燃油品質對燃氣輪機運行的影響分析

1前言

　　燃氣輪機對于油種的要求，主要有以下2點：
　�。�1）對于高壓空氣霧化，進入噴嘴的燃油粘度≤20 cst；對于低壓空氣霧化≤10 cst。這一點可以根據燃油的粘溫特性，通過控制加熱溫度來得到保證。
　　（2）元素Na＋K≤1 mg／kg和V≤0．5 mg／kg（不再處理時），否則需要添加抑釩劑。這可以通過選用合適的油處理設備和添加適當的抑釩劑來達到上述要求。
　　浙江省電力公司下屬的溫州龍灣、鎮海燃機電廠分別燃用流化11－1原油和進口180號重油，表1列出了一些燃油的油品特性。從這些燃油特性可以看出，不管是什么油品，只要其粘度（由加熱溫度和油品粘溫特性確定）符合燃機的制造商（或噴嘴制造商）對進入噴嘴的油粘度要求，以及進入噴嘴的微量金屬成份要求，都可以在燃機上使用。由此從表1可以得出，按180號重油設計的燃機，國產100號重油及大部分的原油均可適用。

　　2 對于燃用重質油的燃機，粘度是一個相當重要的物性參數。粘度對燃料輔助設備具有重要意義，因為它決定了泵送溫度、霧化溫度和油泵壓力。同時，粘度的大小會影響噴嘴的霧化特性，按GE公司的要求，燃氣輪機燃燒重質油時一般要采用空氣霧化技術，對于低壓空氣霧化要求燃料在噴嘴前的燃油粘度小于10 cst，當采用高壓空氣霧化時，其粘度則不要超過20 cst。如超過這些限值，會造成點火性能不佳，燃燒室出口溫度分布不均，燃燒效率低，積炭和煙霧。造成這些問題的原因就是粘度增大會使噴嘴的霧化粒徑變粗，并且霧矩內顆粒分布也會發生變化。因此在大多數情況下，燃料在運送和霧化過程中必須采用加熱系統，從而保證在各種大氣條件下燃料噴嘴處的粘度在限值以內。

　　對于噴嘴對燃油的粘度適應范圍，不同的噴嘴開發商有不同的指標，一般有：不同燃油粘度下噴嘴霧化細度；不同燃油粘度下噴嘴流量特性；不同流量下噴嘴霧矩分布。
　　對于燃燒而言，除了霧化指標外，還要考慮和燃燒筒的空氣匹配，以達到燃燒工況最佳的要求。

　　圖1～4所示為幾種油品的粘溫特性，從圖中可知與180號重油和流化11－1原油（浙江鎮海、龍灣電廠設計用油）相比這些國產渣油的粘度都比較大，其中秦皇島油樣的粘度最低，80℃時動力粘度100 mpa．s，相當于國產100號重油。120℃動力粘度23 mpa．s，130℃時動力粘度15mpa．s。GE公司的規范規定燃油的最大預熱溫度不能超過135℃，由此可見，國產重油必須在標號100號以下才能勉強符合燃氣輪機用油要求。
　　從表1和圖1還可以看出，實際180號油的粘度比其質量指標要好。因此對于燃機用戶來說，不僅要看油品的質量標準，更重要的是要分析實際油品的質量指標；另一方面，由于重油的實質是調和油，對于粘度，不能僅僅看某一點溫度下的粘度，還要看粘溫曲線。
　　由于重油的復雜性，因此，一方面在運行時應根據粘溫曲線確定加熱溫度；另一方面，是否可以讓噴嘴制造商（或燃機制造商）提供噴嘴在不同粘度下的流量、霧化細度、霧化角、霧炬分布等噴嘴特性參數，以便于電廠運行時參考使用。
　　2．2比重
　　比重不是燃氣輪機燃料的一個關鍵特性，但對一給定的燃料種類來說，它能指示其碳氫化合物的化學成份。比重低的餾分油主要成份是烷烴，而比重高的蒸餾油主要成份為芳香烴。同時，比重具有一定的經濟意義，當燃料是按照容積購買時，同樣容積的燃料比重越小其熱值相應也越低。 　 　　由于油處理的除鹽分離都是借助于油水的比重差進行的，所以，若油的比重太接近水的比重，勢必會造成分離困難或增加油處理的成本。因此一般要求所選油品比重小于0．96，最大不要超過0．972。當然上述限制是針對標準水洗裝置用于一般燃油而言的，對比重較高的燃油來說，可采用高效率脫鹽設備（花費更大的附加費用）或者采取措施增加燃料和沖洗水的比重差的方式進行脫鹽。
　　3 燃油成分對燃機運行的影響
　　燃油中的有些微量金屬元素對燃機的影響是相當嚴重的，有的腐蝕熱通道金屬，縮短部件壽命；有的形成結垢，影響機組出力；有的則兩者兼而有之，燃油中典型的有害微量元素以及GE公司對燃油微量金屬的含量極限如表2所示�！�

　　3．1鈉Na和鉀K
　　Na和K對燃機的危害主要是他們可以與釩結合形成低熔點的共熔化合物，還與硫化合形成硫酸鹽，以熔融狀態積存在透平葉片上，從而腐蝕熱通道金屬，嚴重縮短熱通道部件的壽命。
　　我們以Na為例來分析堿金屬元素對燃機的危害。燃油中的Na在燃燒室中燃燒以后一般以Na2SO4的形態存在，Na2SO4的熔點較低（884℃），在V、Ca、Pb和W等元素影響下，其熔點還會大大降低（低達300℃），這樣Na2SO4往往以半熔的粘液狀態存在于燃氣中。Na2SO4熔液會粘附在熱通道的金屬表面上，尤其對沒有氧化鋁保護層的金屬面，能使Cr2O3金屬保護層腐蝕熔化。從而使活躍的合金材料暴露，被SO3和O2等直接腐蝕，若熱通道部件有小裂縫等金屬缺陷的話，這種腐蝕在缺陷的邊界處將會發展得更快，燃油中硫含量比較高時，這種腐蝕會更加嚴重。當燃油中Na＋K含量大于1 mg／kg時，必須采用除鹽裝置使之含量達到規范要求。

　　3．2釩V
　　在不加抑釩劑時，燃油中的釩對燃機的危害是多方面的，一方面由釩形成的低溶點熔化物會腐蝕熱通道金屬部件；另一方面，由釩形成的較高熔點的化合物易在熱通道表面結垢，降低機組的性能。
　　在無抑釩劑的燃氣中，釩一般以低熔點（675℃）的V2O5形態存在，它易與燃氣中熔化狀態的Na2SO4結合形成低熔點的堿金屬釩酸鹽（NaVO3、Na4V2O7、Na3VO4等），它們都會對燃機熱通道的金屬產生嚴重的電化腐蝕。燃用含釩量較高的重（渣）油時，由于釩是油溶性的，不能通過水洗除去，因此需要在燃油中添加抑釩劑（一般是鎂基抑釩劑）。但是使用抑釩劑也會帶來一些問題，其中最主要的是引起透平通流部分結垢，導致機組的出力下降和油耗增加。一般而言，較多的含釩量，較高的Mg／V比，以及易結垢的抑釩劑都會導致出力的明顯下降。因此在選用抑釩劑時要綜合考慮其價格、對機組運行影響（是否容易結垢、結垢是否容易清洗）等因素，在使用時盡量使Mg／V比維持在3～3．5。
　　3．3其它金屬元素
　　鈣在燃氣中一般形成氧化鈣CaO和硫酸鈣CaSO4。它們會沉結在熱通道表現，形成堅硬，水溶性差的結垢，不易清除。鉛在燃氣中不僅能與鈉、鉀、釩等一起形成熔化物，對熱通道金屬產生嚴重腐蝕，還能削弱鎂鹽抑釩劑對釩的抑制作用，因此在燃油的儲運過程中要防止鉛污染。
　　3．4硫S
　　硫在燃氣中都轉化成SO2和SO3，它們和鈉、鉀等堿金屬元素結合形成堿金屬硫酸鹽，這是燃機熱通道產生高溫腐蝕的主要原因之一。由于硫在燃油中一般以有機硫的形式存在，很難除去，因此為防止高溫腐蝕，可以控制堿金屬含量。對于有余熱利用裝置的機組，需要特別注意硫的氧化物容易引起低溫受熱面的腐蝕。
　　3．5灰份
　　雖然在GE公司燃油標準里沒有灰含量要求，但灰份大對燃燒、積灰（結垢）、油的過濾都會產生不利影響。實踐證明，燃氣輪機改燒重油以后，煙氣中的灰份沉積在燃氣輪機透平通道表面和余熱鍋爐翅片管表面，使機組出力約以0．04％／h速度下降，油耗率約以0．03％／h的速率上升。
　　4 燃氣輪機在燃用重（渣）油時應采取的一些措施
　　相對于輕質燃料油而言，重質燃料油（重油和渣油）的揮發性差，它含有大量的沸點高而分子結構復雜的碳氫化合物。這些高分子碳氫化合物在加熱燃燒過程中首先分解為小分子的碳氫化合物，在燃燒組織不良時，會發生噴嘴結炭和燃燒時冒黑煙現象。因此在燃燒重（渣）油時，應注意以下幾點：

　　（1）在其它條件滿足的前提下，盡量使用比重較小的油品。根據前面的介紹，比重小的油品含輕質碳氫合物成份較多，對著火和燃燼有利；另外，比重低的燃油分離效果也更好。

　�。�2）研究或試驗噴嘴的霧化特性。除了要求噴嘴制造商提供不同粘度下噴嘴的霧化特性指標外，電廠可以在不同油溫下（也就是不同粘度）對燃燒特性進行試驗分析，確定噴嘴的最佳霧化范圍。一般來說，噴嘴霧化細度越細，燃燒性能越好。

　�。�3）控制好燃燒室的配風。就燃用重油而言，不能向燃燒室頭部較早的供入過量空氣，這會導致燃燒推遲，并使燃燒區溫度處于一個較低的水平，影響重（渣）油的蒸發和燃燼；但同時，重油燃燒產生黑煙的根本原因是燃燒初期供氧不足，重碳氫化合物被加熱分解時由于缺氧而產生游離狀態的碳，也就是所謂的碳黑。碳黑一旦產生，很難燃燼，雖然這些碳黑對機組的燃燒效率影響很小，但一方面對環保不利；另一方面，碳黑容易在余熱鍋爐尾部吸附煙氣中的水蒸汽，污染尾部受熱面（在燃油中含量較高時更是如此），導致排煙溫度上升和尾部受熱面腐蝕。因此，在保證噴嘴霧化性能的前提下，如何合理配風是重油燃燒的一個重要問題。

　�。�4）油系統的加熱。燃油的加熱是控制粘度的一個重要手段，由于重油都是調和油，其熱穩定性各不相同，應盡量防止產生在加熱時殘碳析出和其它熱穩定性被破壞的情況。因為，這將導致噴嘴和加熱器工作不正常。
　　總的來說，燃用重（渣）油時，燃氣輪機機組的油系統、燃油噴嘴、燃燒室都應該采取相應的措施來保證其安全正常運行。對于油系統必須采用分別供給重質油和柴油的雙燃料供油系統。根據燃油的粘溫特性和霧化細度對粘度的要求，設計合理的預熱系統，防止預熱溫度過高而發生沉淀；根據實際燃油中堿金屬與釩含量以及規范對 之的含量限制，采用最經濟的清洗裝置與抑釩劑。要設計適合重質油燃燒的燃油噴嘴，保證霧 化細度足夠小，而且具有適當的霧化角。對于燃燒室，為防止低負荷下的打油結炭和高負荷下的火焰過長和火焰管壁溫度過高現象出現，要有合理的配風，并在一定的條件下增加燃燒室的旋流強度；增加頭部火焰管的冷卻空氣量；采取降溫運行等。