阅读说明：本技术 一种带参烧气注入和热值调节功能的燃气轮机燃料气进气调节系统及方法 (Gas turbine fuel gas inlet adjusting system and method with combustion reference gas injection and heat value adjusting functions ) 是由 陈新明 张波 史绍平 闫姝 穆延非 郭雨桐 曾崇济 于 2019-11-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供的一种带参烧气注入和热值调节功能的燃气轮机燃料气进气调节系统及方法,包括天然气注入管路、主合成气主管路和蒸汽注入管路,其中,主合成气主管路上自其上游至下游依次设置有天然气注入管路、合成气加热器、主合成气逆流阀、拉法尔喷管、合成气放散管路、主合成气调节阀和烧嘴；所述蒸汽注入管路的出口分为两支路,一支路与合成气加热器的蒸汽入口连接；另一支路与拉法尔喷管的蒸汽入口连接；同时,天然气注入管路、合成气放散管路和蒸汽注入管路均设置有用于实现流量控制的流量控制装置；本发明解决了传统IGCC由于气化炉产气量的调节速率较慢,电厂整体发电负荷变动速率很难达到灵活性调峰的要求,导致风电等不稳定的可再生能源的大规模并网时,传统的IGCC不能满足其工艺要求的缺陷。(The invention provides a gas turbine fuel gas inlet regulating system and method with functions of combustion gas injection and heat value regulation, which comprises a natural gas injection pipeline, a main synthetic gas pipeline and a steam injection pipeline, wherein the main synthetic gas pipeline is sequentially provided with the natural gas injection pipeline, a synthetic gas heater, a main synthetic gas counter-flow valve, a Laval nozzle, a synthetic gas diffusing pipeline, a main synthetic gas regulating valve and a burner from upstream to downstream; the outlet of the steam injection pipeline is divided into two branches, and one branch is connected with the steam inlet of the synthesis gas heater; the other branch is connected with a steam inlet of the Laval nozzle; meanwhile, the natural gas injection pipeline, the synthesis gas diffusion pipeline and the steam injection pipeline are all provided with flow control devices for realizing flow control; the invention overcomes the defect that the traditional IGCC can not meet the process requirement when the large-scale grid connection of unstable renewable energy sources such as wind power and the like is carried out due to the fact that the regulating rate of the gas production rate of the gasification furnace is slow and the change rate of the integral power generation load of a power plant is difficult to meet the requirement of flexible peak regulation.)

一种带参烧气注入和热值调节功能的燃气轮机燃料气进气调 节系统及方法

技术领域

本发明涉及整体煤气化联合循环发电技术领域，特别涉及一种带参烧气注入和热值调节功能的燃气轮机燃料气进气调节系统及方法。

背景技术

整体煤气化联合循环(IGCC)发电是一种清洁高效的煤基发电技术，首先利用气化炉将煤转化成合成气，将合成气进行脱硫等的净化以后，作为燃气轮机的燃料，进行燃气-蒸汽联合循环发电。与常规的燃用天然气的燃气-蒸汽联合循环发电不同，整体煤气化联合循环发电采用的是一种能适应低热值的含氢量较高的合成气的燃气轮机。这是因为IGCC系统中的气化炉产生的合成气成分和燃烧特点与天然气有很大不同。合成气中的主要有效成分是CO和H₂，还含有少量的CH₄、C₂H₆等，以及N₂、CO₂等不燃烧气体组分，其热值比天然气低，并且由于氢气含量较高，所以是一种富氢气体。相比于主要成分为CH₄的天然气，合成气的燃烧火焰传播速度更快，为了防止回火的发生，其燃气轮机的烧嘴设计不能采用能够减少NO_x生成的预混燃烧方式，而是采用非预混燃烧设计。非预混燃烧方式为了防止由于燃烧混合不均匀产生的局部过高温，对于燃料气的热值要做出限制。气化炉产生的合成气的热值通常高于烧嘴的要求，因而，在将合成气送入燃气轮机烧嘴之前，需要通过热值调节系统进行调节，将合成气热值调整到要求范围。

近年来，由于风电等不稳定的可再生能源的大规模并网，电网对于火电等的传统电源的灵活性调峰的要求越来越高，传统IGCC由于气化炉产气量的调节速率较慢，电厂整体发电负荷变动速率很难达到灵活性调峰的要求，尤其是需要快速提升负荷的时候，由于气化炉产气量提升跟不上，负荷爬坡速率较慢。向合成气中注入一定的天然气，提升发电负荷灵活性，是改善IGCC调峰能力的重要手段。本发明提供了一种带热值调节功能的合成气燃气轮机燃料气进气系统及热值调节方法，可将天然气作为快速负荷调节的补充注入合成气，并精准控制进入燃气轮机的合成气的热值，并提高联合循环发电的灵活性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带参烧气注入和热值调节功能的燃气轮机燃料气进气调节系统及方法，解决了传统IGCC由于气化炉产气量的调节速率较慢，电厂整体发电负荷变动速率很难达到灵活性调峰的要求，导致风电等不稳定的可再生能源的大规模并网时，传统的IGCC不能满足其工艺要求的问题。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的一种带参烧气注入和热值调节功能的燃气轮机燃料气进气调节系统，包括天然气注入管路、主合成气主管路和蒸汽注入管路，其中，主合成气主管路上自其上游至下游依次设置有天然气注入管路、合成气加热器、主合成气逆流阀、拉法尔喷管、合成气放散管路、主合成气调节阀和烧嘴；

所述蒸汽注入管路的出口分为两支路，一支路与合成气加热器的蒸汽入口连接；另一支路与拉法尔喷管的蒸汽入口连接；

同时，天然气注入管路、合成气放散管路和蒸汽注入管路均设置有用于实现流量控制的流量控制装置。

优选地，天然气注入管路的上游至下游依次设置有天然气逆流阀、天然气截止阀和天然气调节阀。

优选地，天然气注入管路上的天然气流量控制装置包括天然气调节阀、天然气注入调节控制器和合成气压力测点，其中，合成气压力测点布置在主合成气主管路上，且置于主合成气调节阀的上游，所述合成气压力测点用于采集注入燃气轮机喷嘴的合成气压力，并将采集的压力传输到天然气注入调节控制器，天然气注入调节控制器用于根据将接收到的压力与预设阈值进行对比，并根据比对结果控制天然气调节阀的开度。

优选地，蒸汽注入管路的一支路与合成气加热器的蒸汽入口之间的连接管道上设置有加热蒸汽流量控制装置，所述加热蒸汽流量控制装置包括加热蒸汽调节阀、加热蒸汽控制器和布置在主合成气主管路上的温度测点，所述温度测点置于合成气加热器的下游，用于采集合成气加热器的合成气出口的温度值，并将采集到的温度值传输到加热蒸汽控制器，加热蒸汽控制器用于根据接收到的温度值与预设阈值进行比对，进而控制加热蒸汽调节阀的开度。

优选地，蒸汽注入管路的另一支路与拉法尔喷管的蒸汽入口之间的连接管道上设置有蒸汽流量控制装置，所述蒸汽流量控制装置包括蒸汽调节阀、流量调节阀、热值调节控制器、合成气的流量测点、合成气组分测点和可燃气体组分测点，其中，合成气的流量测点、合成气组分测点和可燃气体组分测点均布置在主合成气主管路上；合成气的流量测点和合成气组分测点均布置在合成气加热器的入口，用于采集可燃气的流量和气体组分的体积分数，并将采集到的数据传输到热值调节控制器；可燃气体组分测点布置在拉法尔喷管的出口，用于采集注入蒸汽之后的合成气中的可燃气体组分的体积分数，并将采集到的数据传输到热值调节控制器；热值调节控制器用于根据接收到的数据计算得到注入蒸汽的流量目标值，并将该流量目标值传送给流量调节阀；流量调节阀用于采集蒸汽调节阀出口处的蒸汽流量，并将采集到的蒸汽流量与接收到的流量目标值进行比对，进而控制蒸汽调节阀的开度。

优选地，所述主合成气主管路上还设有污氮气注入管路，所述污氮气注入管路的上游至下游依次设置有污氮气逆流阀、污氮气截止阀和污氮气调节阀。

优选地，合成气放散管路由两支并列的管路组成，两支管路均与去火炬连接；所述合成气放散管路上的流量控制装置包括泻放控制器、第一泻放管路调节阀、第二泻放管路调节阀和置于主合成气调节阀入口处的合成气压力测点，其中，第一泻放管路调节阀和第二泻放管路调节阀分别布置在两支管路上；所述合成气压力测点用于采集注入燃气轮机喷嘴的合成气压力，并将采集的压力传输到泻放控制器，泻放控制器用于根据接收到的压力值与预设阈值进行比对，进而控制第一泻放管路调节阀和第二泻放管路调节阀的开度。

一种带参烧气注入和热值调节功能的燃气轮机燃料气进气调节方法，基于所述的一种带参烧气注入和热值调节功能的燃气轮机燃料气进气调节系统，包括以下步骤：

当燃气轮机快速提升负荷或合成气供应不足时：

首先关闭合成气放散管路；

接着根据主合成气调节阀入口处的压力测点测量的合成气压力值，控制天然气的注入量，将天然气经天然气注入管路注入主合成气主管路，以满足主合成气主管路的合成气需求；

此时，根据合成气加热器入口处的测点和拉法尔喷管出口处的测点，得到注入蒸汽的流量目标值，进而控制蒸汽的注入量，将蒸汽经蒸汽注入管路注入主合成气主管路；

当燃气轮机降低负荷或合成气供应充足时：

首先关闭天然气注入管路；

接着根据主合成气调节阀入口处的压力测点测量的合成气压力值，当合成气压力值大于预设阈值时，打开合成气放散管路，并控制合成气放散管路的开度；

同时，根据合成气加热器入口处的测点和拉法尔喷管出口处的测点，得到注入蒸汽的流量目标值，进而控制蒸汽的注入量，将蒸汽经蒸汽注入管路注入主合成气主管路。

优选地，当燃气轮机快速提升负荷或合成气供应不足时：

首先关闭合成气放散管路；

通过合成气压力测点采集注入燃气轮机喷嘴的合成气压力，并将采集的压力传输到天然气注入调节控制器，天然气注入调节控制器将接收到的压力与预设阈值进行对比，并根据比对结果控制天然气调节阀的开度，进而将天然气经天然气注入管路注入主合成气主管路，以满足主合成气主管路的合成气需求；

当燃气轮机降低负荷或合成气供应充足时：

首先关闭天然气注入管路；

通过合成气压力测点采集注入燃气轮机喷嘴的合成气压力，并将采集的压力传输到泻放控制器；泻放控制器将接收到的压力值与预设阈值进行比对，进而控制第一泻放管路调节阀和第二泻放管路调节阀的开度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种带参烧气注入和热值调节功能的燃气轮机燃料气进气调节系统，燃气轮机烧嘴前主合成气管道压力调节灵活，当压力偏高时可以通过泻放管道进行泻放降压，当压力偏低时，可以通过加大主合成气供给和加大天然气注入提升压力，确保燃气轮机烧嘴前主合成气管道压力稳定在安全范围；利用天然气注入管路实现天然气燃料的快捷灵活的注入，解决了发电负荷快速上升时气化炉合成气产量提升慢燃气轮机缺气的问题，使IGCC发电厂的灵活性大大提升，适应电网快速负荷调动的要求；利用蒸汽注入降低合成气的热值，并且确保不管燃料气成分怎么变化，都使进入燃气轮机的燃料气的热值稳定在一个相对固定的范围，确保了燃气轮机工况平稳；本发明解决了传统IGCC由于气化炉产气量的调节速率较慢，电厂整体发电负荷变动速率很难达到灵活性调峰的要求，导致风电等不稳定的可再生能源的大规模并网时，传统的IGCC不能满足其工艺要求的缺陷。

进一步的，能够实现IGCC电厂高压污氮气的回收，注入燃气轮机用于发电，提高全厂整体的发电效率。

本发明提供的一种带参烧气注入和热值调节功能的燃气轮机燃料气进气调节方法，当燃气轮机快速提成负荷或合成气供应不足时：首先关闭合成气放散管路；燃气轮机烧嘴前主合成气管道压力调节灵活，利用天然气注入管路实现天然气燃料的快捷灵活的注入，解决了发电负荷快速上升时气化炉合成气产量提升慢燃气轮机缺气的问题，使IGCC发电厂的灵活性大大提升，适应电网快速负荷调动的要求；利用蒸汽注入降低合成气的热值，并且确保不管燃料气成分怎么变化，都使进入燃气轮机的燃料气的热值稳定在一个相对固定的范围，确保了燃气轮机工况平稳；当燃气轮机降低负荷或合成气供应充足时，首先关闭天然气注入管路；通过泻放管道进行泻放降压，确保燃气轮机烧嘴前主合成气管道压力稳定在安全范围；本发明解决了传统IGCC由于气化炉产气量的调节速率较慢，电厂整体发电负荷变动速率很难达到灵活性调峰的要求，导致风电等不稳定的可再生能源的大规模并网时，传统的IGCC不能满足其工艺要求的缺陷。

附图说明

图1是本发明涉及的进气调节系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种带参烧气注入和热值调节功能的燃气轮机燃料气进气调节系统，包括天然气注入管路1、主合成气主管路2、污氮气注入管路3、蒸汽注入管路4、天然气逆流阀5、天然气截止阀6、天然气调节阀7、天然气注入调节控制器8、污氮气逆流阀10、污氮气截止阀11、污氮气调节阀12、加热蒸汽调节阀13、加热蒸汽控制器14、合成气加热器15、疏水系统16、蒸汽逆流阀17、蒸汽截止阀18、蒸汽调节器19、流量调节阀20、主合成气逆流阀21、拉法尔喷管22、主合成气截止阀23、主合成气调节阀24、烧嘴25、合成气放散管路26、第一泻放管路调节阀27、第二泻放管路调节阀28、第一泻放管路截止阀29、第二泻放管路截止阀30、去火炬31、泻放控制器32和热值调节控制器33，其中，主合成气主管路2上自其上游至下游依次设置有天然气注入管路1、污氮气注入管路3、合成气加热器15、主合成气逆流阀21、拉法尔喷管22、合成气放散管路26、主合成气截止阀23、主合成气调节阀24和烧嘴25。

天然气注入管路1、污氮气注入管路3和蒸汽注入管路4上都有流量测点，实时测量各种气体的流量，用于流量控制。

合成气预热器15的热源采用中压饱和蒸汽进行加热。

天然气注入管路1的上游至下游依次设置有天然气逆流阀5、天然气截止阀6和天然气调节阀7。

天然气调节阀7连接有天然气注入调节控制器8，所述天然气注入调节控制器8与布置在主合成气主管路2上的压力测点连接，所述压力测点布置在主合成气调节阀24的上游，用于采集注入燃气轮机喷嘴25的合成气压力，并将采集的压力传输到天然气注入调节控制器8，天然气注入调节控制器8用于根据将接收到的压力与预设阈值进行对比，并根据比对结果控制天然气调节阀7的开度。

污氮气注入管路3的上游至下游依次设置有污氮气逆流阀10、污氮气截止阀11和污氮气调节阀12。

蒸汽注入管路4分为两路，一路通过加热蒸汽调节阀13与合成气加热器15连接进行热交换；另一路与拉法尔喷管22连接。

蒸汽注入管路4的支路与拉法尔喷管22之间的连接管路上依次设置有蒸汽逆流阀17、蒸汽截止阀18和蒸汽调节阀19。

加热蒸汽调节阀13连接有加热蒸汽控制器14；蒸汽调节阀19连接有流量调节阀20。

合成气放散管路26由两支并列的管路组成，两路均与去火炬31连接，同时，一路自上游至下游依次设置有第一泻放管路调节阀27和第一泻放管路截止阀29；另一路自上游至下游依次设置有第二泻放管路调节阀28和第二泻放管路截止阀30。

两支管路用于确保燃气轮机烧嘴调节阀前合成气主管路内的合成气压力稳定。

第一泻放管路调节阀27和第二写房管路调节阀28均与泻放控制器32连接。

一种带热值调节功能的合成气燃气轮机燃料气进气调节方法：

污氮气通过污氮气注入管路3，经污氮气逆流阀10、污氮气截止阀11和污氮气调节阀12注入主合成气主管路2；其中，污氮气截止阀11用于在合成气主管路压力高于污氮气压力时，防止合成气倒流进入污氮气注入管路3内；当不进行污氮气注入的时候，污氮气截止阀11关闭；污氮气调节阀12用于正常注入时注入污氮气流量的控制。

天然气注入管路1用于天然气的注入，当燃气轮机需要快速提升负荷的时候，燃气轮机烧嘴25进气的主合成气调节阀24迅速开大，阀前压力迅速降低，由于合成气产量不能迅速提升，因此，主合成气主管路的合成气不足以满足需求，燃料气缺口由天然气注入管路1通过注入天然气进行满足。

天然气经天然气逆流阀5、天然气截止阀6和天然气调节阀7注入主合成气主管路2；其中，天然气逆止阀5用于在主合成气主管路2压力高于天然气压力时，防止合成气倒流进入天然气管路.

当不进行天然气注入的时候，天然气截止阀6关闭；天然气调节阀7用于正常注入时注入天然气流量的控制。

天然气调节阀7采用天然气注入调节控制器8进行流量控制，以燃气轮机烧嘴25前的阀前压力作为天然气注入调节控制器8的目标值，根据阀前压力与正常值的偏离程度确定天然气流量注入的目标值，天然气注入调节控制器8根据阀门参数和天然气流量测量的反馈，给出调节阀的开度。

当燃气轮机降低负荷，或由于气化炉负荷上升，合成气供应充足，燃气轮机烧嘴25进气阀前压力升高时，逐渐减少天然气注入量直至天然气注入管路完全关闭。

合成气预热器15用于将合成气预热至特定的温度；合成气预热器15的热源来自于中压饱和蒸汽，利用中压饱和蒸汽的凝结潜热加热合成气。

中压饱和蒸汽在合成气预热器15放热后变成凝结水送去疏水系统16。

合成气预热器15蒸汽入口与蒸汽注入管路4的支路连通，该支路管路上装有加热蒸汽调节阀13，所述加热蒸汽调节阀13通过加热蒸汽控制器14进行控制，合成气预热器15的合成气出口有温度测点，测量值作为加热蒸汽控制器14的反馈量，用于加热蒸汽调节阀13开度的控制。

蒸汽注入是调节合成气热值的关键手段，在主合成气主管路2上安装有一个拉法尔喷管22，蒸汽注入管路4的另一支路与拉法尔喷管22的抽汽口相连，在拉法尔喷管22前面的主合成气主管路2上装有一个主合成气逆止阀21，防止蒸汽超压导致蒸汽向主合成气主管路倒流。

蒸汽通过蒸汽注入管路4，经蒸汽逆止阀17、蒸汽截止阀18和蒸汽调节阀19注入拉法尔喷管22，其中，蒸汽逆止阀17用于在合成气主管路压力高于蒸汽管路压力时，防止合成气倒流进入蒸汽管路。

当不进行蒸汽注入的时候，蒸汽截止阀18关闭。

蒸汽调节阀19用于正常注入时注入蒸汽流量的控制。

在合成气加热器15入口装有合成气组分测点和合成气的流量测点，实时测量得到可燃气体组分的体积分数(Vol₁％,CO、H₂、CH₄、C₂H₆)和流量F₁，并将测得的数据传输至热值调节控制器30。

在拉法尔喷管22后装有气体组分测点，实时测量得到注入蒸汽之后的合成气中的可燃气体组分的体积分数(Vol₂％,CO、H₂、CH₄、C₂H₆)并计算合成气的华白值(体积热值)，并将结果作为一个反馈量传递给热值调节控制器33。

热值调节控制器33用于根据流量测点和气体组分测点的两个测量值计算得到注入蒸汽的流量目标值，并将该流量目标值传送给蒸汽注入管路4上的流量调节阀20。

流量调节阀20用于采集蒸汽调节阀19出口处设置的流量测量点的蒸汽流量测量反馈值，并根据接收到的蒸汽流量测量反馈值和流量目标值，实时调节蒸汽调节阀19的开度。

合成气放散管路26由两支并列的管路组成，每支管路上分别串有第一泻放管路调节阀27和第一泻放管路截止阀29，第二泻放管路调节阀28和第二泻放管路截止阀30。

燃气轮机烧嘴25入口阀前压力分为低二值、低一值、中值、高一值、高二值、高三值共六个区间；一般工况下，燃气轮机烧嘴25的入口阀前压力处于正常范围，即中值，合成气放散管路26上的泻放控制器32控制第一泻放管路截止阀29和第二泻放管路截止阀30全部关闭。

当燃气轮机负荷突然下降，合成气需求量降低时，燃气轮机烧嘴25的入口阀前压力上升至高一值时，合成气放散管路26上的泻放控制器32控制第二泻放管路截止阀30打开，第二泻放管路调节阀28逐渐打开，泻放主合成气主管路压力。

当主合成气主管路2的压力进一步上升至高二值时，合成气放散管路26上的泻放控制器32控制第二泻放管路调节阀28迅速开大至50％以上开度，同时，第一泻放管路截止阀29打开，第一泻放管路调节阀27逐渐打开，泻放主合成气主管路压力。

若主合成气主管路2的压力进一步上升至高三值，则合成气放散管路26的两支管路上的阀门全开。

当主合成气主管路2的压力恢复至低一值时，合成气放散管路26上的另一支管路的各阀门关闭。

应用于本示例的系统参数如下表所示：