張濤　李玉剛　朱鴻飛　曹煉博　周浩　徐澤鵬

摘要：管道天然氣的成分和特性因產(chǎn)地區(qū)域和季節(jié)的變化而不同，直接影響著燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行安全和經(jīng)濟(jì)性能。本文主要針對(duì)天然氣溫度特性，分析天然氣溫降原因及影響，進(jìn)而對(duì)燃?xì)怆姀S天然氣加熱設(shè)計(jì)依據(jù)進(jìn)行了分析探討，進(jìn)一步對(duì)天然氣加熱裝置進(jìn)行了簡要分析。

關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C(jī);天然氣;加熱;性能分析

Design basis and analysis of initial natural gas temperature of gas turbine

Zhang Tao，Li Yugang，Zhu Hongfei，Cao Lianbo，Zhou Hao，Xu Zepeng

（GuoDian Science and Technology Research Institute，NanJing，210000）

Abstract：Composition and characteristics of pipeline natural gas would be changed for the different areas of origin and the seasons ，which directly affect the operation security and economic performance of gas turbine. According to the characteristic of natural gas temperature ， the paper analyzes the reasons and the? influence of the natural gas temperature drop ， and then gas heating design of the gas power plant and inlet gas heating devices have been discussed in this paper.

Key words： Gas turbine，Natural gas ;Heating; performance analyze

引言

隨著我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和節(jié)能環(huán)保的要求，特別電力體制改革和天然氣價(jià)改的不斷深化下，高效清潔環(huán)保的天然氣發(fā)電受到越來越多的關(guān)注。根據(jù)規(guī)劃，2020年天然氣在我國一次能源消費(fèi)中的比重要達(dá)到10%以上，利用量將達(dá)到3600億立方米，成為未來我國能源革命的重要引擎。隨著天然氣占中國一次能源消費(fèi)比重不斷提高，以及發(fā)展天然氣發(fā)電的重要意義日益凸顯，未來我國天然氣發(fā)電前景廣闊[1]。

當(dāng)前，我國燃?xì)怆姀S的燃料來源主要為管道氣，較少部分采用液化天然氣（LNG）。管道天然氣的成分和特性因產(chǎn)地區(qū)域和季節(jié)的變化而不同，直接影響著燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行安全和經(jīng)濟(jì)性能。GE、西門子三菱等不同燃機(jī)主機(jī)主要采用熱水或電加熱，使得天然氣溫度滿足一定的要求。文獻(xiàn)[2]研究利用中壓給水經(jīng)省煤器后廢熱提升燃?xì)鉁囟?，溫度升高?85℃滿足燃機(jī)進(jìn)氣安全的同時(shí)提高了燃機(jī)效率。文獻(xiàn)[3]介紹了國內(nèi)多種管道天然氣加熱技術(shù)存在的不足，研發(fā)出基于天然氣水合物生成臨界溫度的自動(dòng)調(diào)控模式的全預(yù)混浸沒燃燒天然氣加熱裝置。文獻(xiàn)[4]利用模擬對(duì)西門子某型號(hào)燃機(jī)燃?xì)忸A(yù)熱溫度變化對(duì)聯(lián)合循環(huán)性能的影響進(jìn)行分析，隨著進(jìn)氣溫度提升，燃機(jī)效率和聯(lián)合效率提升，排煙溫度下降。文獻(xiàn)[5]針對(duì)LM2500 G4燃機(jī)，將天然氣加熱至80℃時(shí)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能最優(yōu)，在提高分布式能源系統(tǒng)的綜合能源利用率的同時(shí)，提高了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、可靠性及安全性，有效防止了低溫腐蝕。燃?xì)怆姀S實(shí)際應(yīng)用表明，不同型號(hào)燃機(jī)對(duì)天然氣的初溫要求不同，但國內(nèi)外對(duì)燃機(jī)天然氣進(jìn)氣加熱應(yīng)用研究較少。為此，本文從燃機(jī)天然氣進(jìn)氣要求著手，分析了天然氣溫度特性以及天然氣溫降原因及影響，進(jìn)而對(duì)燃?xì)怆姀S天然氣加熱設(shè)計(jì)依據(jù)和進(jìn)氣加熱裝置進(jìn)行了簡要分析研究。

1 燃機(jī)對(duì)天然氣進(jìn)氣特性的要求

1.1 燃機(jī)天然氣進(jìn)氣要求

重型燃?xì)廨啓C(jī)能夠適應(yīng)種類廣泛的氣體燃料。由于氣體燃料中含有不同的活潑或惰性成分，從而使得這些氣體燃料有著較寬的特性范圍。為了能夠滿足燃機(jī)安全可靠的運(yùn)行要求，一般對(duì)燃料的物理特性、成分以及雜質(zhì)的范圍都有嚴(yán)格的限定[6]。

（1）氣體燃料壓力。壓力要求與隨機(jī)組燃燒室的類型有關(guān)，應(yīng)控制壓力的波動(dòng)以滿足燃燒穩(wěn)定。

（2）溫度。氣體的溫度隨壓力以及外界環(huán)境變化，但應(yīng)滿足一定的過熱要求避免結(jié)露，同時(shí)滿足不同機(jī)組燃燒室的入口溫度要求。

（3）低位發(fā)熱量。對(duì)于不同的燃料系統(tǒng)， 可使用的燃?xì)鉄嶂等≈捣秶遣煌?。故?duì)于某一固定的燃料系統(tǒng)， 為了保證穩(wěn)定燃燒， 熱值的取值需在一定的范圍內(nèi)。

（4）燃料的清潔度?？刂茪怏w燃料中固體顆粒以及雜質(zhì)含量，特別不允許氣體燃料含有液體。

1.2 天然氣溫降原因及影響

天然氣溫度一方面受季節(jié)性影響，另一方面天然氣從主要管路進(jìn)入支管系統(tǒng)，直到燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)饪刂颇K前要經(jīng)過一系列的減壓站，經(jīng)過每一次減壓，由于Joule-Thompson作用（如式1），天然氣也將降低溫度。

式中， 為J-T系數(shù)。真實(shí)氣體節(jié)流后溫度變化將決定氣體的性質(zhì)和所處的狀態(tài)，當(dāng) >? 時(shí)， >0，節(jié)流時(shí)溫度降低，降溫幅度約為5.6℃/Mpa。通過燃?xì)怆姀S燃料速比閥和控制閥時(shí)減溫幅度最大。

天然氣中可冷凝的較高碳?xì)浠衔锿ǔ楦哂谖焱椋–5）的碳?xì)浠衔镆约疤烊粴庵兴羝麜?huì)因?yàn)樘烊粴鉁囟鹊陀诼饵c(diǎn)生成液體。另外，在高壓燃?xì)夤艿乐写嬖谶^份水時(shí)會(huì)與甲烷和其它碳?xì)浠衔锝Y(jié)合形成結(jié)晶物質(zhì)-燃?xì)馑衔?，包括在燃?xì)鉁囟鹊陀诰馑衔锍蓽囟葧r(shí)的冷凝物，嚴(yán)重影響燃?xì)廨啓C(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（1）液態(tài)碳?xì)浠衔镞M(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的燃料系統(tǒng)和燃燒設(shè)備，會(huì)導(dǎo)致放熱率失控和熱通道部件的損壞。

（2）暴露在壓氣機(jī)的排放中少量的碳?xì)浠衔镆后w，會(huì)因高溫自燃造成預(yù)混燃?xì)獾南绕邳c(diǎn)火，發(fā)生“逆火”的現(xiàn)象。

（3）氣體流中會(huì)因燃?xì)馑衔镱w粒堵塞燃料噴嘴，導(dǎo)致從噴嘴到噴嘴和燃燒室到燃燒室的燃料分配不均，引發(fā)燃燒波動(dòng)，同時(shí)還可能導(dǎo)致燃?xì)庵Ч苤g的燃料流分開偏移導(dǎo)致引發(fā)自燃和逆火。

2 天然氣露點(diǎn)的確定

2.1天然氣水露點(diǎn)的確定

天然氣中一種氣體混合物，主要成分是甲烷，但也含有從C2直至C14的碳?xì)浠衔?，水分等其他化合物。在一定壓力下，水蒸氣分壓?duì)應(yīng)于某溫度下水的飽和蒸氣壓，該溫度為給定壓力下天然氣的水露點(diǎn)。GB 50251-2003規(guī)定：“管輸天然氣在管道最高運(yùn)行壓力下的水露點(diǎn)至少比管道周圍最低環(huán)境溫度低5 ℃，在管道最高運(yùn)行壓力下的烴露點(diǎn)不得高于管道周圍最低環(huán)境溫度”。如果管輸天然氣的運(yùn)行溫度高于天然氣水露點(diǎn)，氣體將處于未飽和狀態(tài)，管內(nèi)無液態(tài)水析出;反之氣體將過飽和，將析出液態(tài)水。因此，水露點(diǎn)是天然氣管道運(yùn)輸中非常重要的氣質(zhì)參數(shù)。

根據(jù)GB 22634-2008《天然氣水含量與水露點(diǎn)之間的換算》以及諸多學(xué)者研究表明[7-11]，采用SRK狀態(tài)方程以及基于SRK 狀態(tài)方程計(jì)算的水在氣相中逸度計(jì)算天然氣的含水量和水露點(diǎn)，如公式2和3。計(jì)算得到，壓力范圍為0.5MPa? p? 10MPa，露點(diǎn)溫度范圍為-15℃ t? 5℃;由水含量計(jì)算水露點(diǎn)的不確定度 2℃。壓力擴(kuò)展范圍10MPa? p? 30MPa時(shí)，露點(diǎn)溫度范圍5℃ t? 40℃。

式中，-a/Vm2為考慮到分子間吸引力，引入壓力校正項(xiàng);b為體積補(bǔ)償參數(shù); 和 分別為水與氣體組分的物質(zhì)的量濃度; 為SRK 狀態(tài)方程中描述水分子尺寸的參數(shù)， 為SRK 狀態(tài)方程描述混合物分子間吸力的參數(shù)。? 為SRK 狀態(tài)方程描述混合物分子尺寸的參數(shù)，采用Reid 提出的混合規(guī)則計(jì)算;A和B為計(jì)算SRK狀態(tài)方程壓縮因子的中間參數(shù); 為計(jì)算混合物分子間吸力的中間參數(shù);p為系統(tǒng)壓力，Pa。

2.2 天然氣碳?xì)渎饵c(diǎn)的確定

碳?xì)渎饵c(diǎn)是指在某一壓力下，碳?xì)浠衔镞@一組分從氣體混合物中，由氣相開始冷凝為液相時(shí)的溫度。發(fā)生冷凝時(shí)的最高溫度和最大壓力通常稱為這臨界凝析溫度和臨界凝析壓力。碳?xì)浠衔锏穆饵c(diǎn)是氣體壓力及氣體組成的函數(shù)，這一點(diǎn)與氣體的水露點(diǎn)完全不同。天然氣相態(tài)曲線具有反凝析現(xiàn)象，在中間壓力時(shí)烴露點(diǎn)具有最大值，如圖1所示。

研究表明冷卻鏡面測量碳?xì)渎饵c(diǎn)的方法所得到的結(jié)果最準(zhǔn)確可靠。方法原理是，鏡子裝在壓力容器中并在管道壓力下暴露于氣流中，鏡子逐步冷卻直到在這鏡子的表面開始出現(xiàn)冷凝小滴。根據(jù)鏡子表面上小滴的性質(zhì)快要測出水分和碳?xì)浠衔飪蓚€(gè)獨(dú)立的露點(diǎn)。這種測量提供露點(diǎn)的直接讀數(shù)而無需作出修正。

3 天然氣加熱設(shè)計(jì)分析

3.1加熱設(shè)計(jì)理論依據(jù)

天然氣的溫度應(yīng)該能滿足燃機(jī)氣體燃料模塊（FG1）進(jìn)口處的設(shè)計(jì)燃料溫度的要求。氣體燃料加熱和供應(yīng)系統(tǒng)首先應(yīng)能補(bǔ)償通過系統(tǒng)產(chǎn)生的熱損失保證燃機(jī)的安全運(yùn)行，同時(shí)可以提高燃機(jī)燃燒性能。

過熱度是氣體燃料溫度及其各自的露點(diǎn)之間的溫度差，規(guī)定過熱度要求保證有足夠的裕度來補(bǔ)償由于氣體燃料膨脹引起的溫降，確保供給燃?xì)廨啓C(jī)的氣體燃料完全不含液體。

過熱度要求考慮了氣體溫降和相對(duì)氣體燃料壓力的濕氣與碳?xì)浠衔锫饵c(diǎn)線之間的關(guān)系，以及氣體燃料通過控制閥的膨脹比率，因此表述為在氣體燃料控制系統(tǒng)入口氣體燃料壓力的函數(shù)。防止碳?xì)浠衔锬Y(jié)的過熱度Tsh要求和防止生成濕氣的過熱度Tsm要求計(jì)算式如下，

式中，Pgas為燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)入口的氣體燃料供給壓力，KPa。在燃?xì)廨啓C(jī)的燃料供給壓力下，兩者都可以確定并分別加上各自的露點(diǎn)（濕氣和碳?xì)浠衔铮?。兩者的過熱度加上露點(diǎn)后，較高的那個(gè)值就確定了滿足過熱度要求所需的最低氣體燃料溫度。

在燃機(jī)指定的冷態(tài)和熱態(tài)運(yùn)行模式期間，氣體燃料加熱系統(tǒng)將使燃料溫度達(dá)到并保持在相當(dāng)于修改的Wobbe 指數(shù)（MWI）目標(biāo)值的±5%以內(nèi)。修改的Wobbe 指數(shù)由測量燃料體積能量計(jì)算與燃料溫度和低熱值（LHV）有直接關(guān)系。修改的Wobbe 指數(shù)按下式推導(dǎo)，

式中，MWI為修改的Wobbe 指數(shù)（經(jīng)溫度校正）;LHV為燃料的低熱值（BTU/SCF）;Tg為絕對(duì)溫度;SG為在ISO 條件下，燃料相對(duì)于空氣的比重。

3.2 天然氣加熱裝置

為了保證供氣溫度滿足燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行以及不腐蝕管道和設(shè)備的要求， 需要對(duì)天然氣進(jìn)行加熱。以下從設(shè)備和運(yùn)行維護(hù)上對(duì)主要的三種基本類型的加熱器簡要介紹。

（1）電加熱器。電加熱器是一種使用安裝最為方便的燃料加熱器[12-13]，通過簡單控制系統(tǒng)可以把出口溫度維持在一個(gè)恒定溫度上或者在燃料流量發(fā)生變化時(shí)在該設(shè)備的功率范圍內(nèi)保持升溫穩(wěn)定。由于使用的所有電轉(zhuǎn)化成了熱并用來升高燃?xì)鉁囟龋瑹嵝式咏?00%。

電加熱器結(jié)構(gòu)簡單緊湊，加熱部件可容易地進(jìn)行更換并且不需要中間轉(zhuǎn)換液體，維修成本相對(duì)較低。由于天然氣調(diào)壓站屬于防爆區(qū)域，電加熱器需要選用防爆型，造價(jià)較高，同時(shí)，由于電耗較高所以它的運(yùn)行成本最高。

（2）水浴爐加熱器。水浴爐是集熱水鍋爐和換熱器為一體的設(shè)備， 由爐本體及燃燒器等組成。它利用除鹽水為中間熱質(zhì)傳熱，吸收火筒中燃燒天然氣產(chǎn)生的熱量，傳遞給盤管內(nèi)的天然氣，達(dá)到加熱天然氣的目的。水浴爐燃燒器需要的天然氣壓力一般在0.2MPa， 因此需要配置一套天然氣減壓單元以滿足水浴爐的需求。由于天然氣降壓幅度大， 當(dāng)天然氣溫度過低時(shí)， 無法達(dá)到水浴爐燃燒的要求， 還需要配置一臺(tái)電加熱器， 使天然氣溫度達(dá)到點(diǎn)燃水浴爐和穩(wěn)定燃燒所需的溫度，運(yùn)行成本高且系統(tǒng)復(fù)雜，投資成本也高。

（3）余熱加熱器。以燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)過程中比較容易獲得的低品味能源為熱源，，比如鍋爐省煤器中抽取的熱水或者是全廠循環(huán)開式水的回水等等，通過管殼式換熱器對(duì)天然氣加熱，這種換熱方式運(yùn)行可靠。該類型加熱器的系統(tǒng)配置簡單，造價(jià)低，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)以及可以提高全廠的總熱效率受到廣泛的應(yīng)用。

4 結(jié)論

（1）從天然氣的溫度特性入手，分析了天然氣溫度降低的原因。溫度較低時(shí)產(chǎn)生的碳?xì)浠衔锖屠淠锏葘?dǎo)致放熱率失控、熱通道部件損壞、逆火、自燃等危害燃?xì)廨啓C(jī)燃燒通道現(xiàn)象，影響燃?xì)廨啓C(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）從理論和實(shí)際應(yīng)用角度闡明了燃?xì)怆姀S應(yīng)對(duì)天然氣溫度降低和提高燃燒性能的設(shè)計(jì)依據(jù)和應(yīng)對(duì)措施，對(duì)指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用具有重要的意義。

（3）介紹了電加熱器、水浴爐加熱器和余熱加熱器等三種基本類型加熱器。指出利用燃?xì)怆姀S容易獲得的低品味能源為熱源，在滿足天然氣加熱的同時(shí)，可以有效提高全廠的總熱效率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉志坦，王文飛.我國燃?xì)獍l(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J]，國際石油經(jīng)濟(jì)，2016，26（12）：43-50.

[2] 朱凌.PG9351FA型燃機(jī)的天然氣加熱系統(tǒng)[J].上海電力，2006，19（3）：266-268.

[3] 郭蕭宇，劉蓉，李清等.全預(yù)混浸沒燃燒天然氣加熱裝置[J]，煤氣與熱力，2019，39（4）：26-29.

[4] 付忠廣，王霄楠，盧可，張輝.燃?xì)忸A(yù)熱溫度對(duì)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)性能影響[J]，熱力發(fā)電，2016，45（10）：16-21.

[5] 馬琴，李偉，常娜娜，王宸曦.LM2500G4型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組余熱加熱天然氣的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[J]，華電技術(shù)，2018，40（7）：59-63.

[6] Design considerations for Heated Gas Fuel[C].GE Power System，2001.

[7] 張福元，羅勤，楊芳等.GB/T 22634-2008 天然氣水含量與水露點(diǎn)之間的換算[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[8] Soave G. Equilibrium constants from a modified Redich-Kwong Equation of State[J].Chemical Engineering Science，1972，27（6）：1197-1203.

[9] Haridy A，Awad M E，Abd-el-Fatah K，et al. New model estimates water content in saturated natural gas[J]. Oil & Gas Journal，2002，100（17）：50-53.

[10] 陳珊，盧華，陳舟. 高含硫天然氣水含量的估算方法[J]. 石油與天然氣化工，2010，39（6）：526-530.

[11] 史博會(huì)，錢亞林等.管輸天然氣含水量/水露點(diǎn)的計(jì)算方法[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2012，31（3）：188-191.

[12] 呂小蘭.燃機(jī)電廠天然氣調(diào)壓站配置探討[J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，2007，20（3）：6-9.

[13]王娓娜; 夏青揚(yáng); 顏士鑫.F級(jí)燃機(jī)電廠天然氣調(diào)壓站設(shè)計(jì)[J].電力勘測設(shè)計(jì)，2017，8（4）：34-37.