从事电建EPC项目设计管理工作。

E－mail: Chi.yw@sepco.net.cn

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