燃氣輪機燃氣初溫設計依據(jù)及分析

張濤　李玉剛　朱鴻飛　曹煉博　周浩　徐澤鵬

摘要：管道天然氣的成分和特性因產(chǎn)地區(qū)域和季節(jié)的變化而不同，直接影響著燃氣輪機的運行安全和經(jīng)濟性能。本文主要針對天然氣溫度特性，分析天然氣溫降原因及影響，進而對燃氣電廠天然氣加熱設計依據(jù)進行了分析探討，進一步對天然氣加熱裝置進行了簡要分析。

關鍵詞：燃氣輪機;天然氣;加熱;性能分析

Design basis and analysis of initial natural gas temperature of gas turbine

Zhang Tao，Li Yugang，Zhu Hongfei，Cao Lianbo，Zhou Hao，Xu Zepeng

（GuoDian Science and Technology Research Institute，NanJing，210000）

Abstract：Composition and characteristics of pipeline natural gas would be changed for the different areas of origin and the seasons ，which directly affect the operation security and economic performance of gas turbine. According to the characteristic of natural gas temperature ， the paper analyzes the reasons and the? influence of the natural gas temperature drop ， and then gas heating design of the gas power plant and inlet gas heating devices have been discussed in this paper.

Key words： Gas turbine，Natural gas ;Heating; performance analyze

引言

隨著我國能源結構調(diào)整和節(jié)能環(huán)保的要求，特別電力體制改革和天然氣價改的不斷深化下，高效清潔環(huán)保的天然氣發(fā)電受到越來越多的關注。根據(jù)規(guī)劃，2020年天然氣在我國一次能源消費中的比重要達到10%以上，利用量將達到3600億立方米，成為未來我國能源革命的重要引擎。隨著天然氣占中國一次能源消費比重不斷提高，以及發(fā)展天然氣發(fā)電的重要意義日益凸顯，未來我國天然氣發(fā)電前景廣闊[1]。

當前，我國燃氣電廠的燃料來源主要為管道氣，較少部分采用液化天然氣（LNG）。管道天然氣的成分和特性因產(chǎn)地區(qū)域和季節(jié)的變化而不同，直接影響著燃氣輪機的運行安全和經(jīng)濟性能。GE、西門子三菱等不同燃機主機主要采用熱水或電加熱，使得天然氣溫度滿足一定的要求。文獻[2]研究利用中壓給水經(jīng)省煤器后廢熱提升燃氣溫度，溫度升高至185℃滿足燃機進氣安全的同時提高了燃機效率。文獻[3]介紹了國內(nèi)多種管道天然氣加熱技術存在的不足，研發(fā)出基于天然氣水合物生成臨界溫度的自動調(diào)控模式的全預混浸沒燃燒天然氣加熱裝置。文獻[4]利用模擬對西門子某型號燃機燃氣預熱溫度變化對聯(lián)合循環(huán)性能的影響進行分析，隨著進氣溫度提升，燃機效率和聯(lián)合效率提升，排煙溫度下降。文獻[5]針對LM2500 G4燃機，將天然氣加熱至80℃時技術經(jīng)濟性能最優(yōu)，在提高分布式能源系統(tǒng)的綜合能源利用率的同時，提高了機組運行的經(jīng)濟性、可靠性及安全性，有效防止了低溫腐蝕。燃氣電廠實際應用表明，不同型號燃機對天然氣的初溫要求不同，但國內(nèi)外對燃機天然氣進氣加熱應用研究較少。為此，本文從燃機天然氣進氣要求著手，分析了天然氣溫度特性以及天然氣溫降原因及影響，進而對燃氣電廠天然氣加熱設計依據(jù)和進氣加熱裝置進行了簡要分析研究。

1 燃機對天然氣進氣特性的要求

1.1 燃機天然氣進氣要求

重型燃氣輪機能夠適應種類廣泛的氣體燃料。由于氣體燃料中含有不同的活潑或惰性成分，從而使得這些氣體燃料有著較寬的特性范圍。為了能夠滿足燃機安全可靠的運行要求，一般對燃料的物理特性、成分以及雜質的范圍都有嚴格的限定[6]。

（1）氣體燃料壓力。壓力要求與隨機組燃燒室的類型有關，應控制壓力的波動以滿足燃燒穩(wěn)定。

（2）溫度。氣體的溫度隨壓力以及外界環(huán)境變化，但應滿足一定的過熱要求避免結露，同時滿足不同機組燃燒室的入口溫度要求。

（3）低位發(fā)熱量。對于不同的燃料系統(tǒng)， 可使用的燃氣熱值取值范圍是不同的。故對于某一固定的燃料系統(tǒng)， 為了保證穩(wěn)定燃燒， 熱值的取值需在一定的范圍內(nèi)。

（4）燃料的清潔度?？刂茪怏w燃料中固體顆粒以及雜質含量，特別不允許氣體燃料含有液體。

1.2 天然氣溫降原因及影響

天然氣溫度一方面受季節(jié)性影響，另一方面天然氣從主要管路進入支管系統(tǒng)，直到燃氣輪機燃氣控制模塊前要經(jīng)過一系列的減壓站，經(jīng)過每一次減壓，由于Joule-Thompson作用（如式1），天然氣也將降低溫度。

式中， 為J-T系數(shù)。真實氣體節(jié)流后溫度變化將決定氣體的性質和所處的狀態(tài)，當 >? 時， >0，節(jié)流時溫度降低，降溫幅度約為5.6℃/Mpa。通過燃氣電廠燃料速比閥和控制閥時減溫幅度最大。

天然氣中可冷凝的較高碳氫化合物通常為高于戊烷（C5）的碳氫化合物以及天然氣中水蒸汽會因為天然氣溫度低于露點生成液體。另外，在高壓燃氣管道中存在過份水時會與甲烷和其它碳氫化合物結合形成結晶物質-燃氣水合物，包括在燃氣溫度低于均衡水合物成溫度時的冷凝物，嚴重影響燃氣輪機的安全穩(wěn)定運行。

（1）液態(tài)碳氫化合物進入燃氣輪機的燃料系統(tǒng)和燃燒設備，會導致放熱率失控和熱通道部件的損壞。

（2）暴露在壓氣機的排放中少量的碳氫化合物液體，會因高溫自燃造成預混燃氣的先期點火，發(fā)生“逆火”的現(xiàn)象。

（3）氣體流中會因燃氣水合物顆粒堵塞燃料噴嘴，導致從噴嘴到噴嘴和燃燒室到燃燒室的燃料分配不均，引發(fā)燃燒波動，同時還可能導致燃氣支管之間的燃料流分開偏移導致引發(fā)自燃和逆火。

2 天然氣露點的確定

2.1天然氣水露點的確定

天然氣中一種氣體混合物，主要成分是甲烷，但也含有從C2直至C14的碳氫化合物，水分等其他化合物。在一定壓力下，水蒸氣分壓對應于某溫度下水的飽和蒸氣壓，該溫度為給定壓力下天然氣的水露點。GB 50251-2003規(guī)定：“管輸天然氣在管道最高運行壓力下的水露點至少比管道周圍最低環(huán)境溫度低5 ℃，在管道最高運行壓力下的烴露點不得高于管道周圍最低環(huán)境溫度”。如果管輸天然氣的運行溫度高于天然氣水露點，氣體將處于未飽和狀態(tài)，管內(nèi)無液態(tài)水析出;反之氣體將過飽和，將析出液態(tài)水。因此，水露點是天然氣管道運輸中非常重要的氣質參數(shù)。

根據(jù)GB 22634-2008《天然氣水含量與水露點之間的換算》以及諸多學者研究表明[7-11]，采用SRK狀態(tài)方程以及基于SRK 狀態(tài)方程計算的水在氣相中逸度計算天然氣的含水量和水露點，如公式2和3。計算得到，壓力范圍為0.5MPa? p? 10MPa，露點溫度范圍為-15℃ t? 5℃;由水含量計算水露點的不確定度 2℃。壓力擴展范圍10MPa? p? 30MPa時，露點溫度范圍5℃ t? 40℃。

式中，-a/Vm2為考慮到分子間吸引力，引入壓力校正項;b為體積補償參數(shù); 和 分別為水與氣體組分的物質的量濃度; 為SRK 狀態(tài)方程中描述水分子尺寸的參數(shù)， 為SRK 狀態(tài)方程描述混合物分子間吸力的參數(shù)。? 為SRK 狀態(tài)方程描述混合物分子尺寸的參數(shù)，采用Reid 提出的混合規(guī)則計算;A和B為計算SRK狀態(tài)方程壓縮因子的中間參數(shù); 為計算混合物分子間吸力的中間參數(shù);p為系統(tǒng)壓力，Pa。

2.2 天然氣碳氫露點的確定

碳氫露點是指在某一壓力下，碳氫化合物這一組分從氣體混合物中，由氣相開始冷凝為液相時的溫度。發(fā)生冷凝時的最高溫度和最大壓力通常稱為這臨界凝析溫度和臨界凝析壓力。碳氫化合物的露點是氣體壓力及氣體組成的函數(shù)，這一點與氣體的水露點完全不同。天然氣相態(tài)曲線具有反凝析現(xiàn)象，在中間壓力時烴露點具有最大值，如圖1所示。

研究表明冷卻鏡面測量碳氫露點的方法所得到的結果最準確可靠。方法原理是，鏡子裝在壓力容器中并在管道壓力下暴露于氣流中，鏡子逐步冷卻直到在這鏡子的表面開始出現(xiàn)冷凝小滴。根據(jù)鏡子表面上小滴的性質快要測出水分和碳氫化合物兩個獨立的露點。這種測量提供露點的直接讀數(shù)而無需作出修正。

3 天然氣加熱設計分析

3.1加熱設計理論依據(jù)

天然氣的溫度應該能滿足燃機氣體燃料模塊（FG1）進口處的設計燃料溫度的要求。氣體燃料加熱和供應系統(tǒng)首先應能補償通過系統(tǒng)產(chǎn)生的熱損失保證燃機的安全運行，同時可以提高燃機燃燒性能。

過熱度是氣體燃料溫度及其各自的露點之間的溫度差，規(guī)定過熱度要求保證有足夠的裕度來補償由于氣體燃料膨脹引起的溫降，確保供給燃氣輪機的氣體燃料完全不含液體。

過熱度要求考慮了氣體溫降和相對氣體燃料壓力的濕氣與碳氫化合物露點線之間的關系，以及氣體燃料通過控制閥的膨脹比率，因此表述為在氣體燃料控制系統(tǒng)入口氣體燃料壓力的函數(shù)。防止碳氫化合物凝結的過熱度Tsh要求和防止生成濕氣的過熱度Tsm要求計算式如下，

式中，Pgas為燃氣輪機控制系統(tǒng)入口的氣體燃料供給壓力，KPa。在燃氣輪機的燃料供給壓力下，兩者都可以確定并分別加上各自的露點（濕氣和碳氫化合物）。兩者的過熱度加上露點后，較高的那個值就確定了滿足過熱度要求所需的最低氣體燃料溫度。

在燃機指定的冷態(tài)和熱態(tài)運行模式期間，氣體燃料加熱系統(tǒng)將使燃料溫度達到并保持在相當于修改的Wobbe 指數(shù)（MWI）目標值的±5%以內(nèi)。修改的Wobbe 指數(shù)由測量燃料體積能量計算與燃料溫度和低熱值（LHV）有直接關系。修改的Wobbe 指數(shù)按下式推導，

式中，MWI為修改的Wobbe 指數(shù)（經(jīng)溫度校正）;LHV為燃料的低熱值（BTU/SCF）;Tg為絕對溫度;SG為在ISO 條件下，燃料相對于空氣的比重。

3.2 天然氣加熱裝置

為了保證供氣溫度滿足燃氣輪機運行以及不腐蝕管道和設備的要求， 需要對天然氣進行加熱。以下從設備和運行維護上對主要的三種基本類型的加熱器簡要介紹。

（1）電加熱器。電加熱器是一種使用安裝最為方便的燃料加熱器[12-13]，通過簡單控制系統(tǒng)可以把出口溫度維持在一個恒定溫度上或者在燃料流量發(fā)生變化時在該設備的功率范圍內(nèi)保持升溫穩(wěn)定。由于使用的所有電轉化成了熱并用來升高燃氣溫度，熱效率接近100%。

電加熱器結構簡單緊湊，加熱部件可容易地進行更換并且不需要中間轉換液體，維修成本相對較低。由于天然氣調(diào)壓站屬于防爆區(qū)域，電加熱器需要選用防爆型，造價較高，同時，由于電耗較高所以它的運行成本最高。

（2）水浴爐加熱器。水浴爐是集熱水鍋爐和換熱器為一體的設備， 由爐本體及燃燒器等組成。它利用除鹽水為中間熱質傳熱，吸收火筒中燃燒天然氣產(chǎn)生的熱量，傳遞給盤管內(nèi)的天然氣，達到加熱天然氣的目的。水浴爐燃燒器需要的天然氣壓力一般在0.2MPa， 因此需要配置一套天然氣減壓單元以滿足水浴爐的需求。由于天然氣降壓幅度大， 當天然氣溫度過低時， 無法達到水浴爐燃燒的要求， 還需要配置一臺電加熱器， 使天然氣溫度達到點燃水浴爐和穩(wěn)定燃燒所需的溫度，運行成本高且系統(tǒng)復雜，投資成本也高。

（3）余熱加熱器。以燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)過程中比較容易獲得的低品味能源為熱源，，比如鍋爐省煤器中抽取的熱水或者是全廠循環(huán)開式水的回水等等，通過管殼式換熱器對天然氣加熱，這種換熱方式運行可靠。該類型加熱器的系統(tǒng)配置簡單，造價低，運行經(jīng)濟以及可以提高全廠的總熱效率受到廣泛的應用。

4 結論

（1）從天然氣的溫度特性入手，分析了天然氣溫度降低的原因。溫度較低時產(chǎn)生的碳氫化合物和冷凝物等導致放熱率失控、熱通道部件損壞、逆火、自燃等危害燃氣輪機燃燒通道現(xiàn)象，影響燃氣輪機的安全穩(wěn)定運行。

（2）從理論和實際應用角度闡明了燃氣電廠應對天然氣溫度降低和提高燃燒性能的設計依據(jù)和應對措施，對指導實際應用具有重要的意義。

（3）介紹了電加熱器、水浴爐加熱器和余熱加熱器等三種基本類型加熱器。指出利用燃氣電廠容易獲得的低品味能源為熱源，在滿足天然氣加熱的同時，可以有效提高全廠的總熱效率。

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