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1、1燃空比对燃气轮机运行的影响及应对措施李飞（中海石油化学股份有限公司海南基地，海南东方，572600）摘要 燃空比一直影响、制约着我厂燃气轮机稳定安全的运行，也制约着合成氨装置高负荷运行。本文结合生产实际分析了燃空比对燃气轮机运行的影响，并给出了应对处理措施。关键词 燃气轮机 燃空比 分析 应对措施1.燃气轮机介绍中海化学海南基地化肥二部是设计年产 45万吨合成氨、80 万吨尿素装置，2003 年建成投产，合成氨装置采用的是 KBR（凯洛格布朗）工艺。燃气轮机选用的是 GE公司研制、生产的 MS5002C型双轴燃气轮机，高压透平驱动轴流式压缩机产生燃烧空气，低压透平驱动离心式空气压缩机（负载）
2、，高低压透平之间没有机械连接。如图 1，过滤的空气经过轴流式压缩机提压后进入燃烧桶，与来自喷嘴的天然气混合燃烧，产生高温高压的燃气进入高压透平做功，而该高压透平驱动着轴流式压缩机，形成高压轴。燃气继续对低压透平做功，驱动负载，形成低压轴。在多年的运行中燃空比（P4PCC）一直影响、制约着燃气轮机的运行，影响着整个合成氨装置高负荷安全平稳运行，成为装置运行瓶颈之一。图 1 MS5002C 型燃机简单循环图22.燃空比（P4PCC）概述2.1 燃气轮机燃烧流程概述过滤的空气经过轴流式压缩机提压后与来自燃气系统的天然气混合进入燃烧桶燃烧。空气在轴流式压缩机入口有一级可调导叶（IGV）进行流量调节，天
3、然气经过速比阀（SRV）调节后进入燃气控制阀（GCV）之前，再通过燃气控制阀调节进入燃烧桶，与提压的空气进行燃烧。（见图 2）图 2 燃气与空气流程图2.2 燃空比（P4PCC）设置目的当燃空比高时，进入透平的燃气压力高，会使着火点远离燃烧喷嘴而产生脱火，轻则使燃烧不稳定，重则导致燃烧熄火；当燃空比低时，进入透平的燃气压力较低，会使燃烧火焰往燃料来源的方向传播而产生回火，轻则烧损燃烧喷嘴，重则还会在燃气管道内发生燃气爆炸。为保护燃烧桶同时也是为了保护燃气轮机稳定安全运行，从而设置了燃空比。为了保证燃气轮机安全运行，对该燃空比设置了高低联锁，原始设置低联锁 1.01，高联锁1.18。后来随着燃气
4、轮机多年的运行，轴流式压缩机效率下降，同时伴随着装置天然气中有效成分总碳含量的下降，将低联锁值修改为 1.0，高联锁值修改为 1.2。2.3 燃空比（P4PCC）计算公式P4PCC就是燃气轮机控制阀（GCV）后燃气压力 GHP与轴流式压缩出口空气压力 CPD之比。具体公式如下：3(1.1) P4PCC=+14.7*0.97其中：GHP=燃气控制阀后压力；CPD=轴流式压缩机出口绝对压力。3 .燃空比（P4PCC）对机组运行的影响由公式(1.1)我们知道影响 P4PCC直接因素是 GHP和 CPD，它们的变化影响着 P4PCC的升高或者降低。总结 GHP和 CPD主要有以下原因引起它们变化，由于
5、本装置采用的是低碳天然气，所以基本不会出现 P4PCC低联锁情况，这里我们主要讨论 P4PCC高联锁的情况。3.1 环境温度升高当环境温度高时，空气分子量变小，在同一高压轴转速（高压轴转速稳定为5100rpm）下，轴流式压缩机功率下降，导致出口压力 CPD降低；此时如果燃气轮机低压透平维持原负荷运行，进入燃气轮机的天然气压力 GHP就基本保持不变，从公式（1.1）我们知道：CPD 升高，GHP 不变，P4PCC 升高。当 P4PCC升高接近联锁值时，影响机组的稳定安全运行。3.2 大气压降低如果大气压降低或者入口过滤器压差增加时，在同一高压轴(高压透平与轴流式压缩机共轴，我们称之为高压轴)转速
6、下，轴流式压缩机出口压力 CPD下降；此时如果燃气轮机低压透平（驱动空气压缩机）维持原负荷运行，进入燃气轮机的天然气压力 GHP就基本保持不变，从公式（1.1）我们知道：CPD 升高，GHP 不变，P4PCC 升高。当 P4PCC升高接近联锁值时，影响机组的稳定安全运行。3.3 轴流式压缩机运行效率降低当轴流式压缩机长时间运行，叶片或者流道结垢，导致流通体积减小，在同一高压轴转速下，轴流式压缩机出口压力 CPD下降；此时如果燃气轮机低压透平维持原负荷运行，进入燃气轮机的天然气压力 GHP就基本保持不变，从公式（1.1）我们知道：CPD 升高，GHP不变，P4PCC 升高。当 P4PCC升高接近
7、联锁值时，影响机组的稳定安全运行。3.4 天然气组分变化，总碳降低当天然气中总碳含量下降时，低压轴要维持原负荷运行，燃气控制阀后压力 GHP需要升高，此时轴流式压缩机运行状况（环境温度、大气压）保持不变，出口压力 CPD维持不变，由公式（1.1）我们知道：GHP 升高，CPD 不变，P4PCC 升高。当 P4PCC升高接近联锁值时，影响机组的稳定安全运行。43.5 同时出现环境温度升高、大气压降低、总碳降低当同时出现以上三个方面原因时，燃气轮机的 P4PCC就会大幅度上涨，想保证机组在同样负荷下运行是非常困难的，从而会影响整个装置的负荷。4 .案例分析2011年 7月 29日年度第 9号台风“
8、梅花”经过海南省东方市，对燃气轮机的运行有着较大的影响，下面以此为例进行分析。台风对于海南省化工生产来说有很大的危害，从大的方面来讲，会导致整个工厂断电、断气，引起装置停车；从小的方面来讲，会影响装置的平稳、安全运行，所以怎样“防台”、怎样评估台风对装置的影响非常重要。对于轴流式压缩机来说，台风来时，会带来大量的雨水，空气湿度增加，会导致轴流式压缩机入口滤芯压差增大，空气量减少，同时，由于海南是海洋性气候，空气中盐分高，湿度高的空气经过滤芯后进入轴流式压缩机，最终有不少盐分含量高的空气会腐蚀轴流式压缩机叶片，导致叶片生锈，流道变窄，压缩机效率下降。另外，台风过后，当地气压会有所降低，导致进入轴
9、流式压缩机的空气压力下降，轴流式压缩机做功增加。7 月 29日台风来临前后数据见表 1。表 1 台风来临前后燃气轮机运行数据时间AI1006ATI1134SY1001BFI1026CTIMCPDGHPP4PCCCTD 单位% % Kg/hF psiapsiaratioF台 风 来 之 前 62.05 26.94 95.09 10.8 81 104.8 104 1.168 552 0.9台 风 来 之 后 62.04 27.96 94.24 10.3 85 103.5 103.3 1.176 557 0.85注 1） AI1006A：天然气中甲烷含量；注 2） TI1134：轴流式压缩机入口温度
10、；注 3） SY1001B：燃气轮机低压轴负荷；注 4） FI1026：天然气流量；注 5） CTIM：表示轴流式压缩机入口温度；注 6） CPD：表示轴流式压缩机排气压力；注 7） GHP：表示燃气轮机燃气控制阀后压力；注 8） P4PCC：表示燃空比;注 9） CTD：表示轴流式压缩机出口温度；注 10） ：轴流式压缩机工作效率。5根据表 2收集的数据，通过轴流式压缩机效率计算公式，就可以计算出此时轴流式压缩机的工作效率，通过计算我们得到台风来临之前效率 =0.9，台风来之后轴流式压缩机的效率 =0.85，效率下降了 5.5%。而且，台风过后，低压轴降负荷（SY1001B）操作，在天然气总
11、碳（AI1006A）相当的情况下,P4PCC 却由 1.168上涨到 1.176，通过公式（1.1）及以前燃气轮机降负荷操作经验，正常运行时 P4PCC是应该降低的。由此可见，台风对轴流式压缩机的运行影响是非常大的。4.1 对燃空比（P4PCC）影响分析首先，空气湿度增大，轴流式压缩机入口滤芯压差增加，空气量减少，出口压力 CPD下降，由 3.2分析 P4PCC会增加；其次，湿度大、盐分高的空气进入轴流式压缩机，腐蚀叶片，会使压缩机流道变窄，打气量下降，出口压力 CPD降低，由 3.3分析 P4PCC会增加；再次，轴流式压缩机入口压力下降，在同一高压轴转速下，会导致出口压力 CPD降低，由 3
12、.2分析 P4PCC会增加。5 .降低燃空比（P4PCC）的办法目前影响机组稳定安全运行的主要是燃空比（P4PCC）高联锁。因为伴随轴流式压缩机多年的运行，效率下降，而且海南的环境温度较高，与此同时，进入装置的天然气品质（总碳含量低）较差，这些主要因素影响了机组高负荷长时间稳定安全运行。因此，降低燃空比（P4PCC）是维持机组、装置高负荷运行的当务之急。解决方法主要有：5.1 加强离线清洗选择高品质的离线清洗剂，只要有停车机会，必须对燃气轮机进行彻底的离线清洗，尽可能的提高轴流式压缩机的运行效率。5.2 加强对入口过滤器滤芯更换选择高品质的过滤器滤芯，加强对滤芯使用情况评估，及时更换滤芯，确保
13、轴流式压缩机进气量。5.3 尽可能提高天然气品质积极与上游供气（天然气）单位进行协调，尽可能的提高天然气品质，提高总碳含量。5.4 尽可能降低循环水温度降低循环水温度，可以有效提高燃气轮机驱动的空气压缩机效率，从而提高空气压缩机空气量，使得燃气轮机可以在稍低的负荷下维持运行，让燃空比远离高联锁。65.5 装置降负荷运行当遇到比较极端情况时，合成氨工艺系统及时降低负荷，减少二段炉加空气量，降低燃气轮机低压透平负荷，避免燃空比高联锁跳车。5.6 改变联锁值范围在不伤害燃气轮机设备部件的前提下，改变联锁值范围，让燃空比运行远离联锁值。通过以上手段，目前我们有效的降低了燃空比对机组、对装置运行的影响，
14、让燃气轮机不再成为装置高负荷运行的瓶颈。6 .结束语经过多年对燃气轮机运行经验的总结，我们解决了燃空比对燃气轮机运行的制约，找到了足够的应对措施对燃空比进行调节，保证了燃气轮机能够长周期高负荷稳定运行。2010年 4月至 2011年 4月燃气轮机连续在高负荷下运行了 366天，实践证明这些应对措施是有效的。参考文献1 李明，郭晓宏 .组份波动对合成氨装置的影响及对策 .化工设计通讯，2007，33（2）The fuel / air ratio on gas turbine operation influence factors and CountermeasuresLi Fei(Fudao C
15、hemical 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 ammonia device. In this paper, combined with the actual production of the fuel / air ratio on gas turbine operation effects, and gives corresponding treatment measures.Keywords gas turbine， fuel / air ratio， analysis ，measures
