浅论燃气轮机烧重油_丁乙崟

第13卷　第1期《燃　气　轮　机　技　术》V o l.13N o.1 2000年3月GAS TURBINE TECHNOLOGY Ma r.,2000浅论燃气轮机烧重油
丁乙山
金
(温州燃机发电有限公司,浙江温州325000)
摘　要:燃气轮机以重油作为燃料,可有效地降低运行成本,因此颇受重视。

本文简要说明了燃气轮机燃用重
油技术的成熟性,并对我国目前燃用重油燃气轮机的情况进行了统计。

文章分析了燃气轮机烧重油在燃烧、
结垢、腐蚀等方面所产生问题的原因及后果,并针对这些问题提出了在燃油处理、燃烧系统、燃油系统和机组
运行维护等方面所应采取的对策。

关　键　词:燃气轮机;重油;燃烧
中图分类号:T K478.9;T Q038.1 文献标识码:B 文章编号:1009-2889(2000)01-0038-04
0　概　述
早在60年代工业燃气轮机就有燃用重油的实践,但由于当时的燃烧、油处理、防腐等技术水平较低,烧重油的燃气轮机透平进口温度被限制在650℃以下,从而使重油机组的出力和效率受到影响,燃气轮机烧重油得不到推广。

70年代中期,我国铁道部科学研究院率先研制了燃用重油的4000kW 的机车用长征Ⅰ号和长征Ⅱ号燃气轮机机车,但因在研制过程中难以克服出现的各种技术难题而中断。

80年代以来,随着技术的不断进步,特别是重油处理技术的成熟,燃气轮机烧重油已在许多国家得到了越来越广泛的应用。

燃气轮机烧重油,大多是用于重型燃气轮机,这是因为重型燃气轮机的燃烧室比较大。

而轻型燃气轮机(航空改型),由于航空用,要求结构紧凑、热强度高,燃烧室一般都比较短小,用于烧重油必须进行大的改动。

近几年来,我国许多燃机电厂,特别是广东省沿海地区的燃机电厂,由于地区电力建设发展较快,电力负荷的供求特性已由一九九四年以前的求大于供变为供大于求,各燃机电厂大都面临着发电量不足、经济效益滑坡的局面,为此不得不采取对策,降低成本,以保生存。

重油是一种廉价(约为轻型柴油价格的60%)并适合于燃气轮机燃烧的燃料,因而,为了降低成本,保持良好的经济效益,改烧重油就成为各燃机电厂的一个有效对策了。

如深圳南山电厂共有6台燃气轮发电机组(总装机容量350MW),自九四年以来,已陆续全部改成了燃用重油,收到了良好的效益。

目前,我国已有13个燃机电厂共30台机组燃用重油或原油(见表1),其中大部分是由原来燃用轻柴油改成烧重油的,少数是近期由国外直接购买的烧重油的机组。

这些燃机电厂在改烧重油的实践中,积累了丰富的经验,为燃机燃用重油提供了大量技术依据。

1　燃气轮机燃用重油产生的问题
重油一般是由渣油与重质馏分油(如重柴油)混合制成。

所谓渣油(又称为残余油)是指在原油中提取了沸点低、分子量轻的汽油、煤油和柴油后所残余的重质碳氢化物。

它的特点是分子结构复杂、粘度大、沸点高、挥发性差,并且含有大量的由硫、铅、钾、
收稿日期:1999-11-15
DOI:10.16120/ k i.i ssn1009-2889.2000.01.007
钠、钙、镁、铁、钒、锌等元素的化合物组成的灰分。

重油虽然因混有一些重柴油比纯渣油容易燃烧些,但它亦含有渣油所有的一切杂质,不仅在燃烧方面产生困难,而且还给燃气轮机的运行和维护带来一系列问题。

表1　我国燃用重油或原油的燃气轮机一览表
电厂名称型号及台数燃料循环方式装机容量制造厂商佛山沙口电厂2台KA13D-2重油联合循环274M W ABB
华能汕头燃机电厂2台M S6001原油联合循环103M W ALS TOM 汕特燃机发电公司2台M S6001重油联合循环110M W ALS TOM
深圳南山电厂3台M S5001
2台M S6001
1台M S9001
重油联合循环350M W
ALS TOM
南汽/GE
顺德德胜电厂2台KA13D-2重油联合循环274M W ABB
福州明达电力公司S T AG206B重油联合循环108M W GE
浙江宁波镇海电厂S T AG209E重油联合循环300M W JB
上海闸北燃机电厂4台M S9001E重油简单循环400M W GE
广州明珠电厂2台251B11重油联合循环130M W W es tinghous e 温州龙湾电厂2台M S9001E原油联合循环300M W GE
胜利油田孤北电厂2台M S6001原油联合循环108M W JB
武汉汉能电力公司1台M S9001E重油联合循环180M W ALS TOM
瑞安华瑞电厂1台M S6001重油联合循环55M W ALS TOM
1.1　燃烧上的问题
燃用重油时最容易产生的问题是积炭、积焦和排气冒黑烟等,这除了由于它的分子结构复杂难于挥发和燃烧以外,还由于重油的粘度大,雾化后油滴颗粒往往过大,在低负荷工况下,很容易未经完全燃烧就被带离高温燃烧区,最后以液态积存在火焰管的壁面上,经高温燃气的烘烤而形成积焦或积炭。

一般来说,积炭经常发生在火焰管的前端或尾部、旋流器的叶片上,以及喷油嘴的出口端面上。

积炭的后果是严重的。

它将导致燃烧效率的下降;喷嘴出口端面积了炭,喷雾油锥会因此而偏斜,雾化质量降低、燃烧条件进一步恶化;在高负荷情况下,积存在火焰管上的干炭还有可能复燃,这些部件就有被烧坏的危险。

此外,被燃气带着一起运动的炭粒还会磨损透平叶片,使机组寿命降低。

1.2　结垢问题
由于重油中含有大量的炭份与杂质,经燃烧后熔融的炭份和残渣随着燃气流入透平并在透平叶片的表面积存起来,结果不仅使流道的流通面积变小而且使叶片型线发生变化而降低透平的效率和功率。

根据国内燃用重油的实践表明,这种结垢进展很快,机组运行8～10小时后就开始有所反应。

运行约100小时,功率就下降10%,油耗上升8%。

运行约300小时,机组的功率下降40%左右,可见,结垢问题是不容忽视的。

结垢的主要原因是重油内所含的硫、钠、钾、钒、铅等杂质,在燃烧过程中化合成融点较低的铅和钒的氧化物、碱性的钒酸盐和碱性的硫化物。

其中有些物质在500℃左右就开始融化。

例如:氧钒基的钒酸钠(5Na2O·V2O4·11V2O5)的融点只有575℃;五氧化二钒(V2O5)的融点也约为670～680℃。

这些低融点的物质碰上温度较低的金属表面时就会沾在它上面,然后以它为基点把浮游在燃气中的其它灰份也吸上去,逐步形成一层胶状的灰垢。

实践证明,结垢的速率与重油中含钠量和透平前燃气温度有密切关系,含钠量越多,透平前燃气温度越高,结垢的速度就越快。

1.3　腐蚀问题
以熔融状态积存在透平叶片上的灰份会与叶片的金属元素逐渐起化学反应,导致叶片腐蚀损坏。

我国一台20000kW机组上的透平叶片,在燃气初温为900℃左右条件下运行了几千小时后,出现了严重的高温硫化腐蚀现象,使机组出力下降了25%左右,可见腐蚀问题的严重性。

试验研究表明,透平叶片的腐蚀效应与处于熔融状态的铅和钒的氧化物、碱性钒酸盐和碱性硫化物有密切关系。

它们能够起一种电介质作用造成电化学腐蚀效应,而且还可以部分或全部地把腐蚀过程中产生的化合物从金属表面转移掉,使新的金属表面连续不断地暴露出来而继续遭受腐蚀,因而腐
蚀速率是相当快的。

通常,当透平叶片的金属表面温度超过650℃后,就会发生一种以V2O5为主体的腐蚀现象。

如重油中同时含有Na盐,那么,钒盐的腐蚀作用就会加剧。

当结垢中的Na2SO4含量达到10%时,V2O5的腐蚀作用将最强烈。

随着温度的升高,钒盐的腐蚀速率也将加快。

当重油中的含钒量在0～1ppm之间变化时,腐蚀速率变化不大,但含钒量达到4ppm时,腐蚀速率将增加为1ppm时的四倍。

在重油中掺入适量的镁可以减轻钒盐的腐蚀作用。

另外,当燃气初温高于820℃时,在透平叶片上还会发生一种由Na2SO4及其相似的化合物引起的碱金属硫酸盐腐蚀,这种腐蚀又称为高温硫化腐蚀。

一般在燃气中含有碱金属元素Na、K、Ca等,当同时存在S时,在高温下就会形成硫酸钠、硫酸钙之类的硫酸盐。

当透平的工作温度提高,这些成份接近或达到熔融状态并逐渐积存在叶片表面,如果叶片表面温度超过了790℃,这些硫酸盐就能与叶片金属或金属的氧化物起化学作用生成金属的硫化物。

2　燃气轮机燃用重油应采取的措施
2.1　对重油进行脱盐处理
从结垢与腐蚀现象的成因中可以看出,重油灰份中Na、V、S是造成透平叶片等热部件表面结垢和腐蚀的主要元素。

结垢现象又为腐蚀现象提供了条件。

由此可见,消除灰份中所含Na、V、S特别是消除Na盐是解决结垢和腐蚀的最主要措施。

由于重油中的Na盐大多数能溶于水,因而一般采用水洗或电解脱盐的办法,即先在重油中掺入大量的水,经加热搅拌成乳状,并加入破乳剂(酚醛聚醚、高分子聚醚或烷基酚树脂系复配品)均匀混合,待钠盐溶解于水后,用离心分离器或静电沉淀器把含Na盐的水分离出来便得到含Na盐极少的重油。

经处理后的重油,其Na盐含量要达到0.5～ 1.0 ppm,才能满足燃机的要求。

一般钒盐是可溶于重油的,因此,用水洗的办法是消除不了钒盐的,通常是在重油中掺入适量的Mg 添加剂,可以减轻和抑制钒盐的腐蚀作用。

我国福州明达电厂的M S6001机组使用的是水溶性抑钒剂(Mg SO4·7H2O),可使钒金属呈高熔点的化合物(MgV2O5),不以液态粘附在透平通道上,防腐蚀的效果良好。

也有些电厂使用Mg(O H)2的。

目前,国外重油脱盐处理的技术已十分成熟,完全能够满足燃机对重油含盐不得超过0.5ppm的要求,但重油处理设备价格昂贵(一台处理量为50t/h 的设备约需250万美元),也给燃气轮机燃用重油增加了投资和运行成本。

2.2　对重油预热
由于重油粘度大,流动性差,燃气轮机燃用重油时,必须先将重油加热到一定温度,使其粘度降低,为燃烧时良好的雾化提供先决条件。

一般燃气轮机要求,重油在燃油喷咀前的粘度必须低于20cst。

为此,约需加热到120℃以上。

目前国内许多燃机电厂大部分燃用进口的180#重油(粘度为180cst),一般加热到132℃,使其粘度降低到8～10cst。

2.3　在燃油喷咀和燃烧室方面应采取的措施
(1)提高雾化空气的压力,以保证重油燃烧时良好的雾化质量。

试验表明,若能使重油的雾化颗粒尺寸小于100微米的质量百分数不低于85%,大于150微米的质量百分数不高于8%,则可以大大降低积炭或积焦的速度。

重型燃气轮机所用的燃油喷咀在改烧重油时无需改动,只要提高雾化空气的压力即可。

GE公司的M S5001与M S6001机组在由烧轻油改烧重油时,雾化空气泵的压比则由 1.4提高到
1.7。

(2)在火焰管直径较小的燃烧室中燃用重油时,喷雾锥角不宜设计得过大,一般应为50°～80°,以免燃料甩到火焰管壁上。

但过小则会将燃料喷入回流区而发生燃烧不完全而排气冒黑烟现象。

(3)为了延长重油油滴在火焰管中的逗留时间,燃烧室的比燃烧热强度应该取得小一些,燃烧室需要加长一些。

重型燃气轮机的燃烧室一般都较长,适合燃用重油。

轻型燃气轮机(航改型)的燃烧室一般都很短,不适合燃用重油,如果改烧重油,必须做大的改动;因此,目前轻型燃气轮机很少有燃重油的。

GE公司为适应燃用重油时火焰管承受比烧轻油较高的辐射热,对重型燃机的燃烧室也做了改进,如增加了火焰管的壁厚、内表面增加了耐热涂层等。

2.4　轻柴油和重油的切换
燃气轮机改烧重油后,由于重油粘度大、流动性差、点火困难,因此,在机组起动和停机时仍需燃用轻油,增设轻油、重油切换装置。

在起动时,由轻柴油转向重油;在停机时,由重油转向轻柴油。

GE公司规定:为确保点火成功和低工况下的燃烧,机组用轻柴油起动,在机组功率达到满负荷的三分之一时切换
成重油,时间约为9～12分钟;机组正常停机,需在满负荷时提前30分钟从重油切换成轻柴油。

遇有非正常停机(事故停机)时,可采用重油热起动,即停机后,立即用重油点火起动。

福州明达电厂的M S6001机组就曾有过两次这样起动的经验,但由于此时工况很低,燃烧不良,冒黑烟,且容易结焦积炭,因此,非万不得已,不采用此法。

另一种方法,就是事故停机后,立即用轻油冲洗,冲洗时间不少于1小时,将管道中的重油彻底清洗掉,以防再次起动时,重油凝结堵塞管路。

2.5　必须对透平积垢定期进行清洗
透平的结垢对机组功率下降十分敏感,根据深圳南山电厂燃用重油的经验,由于透平的结垢,使机组出力约按0.04%/h速率下降,油耗按0.03%/h 左右速率上升。

因此必须对透平结垢定期进行清洗。

清洗的办法有两种,一是干洗,即把固体颗粒(如核桃皮、大米等)喷到燃烧室中的办法将透平积垢清洗掉;二是水洗,即用加热到一定温度的含清洗剂的水进行清洗。

目前,国内许多燃机电厂,均采用水洗。

所用的水为加入清洗剂的除盐水,加热到80℃以上,通过燃油喷咀的雾化空气通道进入燃烧室,然后流入透平。

水洗透平时必须在机组停机状态(即离线清洗)并冷却到一定温度时,用盘车装置将机组拖动到转速为600～800r/min时进行。

水洗要经过湿润、浸泡、冲洗和干燥等过程。

一般机组每运行200小时就需清洗一次。

如果电网要求运行时间较长,只好延长清洗间隔时间,但功率下降、油耗上升,并且会影响机组的寿命。

2.6　必须加强对燃烧系统和热通道的检查
在机组运行中应加强对燃烧系统和热部件的监测检查,一旦发现问题及时处理。

与燃用轻柴油相比,燃料喷咀、燃烧室、透平等容易出现问题,一般检修周期要短得多。

GE公司制造的燃气轮机的维修周期,根据不同燃料的维修时间系数不同、天然气T F =1,轻油T F= 1.5,重油T F=4。

表2　燃气轮机检修周期
轻 油重 油
检 查运行时数起动次数检 查运行时数起动次数燃烧系统8000800燃烧系统4000400热通道检查240001200热通道检查8000-120001200大修检查480002400大修检查16000-240002400
3　结　论
燃用重油,给燃气轮机在燃烧、结垢、腐蚀等方面带来一些问题。

为解决这些问题,除了在燃烧系统和燃油系统结构设计方面要采取相应措施以外,还要增加燃油处理、燃油加热、轻柴油和重油切换等装置,并且由于烧重油,必须增加清洗装置和增加对热通道检查的次数等。

这样,尽管使机组增加了设备投资和运行维护工作量,但由于燃用价格低廉的重油,大幅度节约燃料费,机组的运行成本还是得到了有效降低,使电厂获得显著的经济效益。

这是国内许多电厂将原本燃用轻柴油的机组改为燃用重油的重要原因。

(上接第37页)
③在整个风速、风向变化范围内,进气流量的相对变化小于5%,进气室1和进气室2的最大流量差值仅为0.055kg/s,完全满足燃气轮机的稳定工作需要。

参考文献
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