燃空比對燃氣輪機運行的影響及應對措施.docx

燃空比對燃氣輪機運行的影響及應對措施李飛（中海石油化學股份有限公司海南基地，海南東方，572600）摘要 燃空比一直影響、制約著我廠燃氣輪機穩(wěn)定安全的運行，也制約著合成氨裝置高負荷運行。本文結合生產(chǎn)實際分析了燃空比對燃氣輪機運行的影響，并給出了應對處理措施。關鍵詞 燃氣輪機 燃空比 分析 應對措施1.燃氣輪機介紹中海化學海南基地化肥二部是設計年產(chǎn)45萬噸合成氨、80萬噸尿素裝置，2003年建成投產(chǎn)，合成氨裝置采用的是KBR（凱洛格布朗）工藝。燃氣輪機選用的是GE公司研制、生產(chǎn)的MS5002C型雙軸燃氣輪機，高壓透平驅動軸流式壓縮機產(chǎn)生燃燒空氣，低壓透平驅動離心式空氣壓縮機（負載），高低壓透平之間沒有機械連接。如圖1，過濾的空氣經(jīng)過軸流式壓縮機提壓后進入燃燒桶，與來自噴嘴的天然氣混合燃燒，產(chǎn)生高溫高壓的燃氣進入高壓透平做功，而該高壓透平驅動著軸流式壓縮機，形成高壓軸。燃氣繼續(xù)對低壓透平做功，驅動負載，形成低壓軸。在多年的運行中燃空比（P4PCC）一直影響、制約著燃氣輪機的運行，影響著整個合成氨裝置高負荷安全平穩(wěn)運行，成為裝置運行瓶頸之一。圖1 MS5002C型燃機簡單循環(huán)圖2.燃空比（P4PCC）概述2.1燃氣輪機燃燒流程概述過濾的空氣經(jīng)過軸流式壓縮機提壓后與來自燃氣系統(tǒng)的天然氣混合進入燃燒桶燃燒?？諝庠谳S流式壓縮機入口有一級可調(diào)導葉（IGV）進行流量調(diào)節(jié)，天然氣經(jīng)過速比閥（SRV）調(diào)節(jié)后進入燃氣控制閥（GCV）之前，再通過燃氣控制閥調(diào)節(jié)進入燃燒桶，與提壓的空氣進行燃燒。（見圖2）圖2 燃氣與空氣流程圖2.2燃空比（P4PCC）設置目的當燃空比高時，進入透平的燃氣壓力高，會使著火點遠離燃燒噴嘴而產(chǎn)生脫火，輕則使燃燒不穩(wěn)定，重則導致燃燒熄火；當燃空比低時，進入透平的燃氣壓力較低，會使燃燒火焰往燃料來源的方向傳播而產(chǎn)生回火，輕則燒損燃燒噴嘴，重則還會在燃氣管道內(nèi)發(fā)生燃氣爆炸。為保護燃燒桶同時也是為了保護燃氣輪機穩(wěn)定安全運行，從而設置了燃空比。為了保證燃氣輪機安全運行，對該燃空比設置了高低聯(lián)鎖，原始設置低聯(lián)鎖1.01，高聯(lián)鎖1.18。后來隨著燃氣輪機多年的運行，軸流式壓縮機效率下降，同時伴隨著裝置天然氣中有效成分總碳含量的下降，將低聯(lián)鎖值修改為1.0，高聯(lián)鎖值修改為1.2。2.3 燃空比（P4PCC）計算公式P4PCC就是燃氣輪機控制閥（GCV）后燃氣壓力GHP與軸流式壓縮出口空氣壓力CPD之比。具體公式如下：P4PCC=GHP+14.7CPD*0.97 (1.1) 其中：GHP=燃氣控制閥后壓力；CPD=軸流式壓縮機出口絕對壓力。3 .燃空比（P4PCC）對機組運行的影響由公式(1.1)我們知道影響P4PCC直接因素是GHP和CPD，它們的變化影響著P4PCC的升高或者降低。總結GHP和CPD主要有以下原因引起它們變化，由于本裝置采用的是低碳天然氣，所以基本不會出現(xiàn)P4PCC低聯(lián)鎖情況，這里我們主要討論P4PCC高聯(lián)鎖的情況。3.1 環(huán)境溫度升高當環(huán)境溫度高時，空氣分子量變小，在同一高壓軸轉速（高壓軸轉速穩(wěn)定為5100rpm）下，軸流式壓縮機功率下降，導致出口壓力CPD降低；此時如果燃氣輪機低壓透平維持原負荷運行，進入燃氣輪機的天然氣壓力GHP就基本保持不變，從公式（1.1）我們知道：CPD升高，GHP不變，P4PCC升高。當P4PCC升高接近聯(lián)鎖值時，影響機組的穩(wěn)定安全運行。3.2大氣壓降低如果大氣壓降低或者入口過濾器壓差增加時，在同一高壓軸(高壓透平與軸流式壓縮機共軸，我們稱之為高壓軸)轉速下，軸流式壓縮機出口壓力CPD下降；此時如果燃氣輪機低壓透平（驅動空氣壓縮機）維持原負荷運行，進入燃氣輪機的天然氣壓力GHP就基本保持不變，從公式（1.1）我們知道：CPD升高，GHP不變，P4PCC升高。當P4PCC升高接近聯(lián)鎖值時，影響機組的穩(wěn)定安全運行。3.3軸流式壓縮機運行效率降低當軸流式壓縮機長時間運行，葉片或者流道結垢，導致流通體積減小，在同一高壓軸轉速下，軸流式壓縮機出口壓力CPD下降；此時如果燃氣輪機低壓透平維持原負荷運行，進入燃氣輪機的天然氣壓力GHP就基本保持不變，從公式（1.1）我們知道：CPD升高，GHP不變，P4PCC升高。當P4PCC升高接近聯(lián)鎖值時，影響機組的穩(wěn)定安全運行。3.4天然氣組分變化，總碳降低當天然氣中總碳含量下降時，低壓軸要維持原負荷運行，燃氣控制閥后壓力GHP需要升高，此時軸流式壓縮機運行狀況（環(huán)境溫度、大氣壓）保持不變，出口壓力CPD維持不變，由公式（1.1）我們知道：GHP升高，CPD不變，P4PCC升高。當P4PCC升高接近聯(lián)鎖值時，影響機組的穩(wěn)定安全運行。3.5同時出現(xiàn)環(huán)境溫度升高、大氣壓降低、總碳降低當同時出現(xiàn)以上三個方面原因時，燃氣輪機的P4PCC就會大幅度上漲，想保證機組在同樣負荷下運行是非常困難的，從而會影響整個裝置的負荷。4 .案例分析2011年7月29日年度第9號臺風“梅花”經(jīng)過海南省東方市，對燃氣輪機的運行有著較大的影響，下面以此為例進行分析。臺風對于海南省化工生產(chǎn)來說有很大的危害，從大的方面來講，會導致整個工廠斷電、斷氣，引起裝置停車；從小的方面來講，會影響裝置的平穩(wěn)、安全運行，所以怎樣“防臺”、怎樣評估臺風對裝置的影響非常重要。對于軸流式壓縮機來說，臺風來時，會帶來大量的雨水，空氣濕度增加，會導致軸流式壓縮機入口濾芯壓差增大，空氣量減少，同時，由于海南是海洋性氣候，空氣中鹽分高，濕度高的空氣經(jīng)過濾芯后進入軸流式壓縮機，最終有不少鹽分含量高的空氣會腐蝕軸流式壓縮機葉片，導致葉片生銹，流道變窄，壓縮機效率下降。另外，臺風過后，當?shù)貧鈮簳兴档?，導致進入軸流式壓縮機的空氣壓力下降，軸流式壓縮機做功增加。7月29日臺風來臨前后數(shù)據(jù)見表1。表1 臺風來臨前后燃氣輪機運行數(shù)據(jù)時間AI1006ATI1134SY1001BFI1026CTIMCPDGHPP4PCCCTD 單位%Kg/hFpsiapsiaratioF臺風來之前62.0526.9495.0910.881104.81041.1685520.9臺風來之后62.0427.9694.2410.385103.5103.31.1765570.85注1） AI1006A：天然氣中甲烷含量；注2） TI1134：軸流式壓縮機入口溫度；注3） SY1001B：燃氣輪機低壓軸負荷；注4） FI1026：天然氣流量；注5） CTIM：表示軸流式壓縮機入口溫度；注6） CPD：表示軸流式壓縮機排氣壓力；注7） GHP：表示燃氣輪機燃氣控制閥后壓力；注8） P4PCC：表示燃空比;注9） CTD：表示軸流式壓縮機出口溫度；注10） ：軸流式壓縮機工作效率。根據(jù)表2收集的數(shù)據(jù)，通過軸流式壓縮機效率計算公式，就可以計算出此時軸流式壓縮機的工作效率，通過計算我們得到臺風來臨之前效率=0.9，臺風來之后軸流式壓縮機的效率=0.85，效率下降了5.5%。而且，臺風過后，低壓軸降負荷（SY1001B）操作，在天然氣總碳（AI1006A）相當?shù)那闆r下,P4PCC卻由1.168上漲到1.176，通過公式（1.1）及以前燃氣輪機降負荷操作經(jīng)驗，正常運行時P4PCC是應該降低的。由此可見，臺風對軸流式壓縮機的運行影響是非常大的。4.1對燃空比（P4PCC）影響分析首先，空氣濕度增大，軸流式壓縮機入口濾芯壓差增加，空氣量減少，出口壓力CPD下降，由3.2分析P4PCC會增加；其次，濕度大、鹽分高的空氣進入軸流式壓縮機，腐蝕葉片，會使壓縮機流道變窄，打氣量下降，出口壓力CPD降低，由3.3分析P4PCC會增加；再次，軸流式壓縮機入口壓力下降，在同一高壓軸轉速下，會導致出口壓力CPD降低，由3.2分析P4PCC會增加。5 .降低燃空比（P4PCC）的辦法目前影響機組穩(wěn)定安全運行的主要是燃空比（P4PCC）高聯(lián)鎖。因為伴隨軸流式壓縮機多年的運行，效率下降，而且海南的環(huán)境溫度較高，與此同時，進入裝置的天然氣品質（總碳含量低）較差，這些主要因素影響了機組高負荷長時間穩(wěn)定安全運行。因此，降低燃空比（P4PCC）是維持機組、裝置高負荷運行的當務之急。解決方法主要有：5.1加強離線清洗選擇高品質的離線清洗劑，只要有停車機會，必須對燃氣輪機進行徹底的離線清洗，盡可能的提高軸流式壓縮機的運行效率。5.2加強對入口過濾器濾芯更換選擇高品質的過濾器濾芯，加強對濾芯使用情況評估，及時更換濾芯，確保軸流式壓縮機進氣量。5.3盡可能提高天然氣品質積極與上游供氣（天然氣）單位進行協(xié)調(diào)，盡可能的提高天然氣品質，提高總碳含量。5.4盡可能降低循環(huán)水溫度降低循環(huán)水溫度，可以有效提高燃氣輪機驅動的空氣壓縮機效率，從而提高空氣壓縮機空氣量，使得燃氣輪機可以在稍低的負荷下維持運行，讓燃空比遠離高聯(lián)鎖。5.5裝置降負荷運行當遇到比較極端情況時，合成氨工藝系統(tǒng)及時降低負荷，減少二段爐加空氣量，降低燃氣輪機低壓透平負荷，避免燃空比高聯(lián)鎖跳車。5.6改變聯(lián)鎖值范圍在不傷害燃氣輪機設備部件的前提下，改變聯(lián)鎖值范圍，讓燃空比運行遠離聯(lián)鎖值。通過以上手段，目前我們有效的降低了燃空比對機組、對裝置運行的影響，讓燃氣輪機不再成為裝置高負荷運行的瓶頸。6 .結束語經(jīng)過多年對燃氣輪機運行經(jīng)驗的總結，我們解決了燃空比對燃氣輪機運行的制約，找到了足夠的應對措施對燃空比進行調(diào)節(jié)，保證了燃氣輪機能夠長周期高負荷穩(wěn)定運行。2010年4月至2011年4月燃氣輪機連續(xù)在高負荷下運行了366天，實踐證明這些應對措施是有效的。參考文獻1 李明，郭曉宏 .組份波動對合成氨裝置的影響及對策 .化工設計通訊，2007，33（2）The fuel / air ratio on gas turbine operation influence factors and CountermeasuresLi Fei(Fudao Chemical co.，CNOOC，Dongfang，572600)Abstract The fuel / air ratio has been affected, restricting our factory GT stable and safe operation, but also restricts high load operation of synthetic amm