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[信息] 重型燃气轮机气体燃料处理规范

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发表于 2009-11-11 22:10:17 | 显示全部楼层 |阅读模式
1. 概述 GE公司生产的重型燃气轮机燃用的气体燃料范围广泛,详见表1。由于这些气体燃料中含有活泼的或惰性成分以及燃料本身主要成份的不同,从而使这些气体具有较广的特性范围。制定本规范是为了确保GE公司生产的重型燃气轮机能够安全可靠地燃用表中列出的这些燃料。表2是确定气体特性的试验方法。表3列出了燃气轮机安全运行对燃料特性和杂质的限制,即气体燃料规范。
1 气体燃料分类
燃料
低热值Btu/SCF(MJ/NM3)
主要成分
天然气
液化石油气
工业过程气
气化气
吹空气气化气
吹氧气气化气
800-120029.8-44.7 2300-3200(85.7-19.2) 300-1000(11.18-37.3) 100-150(3.7-5.6) 200-400(7.5-14.9)
甲烷
丙烷,丁烷
甲烷,,一氧化碳,二氧化碳
一氧化碳,,
一氧化碳,
2 气体燃料的试验方法
特性
美国材料实验协会(ASTM)方法
气体成分(色谱法气体分析) 热值
比重
压缩性系数
露点

D1945
D3588
D3588
D3588
D1142
D3246
3 气体燃料规范
热值
最小LHV(1) 100-300 Btu/SCF(3.7-11.2 MJ/NM3) Wobbe指数变化
起动 ±5% 大于FSNL(全速空载) (2) 过热度要求 >/水的露点50(28)以上
可燃性极限比 >2.2/1(富油/贫油,体积比) 杂质
微量金属(3)
+
(/)=28(3)
(/)=3
(/)≤1
透平进口极限含量(XE) ppbw
燃料极限含量(XFe) ppmw
透平进口流量/燃料流量(E/F)
50
12
4
20
10
20
10
6
40
40
1.00
0.50
1.00
0.50
0.30
2.0
2.0
0.240
0.120
0.240
0.120
0.072
0.480
0.480
0.080
0.040
0.080
0.040
0.024
0.160
0.160
颗粒
总量
大于10微米
600
6
30
0.3
7.2
0.072
2.4
0.024
(4)
600
30
7.2
2.4
1. LHV取决于燃料成分。具体燃料成分应由该项目工程部门提供。
2. 参见燃料特性热值章节。有关干式低NOx,参见附件1
3. 微量金属极限的定义和计算参见附件2。一般海水中的钠/=28
4. 仅适用于有余热锅炉的机组。如果选择催化还原设备,可提出报告。
2. 天然气和石油气这一类气体燃料包括通常称为天然气和液化石油气(LPG)。天然气中主要成分是甲烷,以及少量的重烃,如乙烷、丙烷和丁烷。液化石油气是丙烷和乙烷以及微量重烃的混合物。
A
天然气:天然气的热值通常在每标准立方英尺8001200Btu29.8-44.7 MJ/NM3),这取决于其中重烃和惰性气体所占含量。天然气的清洁度及其重烃含量的变化范围很大。当天然气从井下喷出时,其中含有氮气、二氧化碳、硫化氢和各种杂质,如盐水或砂和灰尘。在大多数情况下,天然气在使用前已将其中的水分、固体颗粒和硫化氢清除。而在某些情况下,特别是在海洋地区,输送的燃料气中含有硫化氢。由燃气轮机燃料控制系统的特性所决定,天然气到达燃料入口处必须完全气化。这就是说,不能含有液态烃。如果在天然气输送管道中有液体的话,不论是液态烃或水分,都必须在天然气进入燃机之前将其分离掉。在某些情况下,需要综合使用过滤分离器和加热等方法。如果天然气中含有任何微量杂质,都必须对可能残留的微量杂质进行评估,以确定其对透平高温通道可能产生的影响。
B
液化石油气:液化石油气由于有较高的商用价值,一般不用作透平燃料,只是作为备用燃料或有液化石油气供大于求时临时使用。液化石油气的热值大大高于天然气,且通常要求燃料喷咀旋流器及控制阀的尺寸适合于该气体所要求的运行条件。由于这种气体容易液化,所以它们总是需要加热,使其转变并保持在供给燃机时为气体状态。50°F(28)的最低过热温度可保证没有液态烃进入燃机。通过对输气管道采用适当加热和伴热,经验表明这些燃料的运行是非常成功的。
3. 工业过程伴生气许多化学过程中产生过剩气体(尾气或提炼伴生气)。这种气体可以成为透平的极好的燃料。这些燃料通常是在提取石油化学产品之后剩下的甲烷、氢、一氧化碳和二氧化碳气体的混合物。由于这些气体中常含有氢或一氧化碳,它们的富/贫可燃性极限比很大,因此可能需要特殊的清吹及其它安全措施。如果其可燃性极限相当的宽,以至于其稀释至排放条件时,在常规点火时仍能燃烧,则需要一种危险性较小的燃料作为起动燃料。这些工业过程伴生气中值得考虑的是那些在炼钢过程中产生的气体。传统的炼钢过程中的副产品是高炉煤气和焦炉煤气。最近,一种新工业过程COREX的伴生气,可成为燃气轮机有吸引力的燃料。
A
高炉煤气(BFG):高炉煤气不适合作GE公司燃气轮机的燃料,除非在其中掺入焦炉煤气或天然气。通常,高炉煤气的热值低于规定的热值。其它烃如丙烷或丁烷,也可用来补充高炉煤气。
B
焦炉煤气:焦炉煤气的氢和甲烷含量较高,可用于常规的燃烧系统而不需进行改造。这些燃料可能会含有微量的重烃,对于这些重烃需要特殊的清除技术,以防止在燃料喷嘴上产生结焦。
C COREX气体:COREX气与吹氧气化燃料相类似,也可以和这些燃料一样处理。通常,这种气体中的氢含量较低,热值也低于吹氧气化燃料。进一步的有关的燃烧指导可见矿物局的503622刊物。
4. 气化燃料其它气体燃料可由煤、石油焦或重质液体燃料气化而来。所谓中热值的气体是由吹氧气化产生的。这些燃料的热值范围在200400Btu/SCF7.45-14.9 MJ/NM3, 可成为燃气轮机极好的燃料。
这些燃料中氢的体积含量一般在30%以上,其H2/CO的摩尔比为0.50.8。为了控制热NOx的产生、改善循环效率或提高出力, 这些燃料通常与蒸汽或氮气相混合。蒸汽或氮气可以单独地或与燃料混合喷入燃烧室的头部。由于这些燃料含有大量的氢,而氢的含量高产生较高的火焰速度和逆燃的不稳定性,会影响干式低NOX系统,这些燃料一般不适用于DLN(干式低NOx)系统(见附录1)。这些燃料必须由项目工程部检查。
低热值气体燃料通常是由鼓风气化而产生并以特殊的方式处理的。它们的热值变化范围在150Btu/SCF(5.59 MJ/NM3)至低100Btu/SCF(7.91 MJ/NM3),其氢含量变化范围在8%20%(体积含量),其H2/CO摩尔比的变化范围在0.33:1。就气化燃料而言, 透平总流量中有相当一部分来自燃料。此外,对于吹氧气化燃料来说,还需要加入稀释剂以控制NOx。仔细地考虑燃气轮机与气化设备的性能匹配,是保证燃烧系统可运行性的关键。由于吹氧和鼓风气化的热值较低,需要特殊的燃料系统及燃料喷嘴。
5. 燃料特性
A
热值燃气轮机可使用热值变化范围很大的气体燃料,而专用燃料系统所能适应的变化量要小得多。以修正的Wobbe指数(《天然气》一书,E.N.Tiratsoo, Scientific Press Ltd., Beaconsfield, England, 1972)表示的热值变化有下列限制: 低热值(Btu/SCF) Wobbe指数=────────────────── [比重(以空气为基准绝对温度(R)]1/2 就点火和起动而言,允许的Wobbe指数的变化范围是+/-5%。对于在FSNL 之上的运行来说,Wobbe指数的允许变化可大大超过+/-5%,并且主要是燃烧工程部制定的最小的允许燃料喷嘴压比的函数。在机组的稳态运行期间,不允许压比低于确认的最小值。如果超过了这一最小值,则需要一种带有两套测量孔的气体燃料喷嘴、和由单独控制阀供气的两套气体燃料供气母管的特殊气体燃料系统。当热值改变时,热值变化速率必须足够慢,以防止对燃气轮机控制系统的干扰。
B
可燃性极限
如前所述,含有氢或一氧化碳的气体的富/贫可燃性极限比大大高于天然气的极限比。当稀释至燃气轮机排气状态时,如果其混合物的贫可燃性极限为常规点火仍是易燃的话,便可认为是危险的气体。在这种情况下,需用天然气或馏分油作启动燃料将透平带到某种稳定工况后再进行燃料切换即可保证安全。一般来说,氢的体积含量大于5%的气体就需要单独的启动燃料。
另一方面,惰性气体含量(如氮或二氧化碳)较大的天然气的富/贫的可燃性极限比小于纯天然气。如果在一个大气压和60°F(15.6) 的标准条件下,这个可燃性极限比小于2.2/1时,经验表明,这种燃料在透平的整个运行过程中保持稳态燃烧是存在问题的。
C
温度和供给压力
通常,天然气的供气温度为环境温度,除非使用天然气压缩机,把天然气压缩到额定供给压力(见附录3)。在这种情况下,起动时需要控制天然气的温度,使Wobbe值限制在规定范围内。同时,在管道压力条件下,天然气温度应有高于任何可冷凝的烃/水露点50°F(28) 的过热度。
通常,工业过程伴生气和液化石油气以大约350°F(177)的温度输送,在燃料系统里有微小温度变化。由于循环效率的原因,气化气往往以400°F(204)或更高的温度输送。这些应根据实际情况或由项目工程部来审查。
6. 杂质供往燃气轮机的气体燃料不能含有任何明显的液滴或固体颗粒。这些杂质需由燃料的生产商或供应商在供给燃气轮机之前清除干净。当然,可能出现在气体燃料中的杂质取决于气体的种类,可能出现的杂质种类列表如下:
1. 焦油、黑油烟、焦炭 2. 水、盐水 3. 沙、粘土 4. 灰尘 5. 硫化铁 6. 洗涤油或液体7. 润滑油 8. 9. 气体水合物
3中第4 条所规定的燃气轮机燃料里所允许的颗粒和微量金属杂质的浓度是根据透平热通道的质量流量中的实际浓度确定的。气体燃料的极限是,当注入稀释剂(蒸汽、水等)以及燃烧室空气流量稀释后,使杂质的含量降至透平热通道部件允许范围内的浓度值。目前尚没有公认的确定透平进气中颗粒、微量金属杂质含量的试验方法。
3中给出的透平进口和燃料中的等效杂质限制量XEXFe是所有来源的杂质总量。它包括来自蒸汽/水和空气中的杂质。对用来控制NOx或提高出力的蒸汽/水中钠和钾的限定量为10PPb、固体颗粒的限定量为100PPb(相对于燃气)。在压气机进口空气中的钠和钾的限定量为5PPb
A
固体表3给出了燃料中固体杂质的规范。不同种类的固体杂质可以引起高温腐蚀、积垢及磨蚀等。这些固体杂质最终还是到了排气中,在某些地区是排气中的颗粒是要受到限制的。气体燃料中颗粒状杂质可以引起磨蚀和堵塞气孔、积垢以及高温燃气通道的磨蚀。所以表3给出的规范要求气体燃料中含有的固体杂质在透平进口处不能超过600ppb(重量含量)。而尺寸大于10微米的颗粒其重量含量不能大于1%,这取决于颗粒的密度和形状。这种尺寸的颗粒或更大的颗粒会引起严重的磨蚀(见附录4)。对于低热值的气体燃料来说,在透平进口处燃料中固体颗粒的影响超过了天然气。因此,低热值气体燃料中固体颗粒的控制含量比天然气中固体颗粒的规定值更低。
B
液体
进入燃烧室的液滴可能引起火焰温度和透平负载的快速波动。燃料液滴会通过燃烧室在下游的高温燃气通道内燃烧,从而引起超温甚至烧蚀高温燃气通道部件。在使用低热值气体燃料的情况下,如果燃料中含有液态水将会导致由于火焰温度迅速降低而引起的熄火。
气体燃料系统中的液体会聚集在较低的位置, 并且在燃料流量发生变化的过程中还会以液滴形式间断地流动。在进燃机前可用传统的液体分离器将燃料中的液体分离出去。用过热的方法可以避免燃料在进燃轮后的液体凝结。
C

经验已经证明,燃料中硫含量在1%以下时,氧化/腐蚀的速率不会太快。在透平进口处规定燃料中碱的含量为20ppb(见表3),可以控制热通道部件的高温腐蚀。这样就控制了碱金属硫酸盐的形成量, 高温腐蚀主要是由这些盐引起的。除非硫的含量非常低,通常需将碱的含量限制在不使热通道部件材料发生高温腐蚀的限度。
如果使用余热锅炉,需要规定气体燃料中硫的浓度。如果余热锅炉的金属温度低于硫酸露点温度,就会产生由硫酸露滴引起的严重腐蚀。天然气中硫的含量为30ppm时,天然气的露点大约为170°F(76.7),而硫的含量为0.3%时,天然气的露点大约为250°F(121)。这些都是大概值, 都取决于锅炉和燃气轮机的设计。
为了控制NOx而在燃气轮机下游注氨后,会在低温蒸发器和省煤器管子上产生硫酸铵和硫酸氢铵的沉积物。上述沉积物是酸性的,因此也具有腐蚀性。在由进口空气带入少量氯化物的情况下, AISI(美国钢铁学会)300型不锈钢也会产生裂纹。硫酸铵和硫酸氢铵的沉积速率取决于燃料中硫的含量、管子温度和锅炉设计。含硫量如超过那些用作天然气添加剂的燃料,应向项目工程部报告。
硫经燃烧后主要生成二氧化硫,但也有5%10%氧化为三氧化硫。三氧化硫会引起硫酸盐的生成,在某些场合还要将其计入颗粒产生的影响中。
当燃料中含有硫化氢H2S(酸性气体燃料), 应检查输送燃料的材料是否符合NACE MR0175-93标准。
D
微量金属杂质
有四种与高温腐蚀有关的主要元素(GEI-41047液体燃料规范和GER-3419 燃气轮机进口空气处理):钠、钾、钒和铅。大多数气体燃料中只含有钠, 而由煤转化而成的燃料中才会含有钾和钠。钙和镁的含量也要被限制,因为这些微量金属会在高温燃气通道中产生结垢。表3中给出了钙和镁含量的允许范围。附录2给出了燃气轮机的所有来源的杂质,如空气、燃料、蒸汽和水等的关系式,并给出了燃料和透平进口处杂质的限制。
从所有来源进入高温燃气通道的碱性金属总量,特别是钠和钾,必须降到尽可能少以防止透平材料发生高温腐蚀。任何一种来源的钠和钾的化合物与燃气中的硫反应时,都会在热通道部件上形成有腐蚀作用的碱金属硫酸盐。
燃气中的碱金属主要来自燃料、空气以及注入的水和蒸汽等。虽然燃气中的碱金属越少越好,而透平进口实际控制的碱金属含量为20ppb(重量含量)。这就决定了通常规范中所规定的天然气中钠加钾的含量为1ppm,其燃气与燃料的重量比为50/1。附录1 用于干式低NOx燃烧室的气体燃料
下表列出了能够确保在干式低NOx燃烧器中稳定的预混燃烧的燃料成分的极限值。不满足这些极限值的燃料应向项目工程部提请帮助。
最小容积含量%

最大容积含量%
百分比的基准
85
CH4
100
各种反应物
0
C2H6
15
各种反应物
0
C3H8
15
各种反应物
0
C4+(烷基)
10
各种反应物
0
CO
15
各种反应物
0
H2
10
各种反应物
0
O2
10
各种反应物
0
CO2
15
所有成分(反应物和惰性气体)
0
N2
30
所有成分(反应物和惰性气体)
附录2 等量杂质关系式
下列关系式可用来确定透平进口杂质和燃料当量杂质浓度,以便与表3中给出的极限值进行比较。通常在透平进口有来自燃料、空气和蒸汽/水的杂含量的质量平衡式: 1. E=F+A+S 2. (XE)E=(XF)F+(XA)A+(XS)S 式中: A.F.SE分别为透平进口的空气、燃料,注入的蒸汽/水以及燃气的质量流量。而XAXFXSXE分别为透平进口的空气、燃料,注入的蒸汽/水以及燃气中的杂质浓度(质量含量ppm)
将式(1)和式(2)除以F,再把(1)代入(2)得到燃料的当量杂质浓度XFe 3. XFe=XE(1+A/F+S/F)=XF+XA(A/F)+XS(S/F) 例如:对某种含盐的天然气来说,其钠含量为0.1ppm,而空气中的钠含量为5ppb,蒸汽的钠含量为20ppb,那么,当A/F=50S/F=1时燃料中的当量钠含量可按方程(3)来计算: XFe=0.1+0.005(50)+0.020(1)=0.37ppm 即将三种来源的钠含量折算成全部来自燃料的钠含量。
由公式(3)可得透平进口钠的含量XE: XE=XFe/(1+A/F+S/F)=0.37/(1+50+1)=0.0071ppm=7.1ppb 这些值都在钠规范值的范围之内, 钠的规范值是: 燃料标准(XFe)1ppm, 透平进口钠的含量(XE)20ppb。表3给出了所有杂质的XEXFe的值。
附录3 气体燃料的供给压力必须超过燃料喷嘴最大压降和为使控制阀喉部保持音速的气体燃料控制阀最小压降。下面给出了各种系列燃气轮机典型的最小和最大标准的气体燃料供给压力要求。如气体燃料的压力超出了这一范围, 可与项目工程部联系。IGCC 和其它低热值及中热值气体燃料的供给压力要求可以不同于表中所列的压力值。在这种情况下, 应向项目工程部报告。
供气表压(磅/英寸2 [MPa]
系列型号
所需要的最小值
最大允许值
标准情况5915
干式低NOX 5915
3002J
115[0.79]
-
205[1.413]
5001P
200[1.378]
-
275[1.895]
5002C
175[1.206]
-
225[1.550]
6001B
240[1.654]
285[1.964]
350[2.412]
6001FA
310[2.136]
350[2.412]
450[3.101]
7001EA
260[1.791]
290[1.998]
350[2.412]
7001FA
310[2.136]
350[2.412]
450[3.101]
9001E
250[1.723]
300[2.067]
450[3.101]
9001FA
315[2.170]
350[2.412]
450[3.101]
LM6000
655[4.513]
655[4.513]
695[4.789]
附录4 从磨蚀角度考虑的有效颗粒尺寸是由颗粒的最终沉降速度来确定的。固体颗粒的尺寸和密度分布要求为: 在空气中(2130英寸[762mm]汞柱)的最终沉降速度大于14 英寸356mm/分钟的颗粒重量不得大于1%, 最终沉降速度超过23 英寸584mm/分钟的颗粒不得大于0.1%
对于固体球形颗粒来说, 如果已知粒子的尺寸、形状和比重,就可以用STOKE定律来计算最终沉降速度。下表给出了比重为2.04.0 的球形颗粒等效直径的极限和最终沉降速度。
沉降速度
英寸/分(mm/min

(以水为基准)
等效球形颗粒直径
微米
14(356)
23(584)
14(356)
23(584)
2
2
4
4
10
13
7
9
附录5 参考文件 MRO175-93 NACE 标准
油田设备的防硫化应力裂纹的金属材料
矿物局会刊622
可燃气和挥发气的着火特性, 1965 矿物局会刊503
可燃气和挥发气的着火特性, 1950 GEI-41047 燃气轮机液体燃料规范 GEI-3419 燃气轮机进口空气的处理英格兰Beaconsfield科普出版社
天然气 E.N.Tiratsoo 1972
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