聯(lián)合循環(huán)電站燃用重油機組特點分析

徐繼明+張磊+郭星

【摘 要】 重油作為一種相對廉價的燃料，本世紀初期在燃氣一蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組中得到了廣泛的應用，雖然，近年來由于燃油價格的上漲限制了其發(fā)展空間，但是，對于中亞及非洲等煉油技術相對較低地區(qū)，重油的產出率仍然較高，在上述地區(qū)既缺電又有充足的重油燃料，燃重油的燃氣一蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組仍有較為廣闊的發(fā)展空間。重油一般是由渣油與重柴油混合制成，其特點是粘度大并且含有由硫、鉛、鉀、鈉、鈣、鎂、鐵、釩、鋅等元素的化合物組成的灰份，重油燃料的使用雖然降低了燃氣輪機的運行成本，但同時帶來了燃燒、結垢、腐蝕等一系列問題，對余熱鍋爐（HRSG）的尾部受熱面也帶來了嚴重的低溫露點腐蝕問題。

【關鍵詞】 聯(lián)合循環(huán)電站 重油 重型燃機 特點分析

在我國境內經設計院設計燃用重油的燃機項目主要有：汕頭、惠州、深圳南山等電廠共計20多個項目40多臺套PG9171E（9E）或PG6581B（6B）級燃機電站。雖然后期多數(shù)機組因為國內燃料重油價格大幅上漲等原因改為燃用液化天然氣調峰機組，但機組在最初燃用重油時運行情況良好，出力等各項指標均能符合設計要求。國際市場上一些國家仍將重油作為燃機的主要燃料之一。蘇丹吉利二廠聯(lián)合循環(huán)電站設計時為重油與石油液化氣雙燃料運行，但由于種種原因，自2003年投運以來目前仍以重油為主要燃料運行，目前出力等運行指標均十分可靠，運行穩(wěn)定。另外一個重油與天然氣雙燃料燃機電站——巴基斯坦濱佳勝500MW燃機電站（PG9171E機組）已于2012年投入商業(yè)運行，目前該項目重油處理設備運行狀況良好，機組已通過業(yè)主認證，重油仍為重型燃機項目可選燃料之一。

本文將針對非洲某項目燃用重油燃料的燃機可行性及相關特點做簡單分析。

1 燃油成分中的金屬元素及其粘度對燃機燃燒系統(tǒng)的影響

按GE公司液體燃料規(guī)范要求，重型燃機的燃料在進入噴嘴前的粘度要小于20CST，就本工程項目而言，重油100℃時的粘度大于20CST，故設計時考慮選擇專業(yè)化重油前處理設備并同時要求燃油管道伴熱溫度相應提高，可使燃油通過加熱撬后加熱到125℃后，粘度降到20CST以內，滿足噴嘴霧化條件。PG6581B（6B）等級重型燃機燃油系統(tǒng)的最高允許加熱溫度為135℃，可見本項目業(yè)主提供的重油品質適用于該類燃機。

燃油溫度的提高也會帶來燃油系統(tǒng)部件老化、變形甚至是滲漏等負面影響，需加強運行維護監(jiān)測。

重油中金屬釩一般為16.2～19.8mg/L，是原油的10～20倍。金屬釩在高溫狀態(tài)下會對燃機熱通道及動葉產生高溫腐蝕；而釩在油處理裝置中不能被水洗分離，因此運行中需按鎂釩比3∶1的比率注入鎂基化合物（抑釩劑）。通常燃用重油需注入大量的抑釩劑，不僅運行費用大幅提高，而且如果抑釩劑質量欠佳或運行處理不當，會在燃油中形成一定的顆粒，燃油分配器堵塞卡澀，燃油逆止閥泄漏的機會也將隨之增加。

以上兩點是本項目燃機燃用業(yè)主提供的重油后，在今后的燃機運行中可預見的主要影響。當然，油處理脫鹽的不徹底性或抑釩劑效果不佳，燒重油比燒原油對燃機熱通道及動葉的結垢腐蝕程度要增加一些，均將導致燃機水洗與檢修周期相應略為縮短。

綜上所述，本項目重油燃機設備運行需注意事項如下：

（1）設置燃油加熱器以確保進入噴嘴前的重油溫度達到125～135℃，使燃油粘度小于20 CST。由于燃機與重油處理設備距離一般較遠，燃油前置泵出口油溫與燃機燃油選擇模塊的油溫已有一定的溫差，因此運行時要加強對選擇模塊就地溫度表讀數(shù)的監(jiān)視，以保證此溫度下重油的粘度真正小于20 CST。針對本工程項目重油粘度較大，重油處理方案考慮通過提高伴熱溫度，利用熱回收橇塊的熱回收以及燃油加熱器加熱，保證燃機入口重油粘度滿足燃機要求。（2）確保重油處理裝置出口重油的鈉鉀含量小于1 mg/L、含水量小于0.5%。重油含水量是燃機燃料要求的重要指標之一。重油處理裝置需配置保證可靠的含水量的自動報警裝置。當含水量超過0.5%的報警值時，已處理過的、不滿足含水率要求的燃料將會會自動打回未經處理的重油罐，重新進行處理。本項目業(yè)主提供的重油油質資料中未提供鈉鉀含量，根據以往經驗，重油燃料中不可能不含鈉鉀成分，在選擇重油處理模塊時按常規(guī)設置了用于脫鹽、水及雜質的注水橇塊和混合分離橇塊，保證鈉鉀小于1 mg/L并確保經過處理后的重油燃料含水量小于0.5%。（3）保證重油處理裝置的超濾模塊能夠正常運行。運行時注意對重油處理裝置超濾模塊的清洗。重油處理時務必使位于重油處理裝置廢水模塊后的超濾系統(tǒng)正常投運，使經過超濾系統(tǒng)的含油水洗水中的游離油含量降到10～15 mg/L，并排至油罐區(qū)污油池或地溝。

目前，重油處理設備主要分為靜電式和離心式兩種，技術成熟、業(yè)績較多的主要有韋斯伐里亞、阿法拉伐等生產廠家。經與重油處理設備制造廠家針對本項目業(yè)主提供的重油燃料分析資料精心研究，確定適用于本項目的重油處理組合方案。通過破乳劑添加橇塊、燃料熱回收橇塊、燃料處理加熱橇塊、洗滌水和工作水橇塊、洗滌水加熱橇塊、燃料/洗滌水混合分離橇塊、廢水處理橇塊組合運行后后，能夠保證本項目經處理過的重油鈉鉀含量小于1 mg/L的同時，確保含水量小于0.5%，而且，在燃油溫度升至125℃以上時，其粘度小于20 CST，滿足燃機設備廠家提出的燃料入口參數(shù)要求，可以保證燃機設備的安全穩(wěn)定運行。

2 燃用重油機組積灰的危害及改進建議

燃用重油的燃氣輪機組，煙氣中的灰份沉積在燃氣輪機透平通道表面和余熱鍋爐翅片管表面，按照以往運行電廠的經驗，灰份沉積會使機組出力約按0.04%/h速率下降，油耗率按0.03%/h左右速率上升，積灰是影響燃重油機組經濟性的一個重要因素。

2.1 積灰原因分析

重油灰份一般≤0.3%為合格，而輕柴油灰份≤0.02%，顯而易見，重油含有高于輕油十幾倍的灰份。

經過對重油燃料進行光譜分析和灰份分析對比，重油中所含的微量金屬元素約占灰份的75%。其中Na、K等可通過重油處理去除大部分。而不溶于水的元素仍殘留在燃料中，經燃燒生成的各種氧化物、硫化物和釩化物是燃氣灰份來源之一。但是，重油原灰份的含量，通常在0.1ml/L以下，其中部分灰份物質的熔點大大高于熱通道部分表面溫度而不易殘留在葉片表面，可以認為燃燒生成物不是主要灰源。

由于重油燃料中金屬釩經燃燒會生成低熔點（675℃）的釩化物（V2O5）。這種物質在葉片表面溫度條件下是熔融狀態(tài)，易沉積，且對合金材料有極強的氧化催化作用即高溫腐蝕，因此目前所有燒重油的機組均需向重油中加入含鎂的抑釩劑。期望利用鎂與釩燃燒生成高熔點（1156℃）、無腐蝕作用的釩酸鎂（Mg3V2O5）。

為保證反應充分，常規(guī)抑釩劑是按Mg：V=3～3.5的規(guī)范要求過量添加的。所謂過量是相對分子量計算而言。正由于鎂的過量，所以加有抑釩劑的重油灰分中除生成人們希望的Mg3V2O5外，還含有大量的MgO和MgSO4。

檢查燃機熱通道和余熱爐過熱器的翅片管束表面，不難看到沉積有大量的黃色結晶體。分析沉積物成分可知，鎂占絕對主導地位。美國RETROLITE—MOBILE公司進行葉片表面沉積物分析的報告也證明MgO約占62.8%，Mg3V2O5約占有37.2%。因此，為防止釩腐蝕而添加的抑釩劑是形成高溫熱通道部件表面積灰的主要灰源。

2.2 減少積灰的措施

2.2.1 盡量選擇低釩重油

上文提到熱通道表面積灰主要來源于過量加入的抑釩劑，那么降低積灰的首要措施就是使用低釩重油。重油含釩量越低，添加抑釩劑量越少，灰分自然減少。

2.2.2 選擇合適的運行方式

沉積在熱通道部件表面灰分的化學成分與熱通道部件表面溫度、重油硫含量以及鎂釩比有關。灰分主要化學成份為MgO，而MgO是不溶于水的，因此很難用水洗去除。但是，MgO較硬，采用熱脹冷縮的辦法卻易于破碎而脫落。因此建議燒重油的機組最好采用調峰方式運行，即每日起停。以便熱通道部件能冷熱交替循環(huán)去除MgO沉積物。

根據以往設計院設計的若干臺PG9171E（9E）級燃氣輪機燃用重油燃料的實際運行經驗，雖然每次葉片垢樣中均存在大量的MgO，但每次水洗機組基本都可恢復到預期出力。

2.2.3 定期水洗

目前燒重油后清除積灰恢復出力的辦法是水洗透平。水洗周期越短，機組年均出力越高，年均油耗率越低。

由于水洗必須停機冷卻后才能進行，因此水洗頻度越高，機組實際可運行時間將越短。其次排煙室除內襯板是不銹鋼件外，其余全為普通鍋爐鋼板。而水洗排水中含有極具腐蝕性的SO3，所以水洗將加速排煙室的損壞。這些都是制定水洗周期必須考慮的因素。值得注意的是機組運行方式不同，水洗周期也不盡一樣。以深圳南山電廠為例，電廠依據保持機組平均出力96%，平均油耗率1.03%，統(tǒng)計得出機組實際燒重油運行時間，確定燒重油運行200h左右進行一次水洗。

2.2.4 配備先進的余熱鍋爐吹灰設備

余熱回收是提高燃機電廠運行經濟性的必要手段。余熱回收裝置中的余熱鍋爐是決定回收率的關鍵設備。燒重油時沉積在余熱爐翅片管表面的灰分對余熱鍋爐的傳熱效果影響很大，余熱鍋爐必須配備能可靠工作的吹灰器，以盡量減少積灰對鍋爐蒸汽產量的影響。

余熱鍋爐蒸發(fā)量減少1%，聯(lián)合循環(huán)蒸汽輪機出力將丟失1%以上（不同流量下汽耗率不等）；余熱鍋爐蒸發(fā)量少1 t/h，聯(lián)合循環(huán)蒸汽輪機出力少250 KW以上（中壓或次高壓機組）。因此，余熱鍋爐必須配備能可靠工作的吹灰器，以盡量減少積灰對鍋爐蒸汽產量的影響。

總體來說，燃料來源穩(wěn)定，價格合理，運行時對設備按時維護和保養(yǎng)，加強檢測，以重油為燃料的燃機項目是可行的。針對本項目而言，其燃料來源穩(wěn)定，價格低廉，優(yōu)勢明顯，雖然本項目燃料重油粘度指標稍差，但經過充分考慮其粘度大等特點并科學合理選擇適用的重油處理設備模塊，進行有針對性地設計，處理后的重油各項指標完全完全可以滿足燃機燃料入口各項指標的要求，保證燃機安全穩(wěn)定運行。

參考文獻：

[1]屠建君.蒸-燃聯(lián)合循環(huán)機組燒重油運行經濟性分析[J].應用能源技術，1998（1）.

[2]侯曉東.燃重油燃機聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)HRSG的防腐設計及分析[J].余熱鍋爐，2004（3）.

[3]舒春展.重油燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)在中國電力發(fā)展中的地位及其優(yōu)化[C].全國火力發(fā)電技術學術年會，2003.