大型天然气发电机组燃机运行条件分析

摘 要：大型天然气发电机组燃机作为电厂的核心设备，对启动及运行工况有极高要求。本文对燃机的工况进行阐述，从燃气成分、燃气供压、燃气中固液体杂质、硫等其他杂质含量、空气及水所携带污染物等方面，从一般工程上的要求进行讨论分析。对合理排查保障燃机工况提出建议。

关键词：天然气；燃机；运行要求

中图分类号：TM911.44 文献标识码：A

随着天然气在全球一次能源供应比重中的增大，天然气与传统能源燃煤和原油等相比，具有更清洁、热效率更高的优点，从而作为化石能源的代表被广泛应用。我国的化石能源分布无法适应各地区的经济发展情况。在我国南方，电厂已基本采用天然气发电机组作为燃煤机组电厂的替代。大量的燃油发电机组也被更新改造为天然气发电机组。天然气发电是最稳定的分布式供能方式之一，优秀的冷热电三联发电系统能够把燃气发电的有效率提高到95% 以上。在历史上，高发热值天然气一直是燃气轮机的主要气体燃料，大型的燃烧器机组应适合天然气燃烧，使氮氧化物的排放量降低，无需注入水蒸气，并能使用含有在一定范围内不同化学成分的各种天然气作为燃料气。

大型天然气发电机组的燃机，工艺结构复杂，热效率极高，一般装备两台机组即可组成中型电站。大型燃机，从启动到运行的工况都必须有严格的条件限制。燃气成分、燃气供压、燃气中可凝结液体、燃气中固体颗粒、硫等其他杂质含量、空气及水所携带污染物等都能对天然气燃机的工作造成巨大影响。

1 燃气成分要求

为了保证稳定燃烧，燃气中甲烷和惰性气体的含量应进行限制。除去惰性气体的含量，天然气成分中甲烷的含量应控制在80～98mol.%内。燃烧器按照某固定的气源调整后，天然气中甲烷含量的变化随惰性气体的增加或减少不得超过10%左右的浮动值。燃机所谓的惰性气体包括天然气中的氮气、二氧化碳等，其含量不能超过4mol.%。当惰性气体含量超高时，会产生燃烧压力波动，为了燃烧稳定，就要加大扩散燃烧的比例，这种情况下，氮氧化物的排放也会随之增加。

为了确定燃烧系统的能力，热值和比重是天然气必须要考虑的特性。它们被组合为一个指数，即燃气指数。燃气指数被定义为燃料的低位发热量与比重的平方根比率，单位为Kj/Nm3。例如标准燃料的燃气指数为35500 Kj/Nm3。通常情况下、燃气指数在47300±15%的范围内能被燃机所使用。一旦气体燃料被指定后，燃气指数的变化不应超过±5%，且其变化速率不能超过5%每分钟。

2 供气压力要求

供气压力取决于机组的结构尺寸、最低环境温度、海拔高度和使用的燃料。一般来讲，燃烧器入口处的压力值要求在2.8～4.6MPa（g）内，各厂家同级燃机的要求供气压力不同。一旦确定了入口的压力，燃机在各种运行模式下都应遵循固定的压力波动范围和压力变化速度。一般来讲，压力波动范围应在0.2MPa以内，压力变化速度不应超过0.1MPa/s。大于10Hz的压力波动峰峰值不能在连续2秒内超过0.001MPa。理论上不推荐使用带有微压振动的往复式增压机。若需使用燃气增压机时，一般应采用离心式或螺杆式增压机。

3 燃气中固液体杂质要求

气体燃料输送到燃烧系统的喷嘴时不能含有液体状态的成分，固体颗粒会使燃气喷嘴受到侵蚀、结垢和堵塞。这要求达到最高饱和温度的气液混合燃料应至少有11℃的过热度。

对于可凝结液体的去除，要求在燃料系统中就将液态的碳氢化合物除掉，这些液态碳氢化合物通常需通过设置在燃料供应线上收集器和加热器来去除。同时燃气最低的供气温度一般在5℃以上，以防止燃气管道和设备结冰。对于与燃气处理设备相连的周围燃气管道的长管段上，允许设有液体收集器，并设置适当的液位报警和停机保护装置。

燃气中含有的固体颗粒可能导致燃气喷嘴受到侵蚀、结垢和堵塞，应被严格控制。从燃气中供应到燃烧系统的固体颗粒应限制在30ppmwt以下，所有固体颗粒最大直径不能超过5μm。固体颗粒一般由沙粒、铁锈、焦油和硅石等组成。一般来说，燃气在进入燃机以前，必须安装过滤器除去所有颗粒重量比的99.5%wt和大于5μm的颗粒。

4 硫等其他杂质含量要求

以硫化氢H2S形式存在的硫的含量需控制在5 mol.%以下，这是为了限制硫化氢对燃料系统的有害影响。在余热回收利用时，硫对余热锅炉存在低温腐蚀，一般建议燃料中含硫总量（含H2S及其硫化物）最大为0.5mol%。

一般建议燃料、水和空气的微量元素总量在燃料重量基础上不能超过表1的要求。

5 空气及水中所含污染物要求

压气机入口的空气杂质会使进入热通道的杂质大大增加。为了测定污染的程度，空气与燃料质量比率乘以空气的污染物水平得到在假定的液态燃料等量基础上的污染物浓度。

同时，排放控制用水或对设备清洗时使用的水也会增加进入热通道的杂质。水所携带的污染物同空气所含污染物计算方法相同。如果杂质含量超过了要求，一般需安装水净化系统。水中污染物的类型按照活性溶解物质和全溶解物质进行分类。活性溶解物质包括硅、氯化物、铁和铜以及溶于水的氧；全溶解物质则为活性溶解物质所未包括的物质，假设其在燃烧过程中转化为氧化物，最终增加烟囱的排放物。溶解物质的质量被认为由于在燃烧过程中被氧化而加倍，并作为固体颗粒排除。水中所携带的全溶解物质的含量受到地方法规的限制。

6 燃料、空气和水的评价

在燃料使用之前，用户应提交燃料分析报告给燃机的供应商以审查并提出建议。燃料、空气和水分析报告需涵盖如下项目。

水分析包括杂质、活性溶解物质和全溶解物质的含量。

气体燃料分析包括化学组成分析、热值、杂质、供应条件、物理特性。

压气机入口空气分析包括杂质的含量。

结语

大型天然气发电机组燃机属于复杂程度非常高的核心设备。国内的生产厂家已经具备了一定的生产制造能力，但是同三菱、西门子等国外厂家的产品相比，在故障率、运行波动、维修周期等方面都存在较大差距。在工程领域，由于启动工况不合格而导致燃机无法启动的情况更是时有发生，出现这种故障将对经济民生造成巨大影响。合理的排查故障，保证以上燃机的运行工况和条件，对机组的平稳高效运行具有重大意义。

参考文献

[1]樊栓狮，徐文东，谢东来.天然气利用新技术[M].北京：化学工业出版社，2012.

[2]项友谦.天然气燃烧过程与应用手册[C].北京：中国建筑工业出版社，2008.