燃气轮机燃气初温设计依据及分析

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  摘要:管道天然气的成分和特性因产地区域和季节的变化而不同,直接影响着燃气轮机的运行安全和经济性能。本文主要针对天然气温度特性,分析天然气温降原因及影响,进而对燃气电厂天然气加热设计依据进行了分析探讨,进一步对天然气加热装置进行了简要分析。
  关键词:燃气轮机;天然气;加热;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
  随着我国能源结构调整和节能环保的要求,特别电力体制改革和天然气价改的不断深化下,高效清洁环保的天然气发电受到越来越多的关注。根据规划,2020年天然气在我国一次能源消费中的比重要达到10%以上,利用量将达到3600亿立方米,成为未来我国能源革命的重要引擎。随着天然气占中国一次能源消费比重不断提高,以及发展天然气发电的重要意义日益凸显,未来我国天然气发电前景广阔[1]。
  当前,我国燃气电厂的燃料来源主要为管道气,较少部分采用液化天然气(LNG)。管道天然气的成分和特性因产地区域和季节的变化而不同,直接影响着燃气轮机的运行安全和经济性能。GE、西门子三菱等不同燃机主机主要采用热水或电加热,使得天然气温度满足一定的要求。文献[2]研究利用中压给水经省煤器后废热提升燃气温度,温度升高至185℃满足燃机进气安全的同时提高了燃机效率。文献[3]介绍了国内多种管道天然气加热技术存在的不足,研发出基于天然气水合物生成临界温度的自动调控模式的全预混浸没燃烧天然气加热装置。文献[4]利用模拟对西门子某型号燃机燃气预热温度变化对联合循环性能的影响进行分析,随着进气温度提升,燃机效率和联合效率提升,排烟温度下降。文献[5]针对LM2500 G4燃机,将天然气加热至80℃时技术经济性能最优,在提高分布式能源系统的综合能源利用率的同时,提高了机组运行的经济性、可靠性及安全性,有效防止了低温腐蚀。燃气电厂实际应用表明,不同型号燃机对天然气的初温要求不同,但国内外对燃机天然气进气加热应用研究较少。为此,本文从燃机天然气进气要求着手,分析了天然气温度特性以及天然气温降原因及影响,进而对燃气电厂天然气加热设计依据和进气加热装置进行了简要分析研究。
  1 燃机对天然气进气特性的要求
  1.1 燃机天然气进气要求
  重型燃气轮机能够适应种类广泛的气体燃料。由于气体燃料中含有不同的活泼或惰性成分,从而使得这些气体燃料有着较宽的特性范围。为了能够满足燃机安全可靠的运行要求,一般对燃料的物理特性、成分以及杂质的范围都有严格的限定[6]。
  (1)气体燃料压力。压力要求与随机组燃烧室的类型有关,应控制压力的波动以满足燃烧稳定。
  (2)温度。气体的温度随压力以及外界环境变化,但应满足一定的过热要求避免结露,同时满足不同机组燃烧室的入口温度要求。
  (3)低位发热量。对于不同的燃料系统, 可使用的燃气热值取值范围是不同的。故对于某一固定的燃料系统, 为了保证稳定燃烧, 热值的取值需在一定的范围内。
  (4)燃料的清洁度。控制气体燃料中固體颗粒以及杂质含量,特别不允许气体燃料含有液体。
  1.2 天然气温降原因及影响
  天然气温度一方面受季节性影响,另一方面天然气从主要管路进入支管系统,直到燃气轮机燃气控制模块前要经过一系列的减压站,经过每一次减压,由于Joule-Thompson作用(如式1),天然气也将降低温度。
  式中, 为J-T系数。真实气体节流后温度变化将决定气体的性质和所处的状态,当 >  时, >0,节流时温度降低,降温幅度约为5.6℃/Mpa。通过燃气电厂燃料速比阀和控制阀时减温幅度最大。
  天然气中可冷凝的较高碳氢化合物通常为高于戊烷(C5)的碳氢化合物以及天然气中水蒸汽会因为天然气温度低于露点生成液体。另外,在高压燃气管道中存在过份水时会与甲烷和其它碳氢化合物结合形成结晶物质-燃气水合物,包括在燃气温度低于均衡水合物成温度时的冷凝物,严重影响燃气轮机的安全稳定运行。   (1)液态碳氢化合物进入燃气轮机的燃料系统和燃烧设备,会导致放热率失控和热通道部件的损坏。
  (2)暴露在压气機的排放中少量的碳氢化合物液体,会因高温自燃造成预混燃气的先期点火,发生“逆火”的现象。
  (3)气体流中会因燃气水合物颗粒堵塞燃料喷嘴,导致从喷嘴到喷嘴和燃烧室到燃烧室的燃料分配不均,引发燃烧波动,同时还可能导致燃气支管之间的燃料流分开偏移导致引发自燃和逆火。
  2 天然气露点的确定
  2.1天然气水露点的确定
   天然气中一种气体混合物,主要成分是甲烷,但也含有从C2直至C14的碳氢化合物,水分等其他化合物。在一定压力下,水蒸气分压对应于某温度下水的饱和蒸气压,该温度为给定压力下天然气的水露点。GB 50251-2003规定:“管输天然气在管道最高运行压力下的水露点至少比管道周围最低环境温度低5 ℃,在管道最高运行压力下的烃露点不得高于管道周围最低环境温度”。如果管输天然气的运行温度高于天然气水露点,气体将处于未饱和状态,管内无液态水析出;反之气体将过饱和,将析出液态水。因此,水露点是天然气管道运输中非常重要的气质参数。
  根据GB 22634-2008《天然气水含量与水露点之间的换算》以及诸多学者研究表明[7-11],采用SRK状态方程以及基于SRK 状态方程计算的水在气相中逸度计算天然气的含水量和水露点,如公式2和3。计算得到,压力范围为0.5MPa  p  10MPa,露点温度范围为-15℃ t  5℃;由水含量计算水露点的不确定度 2℃。压力扩展范围10MPa  p  30MPa时,露点温度范围5℃ t  40℃。
  式中,-a/Vm2为考虑到分子间吸引力,引入压力校正项;b为体积补偿参数; 和 分别为水与气体组分的物质的量浓度; 为SRK 状态方程中描述水分子尺寸的参数, 为SRK 状态方程描述混合物分子间吸力的参数。  为SRK 状态方程描述混合物分子尺寸的参数,采用Reid 提出的混合规则计算;A和B为计算SRK状态方程压缩因子的中间参数; 为计算混合物分子间吸力的中间参数;p为系统压力,Pa。
  2.2 天然气碳氢露点的确定
  碳氢露点是指在某一压力下,碳氢化合物这一组分从气体混合物中,由气相开始冷凝为液相时的温度。发生冷凝时的最高温度和最大压力通常称为这临界凝析温度和临界凝析压力。碳氢化合物的露点是气体压力及气体组成的函数,这一点与气体的水露点完全不同。天然气相态曲线具有反凝析现象,在中间压力时烃露点具有最大值,如图1所示。
  研究表明冷却镜面测量碳氢露点的方法所得到的结果最准确可靠。方法原理是,镜子装在压力容器中并在管道压力下暴露于气流中,镜子逐步冷却直到在这镜子的表面开始出现冷凝小滴。根据镜子表面上小滴的性质快要测出水分和碳氢化合物两个独立的露点。这种测量提供露点的直接读数而无需作出修正。
  3 天然气加热设计分析
  3.1加热设计理论依据
  天然气的温度应该能满足燃机气体燃料模块(FG1)进口处的设计燃料温度的要求。气体燃料加热和供应系统首先应能补偿通过系统产生的热损失保证燃机的安全运行,同时可以提高燃机燃烧性能。
  过热度是气体燃料温度及其各自的露点之间的温度差,规定过热度要求保证有足够的裕度来补偿由于气体燃料膨胀引起的温降,确保供给燃气轮机的气体燃料完全不含液体。
  过热度要求考虑了气体温降和相对气体燃料压力的湿气与碳氢化合物露点线之间的关系,以及气体燃料通过控制阀的膨胀比率,因此表述为在气体燃料控制系统入口气体燃料压力的函数。防止碳氢化合物凝结的过热度Tsh要求和防止生成湿气的过热度Tsm要求计算式如下,
  式中,Pgas为燃气轮机控制系统入口的气体燃料供给压力,KPa。在燃气轮机的燃料供给压力下,两者都可以确定并分别加上各自的露点(湿气和碳氢化合物)。两者的过热度加上露点后,较高的那个值就确定了满足过热度要求所需的最低气体燃料温度。
  在燃机指定的冷态和热态运行模式期间,气体燃料加热系统将使燃料温度达到并保持在相当于修改的Wobbe 指数(MWI)目标值的±5%以内。修改的Wobbe 指数由测量燃料体积能量计算与燃料温度和低热值(LHV)有直接关系。修改的Wobbe 指数按下式推导,
  式中,MWI为修改的Wobbe 指数(经温度校正);LHV为燃料的低热值(BTU/SCF);Tg为绝对温度;SG为在ISO 条件下,燃料相对于空气的比重。
  3.2 天然气加热装置
  为了保证供气温度满足燃气轮机运行以及不腐蚀管道和设备的要求, 需要对天然气进行加热。以下从设备和运行维护上对主要的三种基本类型的加热器简要介绍。
  (1)电加热器。电加热器是一种使用安装最为方便的燃料加热器[12-13],通过简单控制系统可以把出口温度维持在一个恒定温度上或者在燃料流量发生变化时在该设备的功率范围内保持升温稳定。由于使用的所有电转化成了热并用来升高燃气温度,热效率接近100%。
  电加热器结构简单紧凑,加热部件可容易地进行更换并且不需要中间转换液体,维修成本相对较低。由于天然气调压站属于防爆区域,电加热器需要选用防爆型,造价较高,同时,由于电耗较高所以它的运行成本最高。
  (2)水浴炉加热器。水浴炉是集热水锅炉和换热器为一体的设备, 由炉本体及燃烧器等组成。它利用除盐水为中间热质传热,吸收火筒中燃烧天然气产生的热量,传递给盘管内的天然气,达到加热天然气的目的。水浴炉燃烧器需要的天然气压力一般在0.2MPa, 因此需要配置一套天然气减压单元以满足水浴炉的需求。由于天然气降压幅度大, 当天然气温度过低时, 无法达到水浴炉燃烧的要求, 还需要配置一台电加热器, 使天然气温度达到点燃水浴炉和稳定燃烧所需的温度,运行成本高且系统复杂,投资成本也高。   (3)余热加热器。以燃气-蒸汽联合循环过程中比较容易获得的低品味能源为热源,,比如锅炉省煤器中抽取的热水或者是全厂循环开式水的回水等等,通过管壳式换热器对天然气加热,这种换热方式运行可靠。该类型加热器的系统配置简单,造价低,运行经济以及可以提高全厂的总热效率受到广泛的应用。
  4 结论
  (1)从天然气的温度特性入手,分析了天然气温度降低的原因。温度较低时产生的碳氢化合物和冷凝物等导致放热率失控、热通道部件损坏、逆火、自燃等危害燃气轮机燃烧通道现象,影响燃气轮机的安全稳定运行。
  (2)从理论和实际应用角度阐明了燃气电厂应对天然气温度降低和提高燃烧性能的设计依据和应对措施,对指导实际应用具有重要的意义。
  (3)介绍了电加热器、水浴炉加热器和余热加热器等三种基本类型加热器。指出利用燃气电厂容易获得的低品味能源为热源,在满足天然气加热的同时,可以有效提高全厂的总热效率。
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