吴努斌， 刘建斌， 蹇 浪， 任晞青， 徐 鸿

（1.金风科技股份有限公司，乌鲁木齐830026；2.上海锅炉厂股份有限公司，上海200245；3.中南电力设计院，武汉430071；4.华北电力大学 能源动力与机械工程学院，北京102206）

随着中国经济的较快发展和工业化进程的加快，能源需求不断增长，但以煤为主的能源消费结构对环境造成的压力很大.目前，中国鼓励发展洁净煤技术，推进煤炭气化及加工转化等先进技术的研究开发，推广整体煤气化联合循环（IGCC）技术［1］，其中气化炉是IGCC发展的关键设备，自主开发并承制大型气化炉设备有着深远的意义［2－3］.以国家重点支持IGCC示范工程某气化炉为例，建立了中压控制循环水系统数学模型.

二段式加压干煤粉气化炉要求在保证出口煤气参数的条件下，同时考虑显热回收，产生的水蒸气进入蒸汽轮机做功，煤气通过燃气轮机做功，实现燃气－蒸汽联合循环.气化炉与传统锅炉的结构布置存在很大差异：传统锅炉以产生额定压力、温度的蒸汽为目的，而气化炉在保证煤气气化过程中各段出口温度的同时产生一定压力和温度的饱和蒸汽，由于要兼顾煤气与水蒸气的品质，因而对气化炉水循环系统提出了更高的要求.笔者通过对气化炉水循环系统建立数学模型，解决水系统在气化炉内吸热与热负荷相匹配以及流量和阻力平衡问题，从而确保设备运行安全及结构合理［4］.

1 气化炉的结构

整个气化炉呈倒“U”型结构，按煤气流通走向气化炉分为渣冷却段、气化室一段、缩口段、气化室二段、气化炉上部、炉顶、返向室出口、煤气导管段、煤气冷却器水冷壁和冷却器上、中、下段.按布置形式蒸发受热面分为列管、盘管、蛇形管；按热交换形式分为膜式壁辐射受热面、膜式壁对流受热面和盘管套筒对流受热面；按工质受热流向分为一次垂直上升管、水平围绕上升管、“U”形上升管和“W”形上升管等.受热面布置结构种类多，并行回路差异大.图1为气化炉整体结构示意图.

2 水循环系统组成

图1 气化炉结构示意图Fig.1 Structural diagram of the gasifier

该气化炉为中压控制循环水系统，汽包压力为5.0MPa，饱和温度为265℃，主要由汽包、下降管、强制循环泵、分配母管、下联箱、上升管、上联箱、汽水引出管、汽水分离器等设备组成.工质从汽包经下降管、循环泵进入分配母管，由分配母管分别引出8组引入管，流经各受热面后从8组汽水引出管返回汽包.其中渣冷却段、气化室一段和缩口段水冷壁共用1组引入管，对应2组汽水引出管；煤气冷却器水冷壁与冷却器上蒸发器共用1组汽水引出管，对应2组引入管，其他回路引入、引出管一一对应，属于复杂循环回路.水系统划分为1组下降管、8组引入（出）管组和28组蒸发受热面.气化炉汽水系统流程见图2.

图2 气化炉汽水系统流程示意图Fig.2 Flow chart of the water－steam system in the gasifier

3 水动力计算的数学模型

3.1 数学模型

稳定工况下的水动力计算都可以归结为求解流量平衡、阻力平衡和热量平衡的问题.对于一级并联管组，同一压差下工作的各并联管组满足下列非线性方程组：

式中：△p为引入管与引出管间的压差；Gi为第i根并联管工质的流量；G为引入（出）管工质流量；fi（Gi，G）为在Gi，G 流量下第i根管在引入、引出管间的压差.

显然，在上式中如果已知管组压差△p求各并联管工质流量G1＋G2＋…＋Gk，则每个非线性方程仅与Gi和G两个未知量有关.反之，如果已知总流量G求压差△p和各并联管工质流量G1＋G2＋…＋Gk，则每个非线性方程仅与Gi和△p两个未知量有关.

当求循环回路的流量问题时，可分为下降管总流量等于上升管总流量和下降管压差等于上升管压差这两个平衡.已知下降管流量Gxj就可以确定下降管压差，也就确定了上升管压差，由此可求出上升管总流量.即上升管组的总流量Gss是下降管流量Gxj的非线性函数.在稳定工况下，下降管的流量Gxj应满足非线性方程：

3.2 计算过程

图3给出了水循环的计算过程.

图3 水循环计算过程图Fig.3 Water cycle computation process

具体过程如下：

（1）初定循环泵压头，假定循环流速w0；

（2）求出下降管系统流量Gxj和压差△pxj；

（3）由Gss＝Gxj，通过计算程序求解Gi，上升管系统压差△pss；

（4）比较△pxj与△pss是否满足精度｜△pxj－△pss｜＜ε；

（5）修正循环泵压头，直至符合实际工况需求.

3.3 求解方法

式中：ε＞0，i＝1，2，…，k［5－6］.

4 计算结果与分析

通过程序迭代计算使流量、压降和热量达到平衡，在稳定工况下，表1给出水循环系统总体参数，表2给出各回路数据表，图4给出气化炉各段目标流量、计算流量和吸热量情况.为了接近气化炉目标流量，在引入管安装了可变节流圈，增加可调节手段.在部分回路受热面的管子入口处装设节流圈，进行二级回路流量分配，控制管子出口含汽率.该炉型结构布置类似荷兰Buggenum电厂shell气化炉，该炉水冷壁规格为外径38mm和壁厚6mm以及外径48mm和壁厚6mm，循环水量为2 000t／h，循环泵扬程为66.5m.与其相比，本炉型水冷壁规格为外径38mm和壁厚8mm以及外径48mm和壁厚8mm，循环水量为3 000t／h，水冷壁内径小于shell气化炉，总循环水量增加，此外，由于结构差异等因素，使系统总体压降增大，循环泵扬程抬高至110m［7］.

表1 水循环系统主要特性参数Tab.1 Main characteristic parameters of the water cycle system

表2 各回路数据表Tab.2 Data sheet of each loop

图4 气化炉各段流量和吸热量Fig.4 Flow rate and heat absorption in each part of the gasifier

图5给出了28个水冷壁管组的重位压降、流动压降、总压降及出口质量含汽率的曲线图.由图5可以看出，各并联回路总压降相等，质量含汽率均控制在7%以下.煤气冷却器部分受热面所处位置热负荷不高，虽然后12组水冷壁平均含汽率稍高，但仍在安全范围内.各并行回路之间含汽率的偏差主要是结构差异引起的，另外考虑到制造工艺和价格成本，在不影响设备安全的前提下，某些管路没有安装节流圈.

图5 水冷壁管组压降曲线Fig.5 Pressure drop curves of water wall tube bank

图6为引入管组的重位压降、流动压降、总压降与质量流速曲线图，其中渣冷却上下段、气化室一段、缩口段共用第①组引入管，对应第Ⅰ和第Ⅱ组引出管组，在目标流量下气化炉上部管组总压降最大.

图6 引入管组压降曲线Fig.6 Pressure drop curves of inlet tube bank

图7为汽水引出管组的重位压降、流动压降、总压降、出口含汽率及可变节流圈压降曲线图.从图7中可知，第4组引出管可变节流圈压降最小，该组引出管对应气化炉上部、炉顶和返向室出口三组受热面，入水集箱处于气化炉最高位置，重位有效压头很小，汽水流动阻力基本上由循环泵克服.循环泵扬程由压降最大的回路决定，该组回路压降最大，其他回路通过可变节流圈调节与该组回路压降相同.第5组引出管可变节流圈压降最大，该组引出管对应煤气导管段水冷壁为图2第16组，相对于其他管路该组受热面流程简单，流动阻力最小，可变节流圈压降最大.

图7 引出管组压降曲线Fig.7 Pressure drop curves of outlet tube bank

图8和图9分别为气化炉蒸发受热面水动力特性曲线与气化炉水系统总体特性曲线，由两者关系可以得出水系统在不同工作点各回路的流动参数.

图8 气化炉各部分水动力特性曲线Fig.8 Hydrodynamic behavior of each part of the gasifier

5 结 论

图9 气化炉总体水循环系统特性曲线Fig.9 Hydrodynamic behavior of the whole water cycle system

（1）选取高循环倍率使足够的循环水量流过受热面，即使汽水混合物沿受热面有向下流动的情况，也能确保受热面不发生传热恶化；同时在各分配水管装有可变节流圈，内部受热面元件加装节流圈，以使流量分配均匀，并行回路出口含汽率偏差不大.

（2）气化炉上段三组水冷壁管组在目标流量下流动阻力最大，主要是由于受热面布置方式多，且多次上升，流程较长，因此压降很大，对于整个汽水系统循环很不利，如优化布置结构、简化汽水流程，并尽量避免汽水混合物沿受热管道向下流动，则能够有效降低循环泵扬程，对提高电厂效率、降低成本影响显著.

［1］焦树建.整体煤气化燃气－蒸汽联合循环［M］.北京：中国电力出版社，1996.

［2］国务院新闻办公室.中国能源状况与政策［R］.北京：［s.n.］，2007.

［3］焦树建.IGCC某些关键技术的发展与展望［J］.动力工程，2006，26（2）：153－165.JIAO Shujian.Development and prospect of some key technologies of IGCC［J］.Journal of Power Engineering，2006，26（2）：153－165.

［4］林宗虎，陈立勋.锅内过程［M］.西安：西安交通大学出版社，1990.

［5］上海发电设备成套设计研究所.电站锅炉水动力计算方法［R］.上海：上海发电设备成套设计研究所，1983.

［6］洛克申，别捷尔松，什瓦尔兹.锅炉机组水力计算标准方法［M］.董祖康，王孟浩，李守恒，译.北京：电力工业出版社，1981：4－9.

［7］曹子栋.煤加压气化与IGCC技术研究现状与进展［C］／／中国西安能源动力科技创新研讨会及展示会论文集.西安：［s.n.］，2007.