关于燃气轮机天然气温度

1 转摘一位高手有关天然气温度的解释，对此高手表示敬意和感谢。 “允许的气体燃料供给条件： 最小压力： 30.5kg/cm2 最大压力： 32.73kg/cm2 最低温度： 23.9℃ 最高温度： 185℃ 最小允许过热度：28℃ 燃料特性： 低位发热量(btu/scf)： 970 BTU/LB： 19320.61 相对的重度（SG）: 0.6585 特定的热耗： 1.2061 气体常数(R)： 81.061(R={FT*LBf}/{LBm*t} WOBBE 温度修正数：41.6 (wobbe no=LHV/(sg*t)**1/2) 为了提高联合循环热效率及满足DLN2.0+燃烧系统对天然气过热度的要求，美国GE 公 司生产的 PG9351FA 机组在机组并网之前，采用电启动加热器进行天然气加热，当机组并网 时，中压省煤器出口水温大于 50℃并且发电机并网之后，投入性能加热器，根据燃机负荷 的变化对天然气温度进行精确控制，保证天然气温度在规定的范围内，最终使天然气温度达 到额定运行参数 185℃。在此期间，电启动加热器自动退出运行。性能加热器是一种逆流表 面式换热器，在性能加热器的天然气出口侧进入到电启动加热器。 1. 天然气温度的控制 天然气温度对于燃气轮机的燃烧和燃烧室动态特性都有很大的影响，同时天然气温度也 用来计算燃料流量，用于燃料分析。最小的温度要高于碳氢化合物的露点，避免碳氢化合物 液化。气体燃料供给温度至少保持高于碳氢化合物的露点 28℃的过热度，任何时候，气体 燃料中不能有液态碳氢化合物和水。为了满足天然气温度的要求，在机组从点火到全速空载 的过程中，天然气温度的控制是通过电启动加热器来实现的，控制是：当燃机速比/截 止阀有打开命令同时，天然气温度小于 62、78℃且燃烧基准温度 TTRF1 小于 926、7℃，燃 机控制系统发给电启动加热器主控信号，启动电启动加热器，采用温差控制，即电启动加热 器的出口天然气温度大于入口天然气温度 28℃。在机组性能加热器投入运行后，当天然气 温度大于 62、78℃后，停止电启动加热器。同时当电启动加热器出口温度大于 65、6℃后也 会自动跳闸，以防止电启动加热器内部天然气局部过热炭化。“ 主要有以下几个方面： 1） 根据 GE 燃烧调试的要求，在机组处于较低负荷时，天然气温度不能大于 50℃，否则 对燃烧室的动态特性有很大的影响，因此在逻辑上做了限制，即在燃烧基准温度 TTRF1 小于 1037、8℃之前（基本是 80MW 负荷以下），控制天然气温度不超过 50℃。 2. 预混燃烧对天然气温度的要求 GE 9FA 燃气—蒸汽联合循环机组采用余热锅炉的中压省煤器出水来加热天然气至 1850C，以控制当量韦伯指数在设计值。为了系统的安全稳定燃烧，要求在整个运行范围内， 保持或控制当量韦伯指数的变化在 5%范围内，在燃料热值和比重有变化时，用调节燃料气 2 体温度的方法，设法保持当量韦伯指数基本不变，保持各工况下运行稳定和高效率，否则， 应改变机组的燃烧方式或停机。如图 2,《DLN-2.0+（PG9351FA）气体燃料加热运行的要求》 所示。 图 2 DLN-2.0+（PG9351FA）燃料气体加热运行的要求 运行时，有冷的天然气温度区[气体燃料加热温度至≤49℃]，这主要是依靠电启动加热 器来实现的。随后进入到冷或者热的天然气温度区，这时主要是电启动加热器和性能加热器 共同加热的阶段，因为这一阶段对天然气的温度要求不是特别的严格。最后进入到热的天然 气温度区（主要是性能加热器投入运行）。在热的天然气区，气体燃料的温度必须在设计的 当量韦伯指数规定范围内。 在机组从点火到进入 BASELOAD 基本负荷的不同运行工况中，随着天然气温度和压气 机排气温度 CTD 的不断升高，以及 D5 扩散燃烧天然气流量的减少，各燃烧方式对天然气 温度要求是不同的,但是必须保证天然气在结露点之上,这对于燃机的安全运行是至关重要 的,。从点火和暖机直至加速至 95%额定转速，燃烧室处于扩散燃烧，一般只需较低温度的 气体燃料就可以；从 95%额定转速，经全速空载至约 10%额定负荷，燃烧室处于从扩散燃 烧向先导预混合燃烧过渡，可以采用冷或热的天然气温度。如果天然气投入性能加热器加热, 根据燃烧室动态特性的要求，在燃烧基准温度< 926、7℃的情况下，不允许燃料温度大于 51.7°C；从 10%额定负荷到 25%额定负荷区段，燃烧室处于先导预混合燃烧，也可以采用 冷或热的天然气运行方式，但是必须满足当量韦伯指数对天然气温度的要求。从 25%到 50% 额定负荷区段，仍然是先导预混合燃烧。但是，此时加热的天然气温度必须成功的控制当量 韦伯指数在限值上。50%到 100%额定负荷区间，是预混合燃烧阶段，此时要求严格控制天 然气温度，控制好当量韦伯指数，直至燃机进入基本负荷温度控制。以燃气轮机组 Mark-VI 控制系统对当量韦伯指数的要求（39.9819＜MWI＜44.1905，且上下限各有 0.4208 的死区范 围在允许范围内），当 L3FGW-PERM 置 1 才能进入预混合燃烧模式，见如下的逻辑控制图 3： 3 图 3 相应的应控制天然气温度在约低于 187.8℃，一旦天然气温度达到 193.3℃，应把性能加 热器停掉，关闭性能加热器的出水调节阀，降低天然气的温度。但是天然气温度降到额定参 数时，应将性能加热器继续投入运行，否则燃料温度会迅速下降，导致当量韦伯指数低燃机 降负荷运行。当天然气温度大于 198.9℃后，机组发自动停机命令。天然气温度低时，如上 所述，如果 TTRF1 大于 1037.8℃ ，根据当量韦伯指数的计算，不允许燃机在 PM 运行模式 下运行，此时燃机将降负荷运行，退出 PM 预混合燃烧模式，进入 PPM 先导预混合燃烧。 3. MWI 参与燃料/空气比的控制 由于在一定负荷下，机组的 IGV 开度一定，空气流量是确定的，此时控制燃料/空气比 只要控制燃料量就可以了。 虽然燃气轮机对燃料的热值范围要求较宽（如 PG9351FA 燃气轮机组可以适应 70---100%的天然气热值），但是对特定的燃烧系统来说，热值的变化范围是受限制的。对选 定的燃烧器，它的燃烧器喷嘴只能适应于固定范围内的压比。由燃料热值引起的变化只能通 过改变燃烧器喷嘴大小或者调整燃料温度的方法来适应，在机组运行中更换燃烧器喷嘴是不 切实际的。因此，只有采用调整燃料温度的方法。但是为了避免燃料密度因素的影响，引入 了校正韦伯指数（Modified Wobbe Index，简称 MWI）的概念，用来衡量进入燃烧器的相对 能量。在允许的 MWI 数值范围内可以保证燃机在不同负荷运行时燃烧器喷嘴的压比。其中 喷嘴与压比的关系涉及到雷诺数的计算和燃烧器的选型。雷诺数的计算公式：RE=vl/a，v 是气流的平均速度，与压比有关；a 是动力粘度，与气体的密度有关；l 是喷嘴喷口的口径。 雷诺数的大小关系到燃烧方式，如某型的燃烧器，扩散火焰时要求 RE＞2300，预混火焰时 要求 RE＜2300。而且燃烧器的长度与雷诺数和喷口口径存在一定的函数关系 L=f(RE,l)。 PG9351FA燃气轮机组配备的DLN-2.0+型燃烧器通过提高天然气温度来控制MWI数值在设 计值：42.08，并严格控制由于天然气温度的变化引起 MWI 数值在±5%的变化幅度。 它的计算公式如下： LHV MWI= SGgas×Tgas 此式等同于： LHV MWI= Mwgas×Tgas