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文檔簡介
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
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