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1.引言
“煤的洁净燃烧”技术是当前各工业蓬勃国家都十分重视的研究领域，燃煤燃气－蒸汽联合轮回由于能较年夜幅度提高火力发电厂的热效率，并使污染问题获得解决，因而成为有成长前途的发电技术。我国是以燃煤为主的国家，电力工业中燃煤发电厂的装机容量占总装机容量的70％以上。同时，燃煤发电厂又是严重的污染源，全国SO2总排放量的三分，NOX和粉尘总排放量的一半由燃煤发电厂发生。所以我国对“洁净煤技术”也十分重视，七十年月末国家科委就起头部署“煤的洁净燃烧”发电技术的研究工作。上海发电装备成套设计研究所在“六五”到“八五”时代前后承当了国家科委下达的燃煤燃气－蒸汽联合轮回项目中的“低热值煤气燃气轮机要害技术研究”、“常压流化床空气埋管传热实验研究”、“第二代增压流化床联合轮回发电要害技术研究”等科技攻关课题。在吸收国外进步前辈技术的根蒂根基上，成功地展开了对上述要害技术的攻关，取得了科研功效。本文将介绍这些科技攻关课题的研究概况。
2.低热值煤气燃气轮机要害技术研究
整体煤气化燃气－蒸汽联合轮回（IGCC）是“煤的洁净燃烧”发电技术的一个重要方式。在IGCC中的燃气轮机必需靠得住地燃烧气化炉发生的中、低热值煤气，尺度的燃气轮机产物必需经过对燃烧系统改造方能知足IGCC的要求。1981年国家科委安插了燃煤联合轮回发电的要害技术科研攻关工作，上海发电装备成套设计研究所承当了“燃用低热值煤气的燃气轮机技术研究”课题，研究内容包括“低热值煤气燃气轮机燃烧室实验研究”和“低热值煤气燃气轮机燃料调理系统实验研究”两个方面。课题攻关于1990年10月完成，并经由过程了国家科委和机械工业部组织的专家鉴定，主要研究功效有：
2.1建立了国内套使用配制组合压缩气体为燃料的气体燃料燃烧室实验台，
可进行燃气轮机燃烧室燃油、燃气或油气混燃的低压模化实验，设置装备摆设了供油、供气体燃料的燃料系统、空气供给系统及燃烧室实验控制系统。在实验丈量和数据处置方面设置装备摆设了较进步前辈仪器装备，常规参数丈量采用美国惠普公司的计较机数据收集及处置系统，对燃烧室排气采用日本进口的*气分析仪进行*气分析。
2.2与美国GE公司燃气轮机分部合作进行了“GEMS5001燃气轮机低热值煤气燃烧系统研究”项目。
燃料气为鲁奇煤气。低热值煤气燃烧室的基本结构形式为多管逆流式燃烧室，保留了尺度燃烧室的年夜部门结构形式，主要变更是采用了年夜流量强旋流的煤气喷燃器，加年夜煤气和空气的旋流速度。煤气和空气的旋转标的目的相反，增强煤气与空气的掺混，并形成强烈的回流区，改善火焰的稳定性。
图1.GE的逆流式燃烧室（略）
GEMS5001低热值煤气燃烧室实验在美国GE燃气轮机成长实验室（GTDL）的全压全尺寸燃烧实验台上进行，前后进行了4个方案的实验，实验成效讲明终结构方案除燃烧柴油时高负荷下冒黑*外，低热值煤气燃烧室其他性能均知足要求。
2.3在分析“GEMS5001”低热值煤气燃烧室结构和实验成效的根蒂根基上，设计了用于国内某型燃气轮机的燃烧室。
该燃烧室也采用逆流式结构，并凭据国内的制造工艺条件将火焰筒鱼鳞孔冷却结构改成气膜冷却结构。
图2.某型低热值煤气燃烧室（略）
燃烧室的基本参数为：
体积热强度qv＝4.694×104MJ/m3·h·ata
面积热强度qF＝3.575×104MJ/m2·h·ata
燃气勾留时间t＝0.049s
参考速度Wref＝15.54m/s
火焰管直径Dft＝192mm
火焰管长度L＝785mm
火焰管外壳直径D＝255mm
燃气过渡段收敛比3.79:1
实验在上海发电装备成套设计研究所燃气轮机燃烧室实验台上进行。实验参数采用低压模化方式，使用实物燃烧室，给定实验燃烧室进口空气压力为104kPa，按各工况下的模化实验参数进行实验。实验
进程中燃烧室焚烧升负荷顺遂，燃烧柴油时未发现冒黑*现象。燃烧煤气实验时，先用柴油焚烧，负荷升到1/4全负荷时，由油顺遂切换到煤气。实验成效讲明，自行设计的燃烧室在模化条件下燃烧效率高，出口温度场平均，散布合适要求。压损和火焰管壁温都知足要求，设计获得了成功。
2.4研究开发了年夜流量低热值煤气调理阀。
煤气化联合轮回中，低热值煤气调理阀是系统中的重要部件，必需知足容积流量年夜，密封性能好，调理特征好，可快速开启和关闭的要求。经过量种方案的分析比力，后肯定采用多只单座阀并联的设计方案来知足煤气年夜流量的要求，各单座阀可由统一执行机构带动，也能够每只阀划分由一个执行机构带动。设计的阀门由锥形阀蝶和拉伐尔缩放型阀座组成，并带有一个预启阀，以减小提升力和时间常数，具有很好的动态特征和快速关闭能力。
图3.低热值煤气调理阀（略）
经由过程对模子阀门的气动性能吹风实验，掌控了阀门通流能力和流阻特征数据，所设计的调理阀5只并联，就可知足MS5001机组的基本负荷要求。经由过程年夜量动态特征实验，证实所设计的阀门快速开启和关闭的性能优秀，在1.28MPa表压的控制油压下，50mm的满行程动作时间只需0.34秒。
经由过程对“燃用低热值煤气的燃气轮机技术研究”的课题攻关，消化吸收了国外进步前辈技术，自行设计和调试的低热值煤气燃烧室和调理阀主要性能指标优秀，而且掌控了这些要害部件的母型和设计研究方式。上海发电装备成套设计研究所曾成功地将低热值煤气燃烧技术和经验用于国内某年夜型钢铁企业高炉煤气燃气轮机热电装配的调试技术服务。
3.常压流化床联合轮回（AFBC）的技术研究
燃煤常压流化/燃气－蒸汽联合轮回发电装配具有能源转换效率高，煤种顺应性广，能燃用劣质煤且情况污染小的优点，是一种可行的洁净煤发电方式。
常压流化床空气热交换技术是成长燃煤常压流化床联合轮回所必需解决的要害技术。为此国家科委1981年组织“常压流化床空气换热实验研究”单项要害技术研究。我所承当了建立单一学科研究的常压流化床空气传热实验台和单管及管束常压沸腾炉传热实验台，进行实验台的调试工作并完成初步机理性实验，提出单管传热实验陈述，常压流化床联合轮回热力系统分析陈述和调理与控制系统分析陈述。研究工作于1984年末完成并经由过程专家鉴定。
3.10.5m2常压流化床空气热交换实验台
国内在燃煤常压流化床技术方面进行了很多研究，取得了相当年夜的成就，堆集了丰硕的经验。这些研究与成长均集中于燃煤常压流化床蒸汽汽锅技术。燃煤常压流化床联合轮回发电装配中使用的燃煤常压流化床空气汽锅技术在国内尚属空白，而其中的“空气埋管热交换技术”是必需解决的要害技术。为此我所建立了一台床面积为0.5m2的常压流化床实验装配。实验台除可供空气埋管的热交换实验研究外，还可供流化床燃烧、流化、阻力、空气埋管材料、结构，运行特征等多种实验研究使用。已成为一个综合性的燃煤常压流化床实验装配。
沸腾床断面为矩形风帽式布风结构，正压螺旋给煤，水凭空气埋管，炉膛四面无冷却管安插，主要参数下：
布风板面积0.5m2
床宽度560mm
床深度900mm
风帽纵向节距S1122.6mm
风帽横向节距S237mm
风帽个数112个
下溢流口下沿距风帽顶1060mm
上溢流口下沿距风帽顶1960mm
空气埋管为并联安插的U形管，错列安插。
为了顺应多种实验项目的要求共安插了温度测点40个、压力测点27个，流量测点14个，共81个测点。
实验台装备齐全，系统完善，设置装备摆设了年夜型热力参数数字显示模拟屏，工业电视监察装配、计较机数据收集及处置等举措措施。
0.1m2常压流化床单管及管束传热实验研究
为了进行更多的机理性研究，建立了一个单管及管束传热实验台，对空气埋管流化侧换热系数α、主要影响身分及流化床中的辐身换热问题进行实验研究。
实验台炉高3.5m，床面积0.4×0.25m2，床温在常温至900℃范围内可调，用电、油联合加热流化空气和流化床料，进行埋管的传热实验研究。
实验台由炉本体，流化空气供气系统，测试管压力空气供气系统，供油系统、排气系统、测试系统及实验控制台组成。
热态传热实验前进行空床实验，肯定无料层时进气室和布风板的阻力随风速的变化情况；进行冷态实验，实验炉料使用上海吴淞化肥厂流化床汽锅的灰渣，往除8mm以上的粒子，选用0－8mm直径的“宽带分”颗粒，观察炉料流化的平均性，冷态流化空气压降与流化速度之间的变化关系。测试管位于炉子的兴旺流化区中、进行热态传热实验。首批实验参数范围为：
粒子：种类吴淞化肥厂炉渣
粒子直径散布：0－8mm
床温：523－804℃
床压：情况压力
流化速度：2.86－4.86m/s
测试管直径：32mm
测试管空气压力：314kPa
测试管空气进口温度：110－154℃
经由过程实验获得换热系数α、传热系数K随床温的变化关系；实验段各截面床温、壁和暖流化空气温度间的关系，实验成效与国内外的一些常压流化床埋管传热实验的成效进行了定性和定量的比力。讲明所选用的实验方式是可行的，数据是可信的。
实验数据的分析讲明测试管内侧的换热系数小于外侧的换热系统，流化床空气埋管传热的热阻主要在内侧流道。增强内侧流道换热强度或增年夜内侧流道的换热面积是流化床换热的要害问题。
4.第二代增压流化床联合轮回发电要害技术研究
第二代增压流化床联合轮回（2G－PFBC－CC）也称为补燃增压流化床燃气－蒸汽联合轮回，是在增压流化床联合轮回（PFBC－CC）的根蒂根基上增加一套炭化炉、煤气除尘装配及燃气轮机补燃燃烧室。煤在炭化炉中裂解，发生低热值煤气和焦炭，焦炭被送到增压流化床中燃烧，发生蒸汽，驱动汽轮机发电。煤气送进燃气轮机燃烧室补燃，将增压流化床送来的*气加热至1000℃以上，送进透平做功。这类方案集中了IGCC和PFBC－CC的优点，能使轮回的总功率和热效率都获得提高。“八五”时代，国家科委部署了第二代增压轮回流化床联合轮回要害技术的课题攻关使命。由上海发电装备成套设计研究所和北京煤化学研究所配合承当。课题包括三年夜方面的研究内容：1.增压轮回流化床气化技术研究；2.补燃燃烧室系统的研究；3.高温*气对燃气轮机叶片的磨蚀研究。课题攻关在九五年末周全完成，经由过程了由科技部、机械部、电力部组织的专家鉴定，并获得了“八五攻关重年夜科技功效奖”。
4.1建立了一套增压流化床煤气化技术实验装配系统，并成功地投进实验运行。
实验装配的主要技术参数为：
流化床气化炉：主反应段内径300mm
扩年夜段内径：450mm
高度：6010mm
设计压力：2.5MPa
操作压力：0.3－1.0MPa
操作温度：900－1100℃
气化剂：空气、水蒸汽
气化方式：部门气化、完全气化
煤处置能力：2.5－5吨/天
增压流化床煤气化技术实验装配建成后，进行了高温冶金焦、伍德炉半焦、神木煤和年夜同煤等五种原料的实验，实验装配实现了20小时的接连稳定运行，累计运行510小时。气化炉发生的煤气供低热值煤气燃烧系统和叶片磨蚀系统进行实验。
分歧煤种、分歧操作条件下获得的排灰中含碳量范围为11.1％－75.5％。基本掌控了煤灰粘聚及选择排灰的操作技术。为了展开流化床床内脱硫研究，在流化床气化炉上进行了五个分歧含硫量的煤，两种脱硫剂的床内脱硫实验研究，获得了高达93.6％的脱硫率。这些根蒂根基研究和实验工作，为放年夜规模的增压流化床煤气化和床内脱硫技术做了充实豫备（图4）。
4.2补燃燃烧系统技术研究中，选择了520kW级容量的燃烧室进行实验研究，
主要技术参数为：
空气压力：0.1059Mpa空气进口温度：320℃煤气温度：200℃
PFBC炉*气温度：850℃燃烧室排气温度：1100℃
PFBC中按*气进进补燃燃烧室的方式可分为后混和前混两种方式，凭据煤气化炉的碳转化率XC选定了XC＝50％后混、
XC＝70％后混和XC＝70％前混三个方案进行了实验（略）
a.后混实验方案（略）
实验在上海发电装备成套设计研究所燃气轮机燃烧室实验台上进行。实验按低压模化方式，并模拟压气机排气温度和PFBC中排出的*气温度。各方案的实验工况按燃烧室的排气温度为1100℃、1000℃、900℃、800℃、700℃分成5点，凭据设计数据和模化条件划分获得各工况的实验参数。
实验时先用0号柴油焚烧，升负荷至排气温度为750℃时切换成由增压流化床气
化炉供给的低热值煤气。煤气切换及其后的进一步升负荷均十分顺遂。对所选定的（略）
b.前混实验方案（略）
各方案顺遂进行了燃烧室燃烧低热值煤气实验，取得了完整的数据。实验成效讲明：各工况下的燃烧效率基本在99.0％以上；出口温度场知足要求，温度场系数随负荷的增加而减小，火焰管壁温散布合适设计要求。证实燃烧室的设计思想是准确的。所取得的研究功效可用于第二代增压流化床联合轮回补燃燃烧系统的装备研制和调整实验。
4.3建立了高温*气磨蚀实验台，
对PFBC中进进燃气轮机的高温*气中所含少许粉尘对叶片的磨蚀机理进行了研究，提出防磨措施。
叶片磨蚀实验台由高温*气夹杂段，灰粒添加装配、叶栅工作段、排气喷水冷却段及叶片冷却空气系统组成。高温*气来自低热热值（图6）煤气燃烧室排气。灰粒子在*气夹杂段前端加进，在夹杂段中与*气平均夹杂并加速到主气流的速度。添加灰粒的目的是能够在较短的实验时间内观察到含灰*气对叶片的磨蚀情况。
设计了三种分歧结构形式的实验件，种是实物透平叶片，第二种是半圆形空心实验件，第三种为扁平形空心试件。三种试件壁面上都装有热电偶，用以测定实验件概况温度。试件材料选用FSX414钴基合金，并划分选用AMDRY997，AMDRY997＋MET－CO204，碳化铬三种分歧涂层材料，用高温等离子喷涂工艺将涂层粉末喷涂在试件概况上，以研究耐高温耐磨蚀涂层对燃气轮机叶片的庇护作用。
实验成效讲明：三种涂层耐磨度对比分析看出，NiCoAlTaY涂层的抗侵蚀、抗高温氧化及耐磨性能较强。真空等离子喷涂的涂层概况臻密光洁，气孔少，具有更好的连系强度及耐高温性能，能合适PFBC中燃气轮机叶片防磨的技术要求。
5、竣事语
国家科委自“六五”起接连部署燃煤燃气－蒸汽联合轮回要害技术的课题攻关项目，使我国的科研机构和制造厂较好地跟踪了国外“煤的洁净燃烧”这一高新技术的成长，取得了很有价值的研究功效，为我国成长IGCC和PFBC联合轮回做好了技术豫备。
低热值煤气燃烧系统研究中采用的与国外合作，吸收国外进步前辈技术，连系国内产物自行设计和调试的研究方式十分有用。经由过程研究掌控了低热值煤气燃烧室的设计和调试方式。气体调理阀的实验研究为年夜流量煤气调理阀的研制和调理系统的设计提供了依据。
第二代增压流化床联合轮回要害技术研究中，在上海发电装备成套设计研究所建成了煤气化、燃烧和叶片磨蚀为一体的实验系统。
从此将充实阐扬已有人材、装备及已获得的研究功效的作用，更深进地研究IGCC和2G－PFBC－CC的要害技术，为成长我国的洁净煤发电技术，为早日在我国建成燃煤联合轮回电站作更多的进献。
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