燃油品质对燃气轮机运行的影响分析

1前言

　　燃气轮机对于油种的要求，主要有以下2点：
　　（1）对于高压空气雾化，进入喷嘴的燃油粘度≤20 cst；对于低压空气雾化≤10 cst。这一点可以根据燃油的粘温特性，通过控制加热温度来得到保证。
　　（2）元素Na＋K≤1 mg／kg和V≤0．5 mg／kg（不再处理时），否则需要添加抑钒剂。这可以通过选用合适的油处理设备和添加适当的抑钒剂来达到上述要求。
　　浙江省电力公司下属的温州龙湾、镇海燃机电厂分别燃用流化11－1原油和进口180号重油，表1列出了一些燃油的油品特性。从这些燃油特性可以看出，不管是什么油品，只要其粘度（由加热温度和油品粘温特性确定）符合燃机的制造商（或喷嘴制造商）对进入喷嘴的油粘度要求，以及进入喷嘴的微量金属成份要求，都可以在燃机上使用。由此从表1可以得出，按180号重油设计的燃机，国产100号重油及大部分的原油均可适用。

　　2 对于燃用重质油的燃机，粘度是一个相当重要的物性参数。粘度对燃料辅助设备具有重要意义，因为它决定了泵送温度、雾化温度和油泵压力。同时，粘度的大小会影响喷嘴的雾化特性，按GE公司的要求，燃气轮机燃烧重质油时一般要采用空气雾化技术，对于低压空气雾化要求燃料在喷嘴前的燃油粘度小于10 cst，当采用高压空气雾化时，其粘度则不要超过20 cst。如超过这些限值，会造成点火性能不佳，燃烧室出口温度分布不均，燃烧效率低，积炭和烟雾。造成这些问题的原因就是粘度增大会使喷嘴的雾化粒径变粗，并且雾矩内颗粒分布也会发生变化。因此在大多数情况下，燃料在运送和雾化过程中必须采用加热系统，从而保证在各种大气条件下燃料喷嘴处的粘度在限值以内。

　　对于喷嘴对燃油的粘度适应范围，不同的喷嘴开发商有不同的指标，一般有：不同燃油粘度下喷嘴雾化细度；不同燃油粘度下喷嘴流量特性；不同流量下喷嘴雾矩分布。
　　对于燃烧而言，除了雾化指标外，还要考虑和燃烧筒的空气匹配，以达到燃烧工况最佳的要求。

　　图1～4所示为几种油品的粘温特性，从图中可知与180号重油和流化11－1原油（浙江镇海、龙湾电厂设计用油）相比这些国产渣油的粘度都比较大，其中秦皇岛油样的粘度最低，80℃时动力粘度100 mpa．s，相当于国产100号重油。120℃动力粘度23 mpa．s，130℃时动力粘度15mpa．s。GE公司的规范规定燃油的最大预热温度不能超过135℃，由此可见，国产重油必须在标号100号以下才能勉强符合燃气轮机用油要求。
　　从表1和图1还可以看出，实际180号油的粘度比其质量指标要好。因此对于燃机用户来说，不仅要看油品的质量标准，更重要的是要分析实际油品的质量指标；另一方面，由于重油的实质是调和油，对于粘度，不能仅仅看某一点温度下的粘度，还要看粘温曲线。
　　由于重油的复杂性，因此，一方面在运行时应根据粘温曲线确定加热温度；另一方面，是否可以让喷嘴制造商（或燃机制造商）提供喷嘴在不同粘度下的流量、雾化细度、雾化角、雾炬分布等喷嘴特性参数，以便于电厂运行时参考使用。
　　2．2比重
　　比重不是燃气轮机燃料的一个关键特性，但对一给定的燃料种类来说，它能指示其碳氢化合物的化学成份。比重低的馏分油主要成份是烷烃，而比重高的蒸馏油主要成份为芳香烃。同时，比重具有一定的经济意义，当燃料是按照容积购买时，同样容积的燃料比重越小其热值相应也越低。 　 　　由于油处理的除盐分离都是借助于油水的比重差进行的，所以，若油的比重太接近水的比重，势必会造成分离困难或增加油处理的成本。因此一般要求所选油品比重小于0．96，最大不要超过0．972。当然上述限制是针对标准水洗装置用于一般燃油而言的，对比重较高的燃油来说，可采用高效率脱盐设备（花费更大的附加费用）或者采取措施增加燃料和冲洗水的比重差的方式进行脱盐。
　　3 燃油成分对燃机运行的影响
　　燃油中的有些微量金属元素对燃机的影响是相当严重的，有的腐蚀热通道金属，缩短部件寿命；有的形成结垢，影响机组出力；有的则两者兼而有之，燃油中典型的有害微量元素以及GE公司对燃油微量金属的含量极限如表2所示。　

　　3．1钠Na和钾K
　　Na和K对燃机的危害主要是他们可以与钒结合形成低熔点的共熔化合物，还与硫化合形成硫酸盐，以熔融状态积存在透平叶片上，从而腐蚀热通道金属，严重缩短热通道部件的寿命。
　　我们以Na为例来分析碱金属元素对燃机的危害。燃油中的Na在燃烧室中燃烧以后一般以Na2SO4的形态存在，Na2SO4的熔点较低（884℃），在V、Ca、Pb和W等元素影响下，其熔点还会大大降低（低达300℃），这样Na2SO4往往以半熔的粘液状态存在于燃气中。Na2SO4熔液会粘附在热通道的金属表面上，尤其对没有氧化铝保护层的金属面，能使Cr2O3金属保护层腐蚀熔化。从而使活跃的合金材料暴露，被SO3和O2等直接腐蚀，若热通道部件有小裂缝等金属缺陷的话，这种腐蚀在缺陷的边界处将会发展得更快，燃油中硫含量比较高时，这种腐蚀会更加严重。当燃油中Na＋K含量大于1 mg／kg时，必须采用除盐装置使之含量达到规范要求。

　　3．2钒V
　　在不加抑钒剂时，燃油中的钒对燃机的危害是多方面的，一方面由钒形成的低溶点熔化物会腐蚀热通道金属部件；另一方面，由钒形成的较高熔点的化合物易在热通道表面结垢，降低机组的性能。
　　在无抑钒剂的燃气中，钒一般以低熔点（675℃）的V2O5形态存在，它易与燃气中熔化状态的Na2SO4结合形成低熔点的碱金属钒酸盐（NaVO3、Na4V2O7、Na3VO4等），它们都会对燃机热通道的金属产生严重的电化腐蚀。燃用含钒量较高的重（渣）油时，由于钒是油溶性的，不能通过水洗除去，因此需要在燃油中添加抑钒剂（一般是镁基抑钒剂）。但是使用抑钒剂也会带来一些问题，其中最主要的是引起透平通流部分结垢，导致机组的出力下降和油耗增加。一般而言，较多的含钒量，较高的Mg／V比，以及易结垢的抑钒剂都会导致出力的明显下降。因此在选用抑钒剂时要综合考虑其价格、对机组运行影响（是否容易结垢、结垢是否容易清洗）等因素，在使用时尽量使Mg／V比维持在3～3．5。
　　3．3其它金属元素
　　钙在燃气中一般形成氧化钙CaO和硫酸钙CaSO4。它们会沉结在热通道表现，形成坚硬，水溶性差的结垢，不易清除。铅在燃气中不仅能与钠、钾、钒等一起形成熔化物，对热通道金属产生严重腐蚀，还能削弱镁盐抑钒剂对钒的抑制作用，因此在燃油的储运过程中要防止铅污染。
　　3．4硫S
　　硫在燃气中都转化成SO2和SO3，它们和钠、钾等碱金属元素结合形成碱金属硫酸盐，这是燃机热通道产生高温腐蚀的主要原因之一。由于硫在燃油中一般以有机硫的形式存在，很难除去，因此为防止高温腐蚀，可以控制碱金属含量。对于有余热利用装置的机组，需要特别注意硫的氧化物容易引起低温受热面的腐蚀。
　　3．5灰份
　　虽然在GE公司燃油标准里没有灰含量要求，但灰份大对燃烧、积灰（结垢）、油的过滤都会产生不利影响。实践证明，燃气轮机改烧重油以后，烟气中的灰份沉积在燃气轮机透平通道表面和余热锅炉翅片管表面，使机组出力约以0．04％／h速度下降，油耗率约以0．03％／h的速率上升。
　　4 燃气轮机在燃用重（渣）油时应采取的一些措施
　　相对于轻质燃料油而言，重质燃料油（重油和渣油）的挥发性差，它含有大量的沸点高而分子结构复杂的碳氢化合物。这些高分子碳氢化合物在加热燃烧过程中首先分解为小分子的碳氢化合物，在燃烧组织不良时，会发生喷嘴结炭和燃烧时冒黑烟现象。因此在燃烧重（渣）油时，应注意以下几点：

　　（1）在其它条件满足的前提下，尽量使用比重较小的油品。根据前面的介绍，比重小的油品含轻质碳氢合物成份较多，对着火和燃烬有利；另外，比重低的燃油分离效果也更好。

　　（2）研究或试验喷嘴的雾化特性。除了要求喷嘴制造商提供不同粘度下喷嘴的雾化特性指标外，电厂可以在不同油温下（也就是不同粘度）对燃烧特性进行试验分析，确定喷嘴的最佳雾化范围。一般来说，喷嘴雾化细度越细，燃烧性能越好。

　　（3）控制好燃烧室的配风。就燃用重油而言，不能向燃烧室头部较早的供入过量空气，这会导致燃烧推迟，并使燃烧区温度处于一个较低的水平，影响重（渣）油的蒸发和燃烬；但同时，重油燃烧产生黑烟的根本原因是燃烧初期供氧不足，重碳氢化合物被加热分解时由于缺氧而产生游离状态的碳，也就是所谓的碳黑。碳黑一旦产生，很难燃烬，虽然这些碳黑对机组的燃烧效率影响很小，但一方面对环保不利；另一方面，碳黑容易在余热锅炉尾部吸附烟气中的水蒸汽，污染尾部受热面（在燃油中含量较高时更是如此），导致排烟温度上升和尾部受热面腐蚀。因此，在保证喷嘴雾化性能的前提下，如何合理配风是重油燃烧的一个重要问题。

　　（4）油系统的加热。燃油的加热是控制粘度的一个重要手段，由于重油都是调和油，其热稳定性各不相同，应尽量防止产生在加热时残碳析出和其它热稳定性被破坏的情况。因为，这将导致喷嘴和加热器工作不正常。
　　总的来说，燃用重（渣）油时，燃气轮机机组的油系统、燃油喷嘴、燃烧室都应该采取相应的措施来保证其安全正常运行。对于油系统必须采用分别供给重质油和柴油的双燃料供油系统。根据燃油的粘温特性和雾化细度对粘度的要求，设计合理的预热系统，防止预热温度过高而发生沉淀；根据实际燃油中碱金属与钒含量以及规范对 之的含量限制，采用最经济的清洗装置与抑钒剂。要设计适合重质油燃烧的燃油喷嘴，保证雾 化细度足够小，而且具有适当的雾化角。对于燃烧室，为防止低负荷下的打油结炭和高负荷下的火焰过长和火焰管壁温度过高现象出现，要有合理的配风，并在一定的条件下增加燃烧室的旋流强度；增加头部火焰管的冷却空气量；采取降温运行等。