第5期(總第150期)煤化工. 5(Total No 150)010年10月Coal Chemical Industryoct.2010GE水媒漿氣化爐在線率的計(jì)算與分析牛苗任孫永斌(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司,北京10020)摘要以GE水煤漿氣化爐為代表,根據(jù)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),采用“逐點(diǎn)計(jì)算法”,分別計(jì)算了多臺(tái)氣化爐的最大理論在線率,在此基礎(chǔ)上,計(jì)算出不同可靠性下,多臺(tái)氣化爐的實(shí)際在線率。計(jì)算方法和結(jié)果具有普適性,可用到E-GAS、多噴嘴氣化爐備用爐的選擇上;對(duì)保證一定在線率下備用爐最佳臺(tái)數(shù)的確定提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞水煤漿氣化爐在線率可靠性文章編號(hào):10059598(2010)05-0019-05中圖分類(lèi)號(hào):TQ545文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A引言1GE(前 Texaco)水煤漿氣化技術(shù)氣流床煤氣化裝置是IGCC系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備,它11GE煤氣化技術(shù)直接影響發(fā)電效率、系統(tǒng)的可用率、投資和發(fā)電成本GE水煤漿氣化工藝包括氣化爐及輔助系統(tǒng)。氣等,其核心技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備是氣化爐。水煤漿加料氣化爐包括噴嘴、耐火磚、承壓部件等;輔助系統(tǒng)包括煤化爐的共同點(diǎn)是,爐膛由耐火磚砌成,到一定時(shí)間必漿輸送、灰水處理系統(tǒng)等。運(yùn)行失常狀態(tài)指系統(tǒng)在操須停爐維修和更換,而且工藝噴嘴也易被磨損和燒作過(guò)程中,偏離了操作規(guī)程允許的正常操作參數(shù),而壞,運(yùn)行周期短,影響到氣化爐的在線率。因此,本文造成運(yùn)行失穩(wěn)甚至非計(jì)劃停車(chē)。根據(jù)一般操作規(guī)程及以GE氣化爐為代表,計(jì)算多臺(tái)氣化爐同時(shí)在線的運(yùn)歷史數(shù)據(jù)分析,系統(tǒng)的運(yùn)行失常狀態(tài)主要表現(xiàn)為:(1)行情況,對(duì)保證一定在線率下備用氣化爐臺(tái)數(shù)的選擇工藝氣出口溫度過(guò)高;(2)碳黑洗滌塔出口工藝氣含提供指導(dǎo)。塵量超標(biāo);(3)氣化爐壓差波動(dòng)過(guò)大;(4)氣化爐激冷為了增加IGC電站的運(yùn)行時(shí)間,必須提高IGCC室液位異常;(5)氣化爐爐膛溫度異常;(6)因外部系電站的在線率特別是氣化爐的在線率。國(guó)外研究的統(tǒng)波動(dòng)而引起的氣化系統(tǒng)運(yùn)行波動(dòng)。國(guó)內(nèi)某企業(yè)計(jì)算表明:對(duì)于單純以發(fā)電為目標(biāo)的IGCC電站,為了氣化裝置8年的停車(chē)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及原因分析如表1所獲得經(jīng)濟(jì)效益,應(yīng)使氣化爐的運(yùn)行在線率達(dá)到92%,示,大約有50%的停車(chē)是因氣化爐出現(xiàn)了問(wèn)題0。因這就提出是否有必要在IGC電站中設(shè)置備用氣化爐此氣化爐較其他設(shè)備更易發(fā)生故障,即為系統(tǒng)的薄弱的問(wèn)題(目前單臺(tái)GE氣化爐的在線率為80%-85%)。環(huán)節(jié),本文重點(diǎn)對(duì)氣化爐的在線率進(jìn)行分析。但是增加備用爐會(huì)導(dǎo)致電站比投資費(fèi)用的增高,究竟表1氣化爐非計(jì)劃停車(chē)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及原因分析%應(yīng)否設(shè)置備用爐以及備用幾臺(tái)合適,尚需進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì)評(píng)估后才能確定2。從目前氣化爐的運(yùn)行情況看氣化原因設(shè)備故障電氣故障儀表故障工藝失調(diào)其他原因在釆用水煤漿氣化技術(shù)的煤化工、煤基多聯(lián)產(chǎn)、IGC50.0026.369.244.628.151.63多聯(lián)供方案中,為了確?；どa(chǎn)過(guò)程的連續(xù)性,設(shè)置備用氣化爐是必要的。12GE氣化爐中的關(guān)鍵部件1.2.中國(guó)煤化工收稿日期:2010-05-03f流式,水煤漿質(zhì)量作者簡(jiǎn)介:牛苗任(1979),男,2002年畢業(yè)于河北工業(yè)分?jǐn)?shù)CNMHG5%,運(yùn)行溫度約為大學(xué)化工工藝專(zhuān)業(yè),工程師,現(xiàn)從事煤氣化、IGCc的研發(fā)1350℃,煤與氧反應(yīng)生成粗合成氣和熔渣。高溫粗合及工程設(shè)計(jì)。成氣向下流入輻射廢鍋/激冷室。激冷氣化爐是圓柱20化工2010年第5期形加壓容器,內(nèi)襯耐火材料,由上部燃燒室和下部激供足夠資料,以便估算出一個(gè)、兩個(gè)或多個(gè)可比較的冷室組成,中間有激冷環(huán),連接下降管。氣化爐燃燒室系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的差別。設(shè)備的可靠性可用多種方法表示的工況是高溫、高壓、強(qiáng)還原性氣氛以及酸性熔渣沖通常采用的最基礎(chǔ)、最重要的方法是可用率(在線率)。蝕,并隨著頻繁開(kāi)停車(chē)而不斷地出現(xiàn)溫度壓力波動(dòng),在線率被定義為在一個(gè)特定點(diǎn)上及時(shí)發(fā)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)因此耐火磚在一個(gè)較短時(shí)間內(nèi)(6個(gè)月24個(gè)月)就會(huì)具有一定功能狀態(tài)的概率。本文在線率(X)按式(1)毀壞。耐火磚的磨損很顯然與燃燒溫度和熔渣性質(zhì)計(jì)算:X=1,2,3,4,……n,代表有X臺(tái)氣化爐在運(yùn)行。有關(guān),但經(jīng)驗(yàn)表明,也與氣化率有關(guān)。近年來(lái),雖然X=每年X臺(tái)氣化爐累積運(yùn)行時(shí)間(d)×100%(1)不斷對(duì)耐火磚進(jìn)行改進(jìn),但隨著生產(chǎn)量的加大,耐火磚壽命還是會(huì)逐步下降。根據(jù)某工廠實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),表2列出了具有代表1.2.2噴嘴性的激冷流程氣化爐的運(yùn)行統(tǒng)計(jì)情況。對(duì)于輻射廢鍋工藝噴嘴是CE氣化爐的心臟,端部結(jié)構(gòu)示意圖流程,只是將氣化爐下部連接的激冷室取代為輻射鍋見(jiàn)圖1,為同心三套管形式。水煤漿及氧化劑通過(guò)工爐,氣化爐的運(yùn)行狀況還是與激冷流程相同的,因此,藝噴嘴進(jìn)入氣化爐反應(yīng)室,發(fā)生氣化反應(yīng)。無(wú)論是中表2中的數(shù)據(jù)對(duì)于廢鍋流程同樣具有代表性。根據(jù)表心氧還是水煤漿及外氧的流通面積均需要滿足各自2還可以得出單臺(tái)氣化爐的一個(gè)生命周期(如下頁(yè)圖介質(zhì)的流量要求,在供應(yīng)壓力允許的情況下,力爭(zhēng)達(dá)2所示),在全爐耐火磚更換完畢之后,氣化爐開(kāi)始下到必要的混合和霧化效果。但中心氧的比例有一定限輪新的循環(huán)。下頁(yè)圖3為6臺(tái)氣化爐開(kāi)車(chē)情況下的制,一般為總氧量的8%-20%(體積分?jǐn)?shù)),最佳是12%示意圖,首先運(yùn)行1爐,以后每間隔60d,開(kāi)車(chē)運(yùn)行1左右,其余均作為外氧。由于噴嘴長(zhǎng)期處于高溫下臺(tái)氣化爐,直至6臺(tái)氣化爐全部開(kāi)車(chē)運(yùn)行。工作,易受到硫化腐蝕和固體進(jìn)料沖蝕,或者由于安不考慮其他工藝、設(shè)備、儀表引起的非計(jì)劃停車(chē)裝加工缺陷(如焊接質(zhì)量低、噴嘴頭不同心等),使噴僅考慮氣化爐本身的計(jì)劃停車(chē),本文分別計(jì)算了單臺(tái)嘴頭被扭曲,霧化程度變差,從而導(dǎo)致合成氣組成波爐、2臺(tái)爐、3臺(tái)爐、4臺(tái)爐、5臺(tái)爐和6臺(tái)爐,6種情況動(dòng)很大,氣化效率下降。因此,噴嘴的設(shè)計(jì)、制造安裝下項(xiàng)目生命周期內(nèi)(20)的運(yùn)行工況。以6臺(tái)氣化爐及更換尤為重要。為例,計(jì)算過(guò)程如下:以“d”為單位,采用“逐點(diǎn)計(jì)算法”:從1爐開(kāi)始運(yùn)行的第1天進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算步長(zhǎng)水煤漿為365d,即往后計(jì)算至第365天,結(jié)果為第1組數(shù)據(jù);再?gòu)?"爐開(kāi)始運(yùn)行的第2天進(jìn)行計(jì)算,往后計(jì)算至第366天,結(jié)果為第2組數(shù)據(jù);以此類(lèi)推,計(jì)算至8N解820a,因此共有T=365×20=7300組數(shù)據(jù)。在這T組數(shù)據(jù)中,由于第1年為氣化爐陸續(xù)開(kāi)車(chē)階段,假定為非穩(wěn)定生產(chǎn)階段,因此除去前300組數(shù)據(jù),從第301組數(shù)據(jù)開(kāi)始到第7300組數(shù)據(jù)結(jié)束,共有7000組數(shù)據(jù)1—中心氧通道2—水煤漿通道3一外氧通道統(tǒng)計(jì)出最差工況、最優(yōu)工況,并對(duì)這7000組數(shù)據(jù)求4一水冷盤(pán)管5一冷卻夾套出平均工況。這里需要指出的是,整個(gè)氣化工藝是一圖1GE工藝噴嘴端部結(jié)構(gòu)示意圖個(gè)高度耦合的系統(tǒng),電氣故障、儀表故障、工藝失調(diào)以及其他原因均可能引起非計(jì)劃停車(chē)。與穩(wěn)定運(yùn)行相關(guān)2計(jì)算方法與討論的是可靠性,其考察的是生產(chǎn)的整體水平,而不僅僅關(guān)注高峰值。由于這里計(jì)算僅考慮氣化爐本身的計(jì)劃可靠性分析以概率論為基礎(chǔ),其計(jì)算結(jié)果帶有統(tǒng)停車(chē),因此計(jì)算結(jié)果是最大理論在線率。“逐點(diǎn)計(jì)算計(jì)性。盡管可靠性的計(jì)算缺乏確定的特性,但它能提法”適用性強(qiáng),對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量沒(méi)有限制,并且由于對(duì)表2工藝計(jì)算條中國(guó)煤化工噴嘴檢修噴嘴更換拱頂(渣口)耐火拱頂(渣口CNMH火磚開(kāi)車(chē)壽命/d時(shí)間/d磚時(shí)間(含烘爐)d耐火磚壽命/h時(shí)間(含烘爐)d壽命/h間隔/d90800042160002010年10月牛苗任等:GE水煤漿氣化爐在線率的計(jì)算與分析21正更正更正正更換拱頂正更正更正更正常換常換常和排渣口更換全爐氣化爐開(kāi)始耐火磚行嘴行耐火磚新的循環(huán)●●●圖2單臺(tái)氣化爐的生命周期●●●●●●[5爐]→●●●66如「爐上夏→●●●圖36臺(tái)氣化爐開(kāi)車(chē)情況示意圖每天都作為起始點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算,因此計(jì)算的工況最完整,統(tǒng)計(jì)結(jié)果最精確。取前3000組數(shù)據(jù)作圖,具有代表性的氣化爐運(yùn)行情況如圖4和圖5所示,可以看出,從第1年往后,氣化爐運(yùn)行有明顯的周期性。氣化爐燃燒室內(nèi)襯耐火材料的壽命是制約裝置運(yùn)行周期的關(guān)鍵因素。對(duì)于確定的裝置,氣化爐噴嘴和耐火磚八⌒的壽命是一定的,到期必須停爐更換,根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需要,合理安排開(kāi)車(chē)間隔天數(shù)對(duì)多臺(tái)氣化爐的運(yùn)行、計(jì)劃?rùn)z修等非常重要。050010001500200025003000計(jì)算組數(shù)/組3爐在線一☆-2爐在線一9-1爐在線x-0爐在線圖53臺(tái)氣化爐運(yùn)行情況凝200停車(chē)的統(tǒng)計(jì)事故發(fā)生概率為(1-P),P值由氣化工藝各子系統(tǒng)及設(shè)備故障發(fā)生概率的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)確定,與實(shí)際操作和管理水平等有很大關(guān)系。由于各臺(tái)氣化爐的運(yùn)行是相互獨(dú)立的,在任何時(shí)刻每臺(tái)氣化爐05001000150020002500300運(yùn)行的可靠性都為P,且只有正常和故障兩種情況,計(jì)算組數(shù)/組因此K臺(tái)氣化爐運(yùn)行的可靠性B滿足二項(xiàng)分布的2爐在線1爐在線x-0爐在線條件,可用式(3)進(jìn)行計(jì)算。K臺(tái)氣化爐運(yùn)行的實(shí)際可圖42臺(tái)氣化爐運(yùn)行情況用率Ax可用式(4)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)計(jì)算出的最大理論在線率,氣化爐的實(shí)際在Bxw=b(K, N, P)=CP(1-P)N-K線率可用式(2)進(jìn)行計(jì)算中國(guó)煤化工CNMH6(m, i p)I實(shí)際可用率=最大理論在線率×可靠性(2)設(shè)單臺(tái)氣化爐運(yùn)行的可靠性為P(0.8