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陈佩;杨晶晶
【摘 要】简述用于燃气轮机的常见中低热值燃料气并列举了对应中小型燃气轮机机型,具体介绍了中低热值中小型燃气轮机及余热利用主机选型方案过程中的根本思路、局部留意事项,.
【期刊名称】《燃气轮机技术》
【年(卷),期】2025(032)002
【总页数】5 页(P14-18)
【关键词】中低热值;中小型;燃气轮机;选型
【作 者】陈佩;杨晶晶
【作者单位】杭州汽轮机股份,杭州 310022;杭州汽轮动力集团, 杭州 310022
【正文语种】中 文
【中图分类】TK472
1 中低热值燃料气
依据燃料气不同数值的发热量，习惯上可分为低、中、高热值燃料。发热量大于
MJ/m3(标准状况下，下同)的为高热值燃料，发热量在 ～ MJ/m3 范围的为中热值燃料，发热量小于 MJ/m3 的为低热值燃料[1]。常规
自然气属于高热值燃料，而中低热值燃料气种类繁多，工艺源头各异，在多个工业
领域均有产生，如钢铁厂、煤化工、石油化工、垃圾处理等各工业环节。工业上这些燃料气多为副产气，在工艺流程利用之余，有些则承受传统锅炉燃烧甚至直接燃烧排空等方式，这种利用方式环保性较差的同时能量利用效率也不高。随着环保要求、能量梯级利用的要求越来越高，国内已有不少企业选择承受适宜的中低热值燃气轮机进展发电(供热)。
相对于自然气燃料热值较低较小众的且可能应用于燃气轮机的燃料气主要有焦炉煤 气、生物质气、煤气化合成气、高炉煤气等。其中，焦炉煤气是炼焦工业的副产品， 国内焦炉煤气除了可以用作化工原料(可用来制氢、制甲醇等)，由于其热值较自然
气属中热值燃料气，所以还可用作燃料气，鉴于其工艺流程，净化要求相对较高， 需充分净化后供发电设备利用。生物质气是以动植物等含有生物质体的原料转化成的可燃性能源。一种是原料在高温下热解或气化分解过程产生的低热值燃料气，不同的气化方式、气化原料、气化剂都会导致产生的生物质气成分和热值不同，如玉米芯气化产生的生物质气热值为 5 kJ/m3，麦秸气化产生的生物质气热值为
3 kJ/m3[2]；另一种是原料在厌氧条件下产生的沼气，不同条件产生的沼气组分参数也有明显差异。煤气化合成气是在气化炉中生成的合成气，假设以氧气为气化剂的状况下，合成气的热值在 ～ MJ/m3 范围[3]；假设以空气为气化剂时，合成气的热值将低于 MJ/m3[3]。该合成气应用于燃气轮机循环时被称之为“整体煤气化联合循环发电系统”。高炉煤气则是钢铁厂高炉炼铁的副产煤气之一，其热值较前述燃料气更低，属典型的低热值燃料气。
中低热值中小型燃气轮机机型列举
燃料气发电装置主要有三种：汽轮机、燃气内燃机和燃气轮机。目前国内汽轮机厂家较多，对应技术也相对较成熟，但整个系统需配置对应燃料气锅炉，总体发电工艺较简单，也存在建设周期长、总体能源利用效率低，耗水量大等缺乏之处；燃气
内燃机具有效率相对较高，投资相对低等优点，但不适用于电、热(蒸汽)联供以及
发电功率需求较大的场合；而燃气轮机与前两种发电装置相比，尽管设备一次性投 资本钱稍高，但是具有设备紧凑占地面积少、联合循环效率高、机动性好、耗水少、环保性佳等优点，如 CCPP(燃气-蒸汽联合循环)节能环保效果显著，其较常规锅炉机组的 NOx 排放量降低了 40%，粉尘排放降低了 50%[4]。
几大燃气轮机厂家的燃气轮机产品中，可燃用中低热值特别燃料的机型和应用案例较其常规自然气机型都要少很多，属小众机型。表 1 中列举了各燃气轮机厂家的中低热值燃料中小型燃气轮机机型及参数，且机型名称多与对应自然气机型保持全都。
表 1 中低热值燃料中小型燃气轮机机型列举燃气轮机厂家机型单机出力/MW 单机效率/%杭汽/三菱 —南汽/GEPG6581B- 三菱日立H25(32MW)++ 株洲南方
株洲南方/西门子 QDR70/(SGT-200) 株洲南方/西门子QDR129/(SGT-400) 索拉 索拉
注：上述参数摘自各燃气轮机厂家产品宣传资料。上表中 M251s 燃气轮机出力值为扣除煤压机功耗后的燃气轮机出力值。除 M251s、PG6581B 机型外，上表中其余机型的性能参数均为基于自然气燃料、ISO 工况下的根本性能参数。
M251s 和 PG6581B-L 机型属低热值燃气轮机机型。其中由杭汽与三菱合作生产的低热值 M251s 机型(单机功率属 40 MW 等级)参数为 ISO 工况下基于低热值 3 141 kJ/m3 高炉煤气混合燃料气条件下的性能参数，由于该燃气轮机固有系统配置煤气(燃料气)压气机通过齿轮箱连接在主轴上，直接耗用燃气轮机输出功率，所以 MW 的出力值并非燃气轮机全部输出功，而是扣除煤压机功耗后的燃气轮机出力值，对应的单机效率也不再在表中列出。值得一提的是，该机型支持零值班燃料运行模式，节约业主本钱的同时也降低了燃气轮机因喷嘴堵塞等缘由导致的跳
机率。由南汽与 GE 合作生产的低热值 PG6581B-L 机型参数则是 ISO 工况下基于
低热值 5 577 kJ/m3 高炉煤气混合燃料气条件下的性能参数。这两款机型应用案例多为钢铁厂充裕高炉煤气利用工程，目前在国内已有不少数量的机组投运使用， 如太钢的高炉煤气燃气轮机工程(承受 M251s 机型)、济钢燃气发电工程(承受PG6581B-L 机型)等。三菱日立的中低热值 H25(32 MW)机型，适用于如焦炉煤气等中低热值燃料气，该机型属于典型的重型燃气轮机，国内应用案例如景源热电厂 COG 热电联产工程。GE 的中低热值燃气轮机机型 LM2500+、LM2500+G4 也可燃用焦炉煤气等中低热值燃料气，这两款机型则属典型的轻型机，且在国内也已有市场应用，如河南利源的 COG 工程(承受 LM2500+燃气轮机机型)、江苏天裕能源化工集团的焦炉煤气燃气轮机发电工程(承受 LM2500+G4 机型)。较前述机型出力相对较小的中低热值燃气轮机机型还有株洲南方的 QDR20，以及其与西门子合作成套的 QDR70(主机为西门子燃气轮机机型 SGT-200)、QDR129(主机为西门子燃气轮机机型 SGT-400)，在国内已有局部应用案例，如河南天冠工业沼气公司的生物沼气利用工程等。小型中低热值燃气轮机机型还有索拉公司的 T130、T60 机型，尤其是 T130 机型，属成熟机型，其在国内的焦炉煤气行业已有超过35 台的应用案例。
中低热值燃气轮机选型
燃气轮机与汽轮机不同，并非“定制产品”，而是“固有产品”。用户需依据工程实际状况来选择市场上可匹配的燃气轮机设备。
燃料气条件
中低热值燃料气的燃气轮机选型过程尤其需留意机型所适用燃料气的根本要求，如燃料的供给是否稳定且持续，流量、组分及热值等参数是否符合机型要求等等，但往往中低热值特别燃料气由于工艺过程等缘由导致不同燃料气之间差异较大，所以在燃气轮机选型过程建议供给主机厂工程对应的燃料气组分、流量、压力等根本参
数，以推断是否与所选现有机型匹配。同时可以兼顾了解该机型对燃料气的某些特
殊要求，如 M251s 燃气轮机由于辅机系统承受电除尘器对主燃料进展除尘，因而对燃料气中的含氧量是有明确的限定值要求(电除尘器中燃料气的含氧量过高易发生爆炸，故含氧浓度有严格要求)。
燃气轮机单机性能
中低热值机型往往多基于自然气标准机型的设计演化而来，尽管各厂家改型设计方案不尽一样，但由于中低热值的燃料量较以自然气为燃料的状况将大幅增加，为协作增大的燃料流量，压气机和涡轮局部需重匹配，所以基于自然气机型改型而成的中低热值燃料燃气轮机尤其是低热值燃气轮机有一个改型思路特点就是承受“小压气机大透平”[5]，即在压气机设计不变的状况下，需增大透平的通流力量；在透平设计不变的状况下，需通过削减压气机通流力量以实现压气机和透平的重匹配。同时，由于中低热值燃料的热值、组分与自然气差异较大，这将导致燃烧特性发生很大变化，燃烧室局部也将进展局部设计调整。如 GE 的 9E 低热值燃气轮机较对应自然气机型的压气机局部保持不变，主要调整燃烧室的设计、扩大透平第一级通流面积；三菱的 M251s 低热值燃气轮机则将透平局部保持不变，主要调整燃烧室的设计、削减压气机叶片高度以削减空气流量。
与自然气燃气轮机类似，中低热值燃气轮机机型对应不同的燃料气时，其性能参数将会有不同程度的变化。表 2 以某中低热值燃气轮机机型在 ISO 工况条件下的单机性能参数为例。
表 2 某中低热值燃气轮机性能参数表燃料气燃料热值/(kJ·m-3)燃料量/(m3·h-1)燃
机出力/MW 沼气 26 热解气 18 燃料气燃机
热耗/(kJ·kW-1·h-1)燃机排烟温度/℃燃机排烟流量/(kg·h-1)沼气 10
992 热解气 10 382
从表 2 中可以看出，该机型在燃用不同热值燃料即沼气和热解气时，在同等大气
条件下，燃料量随着热值的大幅降低而大幅增加，燃气轮机出力、热耗率、排烟温
度及流量并没有消灭大幅变化。一般在工程前期阶段进展中低热值燃气轮机选型时， 在确认燃料气等条件根本适用的状况下，可参考其他燃料气条件一样机型的性能参 数(由于大气条件尤其是气压条件对燃气轮机的性能影响较明显，所以同时需兼顾
考虑工程现场的大气条件)，对燃气轮机单机性能进展简洁估算，结合工程实际需求，以初步确认可能适用机型。但实际上，由于各中低热值机型在承受不同燃料条件状况下，其性能参数并不存在明确的线性变化规律且存在较大的个体差异，所以在基于简洁估算后明确意向机型的状况下，仍需通过对应主机厂对工程实际条件下的机型性能参数进展具体计算以确定工程所需燃料气量、燃气轮机性能参数，然后再将燃气轮机的排烟条件参数用于后续整个联合循环具体性能方案计算、经济性分析等，以评价燃气轮机的选型是否合理、是否符合工程要求。需留意，同等功率等级的机型，并非单机效率越高越好，由于在燃气轮机初温值接近的状况下，联合循环中的余热锅炉和汽轮机循环效率、蒸汽参数将处于低状态[6]，所以对应用于联合循环工程的燃气轮机的选型是联合循环主机设备选型的根底。
燃气轮机配套余热锅炉和汽轮机
按我国目前的资源安排现状，燃气轮机工程多以联合循环为主，中低热值燃气轮机 工程的燃料气很多状况为副产气，尽管其本钱较常规自然气工程低，但是联合循环 由于其高能量利用率仍是多数燃气轮机用户的选择。对联合循环燃气轮机工程而言， 机组的整个联合循环性能(供电、供热力量)才是衡量主机选型是否成功的标准之一， 所以对燃气轮机初步选型后，必需对下游的余热锅炉、汽轮机性能进展计算，以评 价主机选型的合理性。针对中低热值燃气轮机工程，燃气轮机配套的余热锅炉、汽 轮机选型与常规自然气燃气轮机联合循环工程类似。即依据实际工程具体状况，考 虑“消耗充裕燃料气”、“以热定电”、“以电定热”等需求，评估不同机型不同 的供电、供热力量，一样机型、不同的联合循环方案的供热、供电力量。在热、电
量需求明确的状况下，计算整个联合循环的产汽、发电力量，在此根底上，依据项
目要求可再对方案进展优化细化。需留意，局部工程有热电比和总能源利用效率要求，选型方案则需兼顾考虑(如《分布式供能站设计标准》要求年平均综合能源利用效率大于 70%)。
其他
在联合循环配置方案根本确定后，需对方案进展经济性分析。在此根底上，再综合燃气轮机关心系统、公用介质、环保(噪声)因素、维护检修、厂址条件、有毒有害气体的安全问题等众多因素进展综合方案考虑。如 M251s 燃气轮机为确保输入燃气轮机燃烧室的燃料纯洁度和压力，燃气轮机关心系统中配置湿式电除尘器、燃料煤气压缩机对燃料煤气进展净化除尘、加压；同时，由于低热值燃料在燃气轮机低负荷等运行状况下格外不稳定，燃气轮机启动或停机工况一般需要切换至中高热值燃料运行，所以辅机系统还需配置值班燃料气系统以应对低热值燃料局部工况不能稳定燃烧的状况。
某焦炉煤气燃气轮机工程燃气轮机选型实例简析
燃气轮机工程在工程前期阶段进展主机选型，最根本的输入条件就是工程地点的气候条件(大气温度、压力、湿度)、燃料气条件(组分、流量、温度、压力)以及根本热电需求等，这些输入条件将确定对应燃气轮机机型的计算性能参数。
以某焦炉煤气燃气轮机工程燃气轮机选型过程为例，用户现有充裕焦炉煤气 8
000～10 000 m3/h，依据对应燃料组分得到燃料热值为 17 685 kJ/m3，工程需求为充裕煤气利用，以供电为主兼顾工业用蒸汽要求(450 ℃、 MPa)。在工程较前期的主机选型阶段，由于该工程以利用充裕焦炉煤气的要求为主，可依据燃料气的流量、组分热值状况及现有焦炉煤气机型的大致燃料耗量状况，初步考虑可配置一台中低热值燃气轮机 QDR129(SGT-400)或一台中低热值燃气轮机 T130 或两台中低热值燃气轮机 QDR70(SGT-200)，从机组建设本钱或单机效率角度，该项
目的初步方案优先考虑承受一台燃气轮机的方案。QDR129(SGT-400)、T130 这
两款机型属同等功率等级的竞争机型，工程所在地的大气温度、湿度与 ISO 条件较接近，由于有肯定的海拔高度，大气压值较标准大气压值稍低，所以可以简洁预估这两款燃气轮机的单机出力将可能分别稍低于 MW 和 15 MW，对应燃气- 蒸汽联合循环的出力将低于 22 MW，发电量符合该工程自发电自用的要求。在此根底上，首先向对应厂家确认现有燃料组分是否符合对应燃气轮机的燃料要求，其次基于一样的输入条件比照各厂家供给的单机性能方案，以及其业绩状况、根本报价等。在明确各燃气轮机根本性能参数后，再对其联合循环的性能参数进展计算分析比照。
表 3 为其中一款燃气轮机机型基于该工程现场大气条件下的燃气轮机排烟参数及对应余热锅炉的产汽、汽轮机的发电方案。依据该工程 450 ℃、 MPa 的工业用蒸汽参数要求，且兼顾初选的燃气轮机机型在工程大气条件下对应的排烟温度， 暂选择蒸汽参数为 452 ℃、4 MPa 的余热锅炉，同时为了更大程度利用燃气轮机排烟余热，余热锅炉承受双压余热锅炉，低压蒸汽参数暂为 210 ℃、 MPa。在要求发电量最大的极端状况下，全部余热利用蒸汽驱动汽轮机发电，汽轮机出力为 MW；在要求供汽量最大的极端状况下，则中压蒸汽全部直接用于供热；计算结果形成整个联合循环最初步的性能方案。随着工程的进展，方案仍需不断优化以提高联合循环总体性能(发电、供热力量)。由于这个工程以充裕焦炉煤气利用为主，并无明确的供热量、发电量要求，所以除了燃气轮机联合循环的性能水平外， 方案对应的经济性水平也很大程度打算了该工程燃气轮机选型结果。基于联合循环性能和经济性分析，比照两款主机机型，初步确定意向机型，再对工程其他可行性条件如焦炉煤气燃料气净扮装置及压缩装置的配置、工程公用介质等等一系列工程条件进展工程前期可行性综合分析。
表 3 某焦炉煤气燃气轮机工程余热锅炉产汽、汽轮机发电参数示意表 a) 初选燃气
轮机机型排烟参数排烟温度/℃排烟流量(t·h-1)
双压余热锅炉参数中压蒸汽温度/℃中压蒸汽压力/MPa 中压蒸汽量/(t·h- 1) 低压蒸汽温度/℃低压蒸汽压力/MPa 低压蒸汽量/(t·h-1)
凝汽式蒸汽轮机参数蒸汽温度/℃蒸汽压力/MPa 蒸汽流量/(t·h-1)低压补汽温度/℃ 低压补汽压力/MPa 低压补汽流量/(t·h-1)汽机出力
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假设该工程可匹配功率等级更高或排烟温度更高一些的燃气轮机机型，则可考虑采 用余热锅炉产生更高温度压力等级参数的蒸汽，此时该工程所需的中压蒸汽则可考 虑从抽凝式汽轮机直接抽汽的方案。此外，对电少热多的热电极不匹配的工程状况， 可考虑常规燃气轮机、补燃余热锅炉、汽轮机的配置方案；或在常规燃气-蒸汽联
合循环根底上增设小锅炉的方案。燃气轮机联合循环的匹配方案格外敏捷，对总发 电、供热性能和经济性水平的影响也格外显著，是燃气轮机选型过程需重点关注的。5 结语
通过承受中低热值燃气轮机等相对高效的动力装置，是合理、高效利用充裕中低热 值燃料气的重要解决途径之一。本文列举介绍了常见中低热值燃料以及可燃用中低 热值燃料的中小型燃气轮机机型，重点介绍了中低热值中小型燃气轮机工程主机选 型过程中需关注燃料气条件、燃气轮机单机性能参数、联合循环性能水平、方案经 济性及其他可行性因素，对应用于联合循环的燃气轮机的选型将影响余热利用方案， 整个联合循环的性能方案、经济性水平也将验证燃气轮机选型的合理性，并以某焦 炉煤气燃气轮机工程初期选型实例为例进展简析。本文为意向用户在工程前期的中 低热值燃气轮机选型供给参考。
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