燃油品質(zhì)對燃?xì)廨啓C運行的影響分析

1前言

　　燃?xì)廨啓C對于油種的要求，主要有以下2點：
　　（1）對于高壓空氣霧化，進(jìn)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(jù)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(shè)備和添加適當(dāng)?shù)囊肘C劑來達(dá)到上述要求。
　　浙江省電力公司下屬的溫州龍灣、鎮(zhèn)海燃機電廠分別燃用流化11－1原油和進(jìn)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(jìn)入噴嘴的油粘度要求，以及進(jìn)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(shè)計的燃機，國產(chǎn)100號重油及大部分的原油均可適用。

　　2 對于燃用重質(zhì)油的燃機，粘度是一個相當(dāng)重要的物性參數(shù)。粘度對燃料輔助設(shè)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?xì)廨啓C燃燒重質(zhì)油時一般要采用空氣霧化技術(shù)，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(dāng)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(nèi)顆粒分布也會發(fā)生變化。因此在大多數(shù)情況下，燃料在運送和霧化過程中必須采用加熱系統(tǒng)，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(nèi)。

　　對于噴嘴對燃油的粘度適應(yīng)范圍，不同的噴嘴開發(fā)商有不同的指標(biāo)，一般有：不同燃油粘度下噴嘴霧化細(xì)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(biāo)外，還要考慮和燃燒筒的空氣匹配，以達(dá)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(zhèn)海、龍灣電廠設(shè)計用油）相比這些國產(chǎn)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(dāng)于國產(chǎn)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(guī)范規(guī)定燃油的最大預(yù)熱溫度不能超過135℃，由此可見，國產(chǎn)重油必須在標(biāo)號100號以下才能勉強符合燃?xì)廨啓C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(zhì)量指標(biāo)要好。因此對于燃機用戶來說，不僅要看油品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，更重要的是要分析實際油品的質(zhì)量指標(biāo)；另一方面，由于重油的實質(zhì)是調(diào)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(fù)雜性，因此，一方面在運行時應(yīng)根據(jù)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(xì)度、霧化角、霧炬分布等噴嘴特性參數(shù)，以便于電廠運行時參考使用。
　　2．2比重
　　比重不是燃?xì)廨啓C燃料的一個關(guān)鍵特性，但對一給定的燃料種類來說，它能指示其碳?xì)浠�合物的化學(xué)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(jīng)濟意義，當(dāng)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(yīng)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(jìn)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(dāng)然上述限制是針對標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(jìn)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(dāng)嚴(yán)重的，有的腐蝕熱通道金屬，縮短部件壽命；有的形成結(jié)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(jié)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(tài)積存在透平葉片上，從而腐蝕熱通道金屬，嚴(yán)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(tài)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(dá)300℃），這樣Na2SO4往往以半熔的粘液狀態(tài)存在于燃?xì)庵小�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(hù)層的金屬面，能使Cr2O3金屬保護(hù)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(fā)展得更快，燃油中硫含量比較高時，這種腐蝕會更加嚴(yán)重。當(dāng)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(dá)到規(guī)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(jié)垢，降低機組的性能。
　　在無抑釩劑的燃?xì)庵校�釩一般以低熔點（675℃）的V2O5形態(tài)存在，它易與燃?xì)庵腥刍癄顟B(tài)的Na2SO4結(jié)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(chǎn)生嚴(yán)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(jié)垢，導(dǎo)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(jié)垢的抑釩劑都會導(dǎo)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(jié)垢、結(jié)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?xì)庵幸话阈纬裳趸�鈣CaO和硫酸鈣CaSO4。它們會沉結(jié)在熱通道表現(xiàn)，形成堅硬，水溶性差的結(jié)垢，不易清除。鉛在燃?xì)庵胁粌H能與鈉、鉀、釩等一起形成熔化物，對熱通道金屬產(chǎn)生嚴(yán)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?xì)庵卸嫁D(zhuǎn)化成SO2和SO3，它們和鈉、鉀等堿金屬元素結(jié)合形成堿金屬硫酸鹽，這是燃機熱通道產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)里沒有灰含量要求，但灰份大對燃燒、積灰（結(jié)垢）、油的過濾都會產(chǎn)生不利影響。實踐證明，燃?xì)廨啓C改燒重油以后，煙氣中的灰份沉積在燃?xì)廨啓C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?xì)廨啓C在燃用重（渣）油時應(yīng)采取的一些措施
　　相對于輕質(zhì)燃料油而言，重質(zhì)燃料油（重油和渣油）的揮發(fā)性差，它含有大量的沸點高而分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜的碳?xì)浠�合物。這些高分子碳?xì)浠�合物在加熱燃燒過程中首先分解為小分子的碳?xì)浠�合物，在燃燒組織不良時，會發(fā)生噴嘴結(jié)炭和燃燒時冒黑煙現(xiàn)象。因此在燃燒重（渣）油時，應(yīng)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(jù)前面的介紹，比重小的油品含輕質(zhì)碳?xì)浜衔锍煞葺^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(biāo)外，電廠可以在不同油溫下（也就是不同粘度）對燃燒特性進(jìn)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(xì)度越細(xì)，燃燒性能越好。

　　（3）控制好燃燒室的配風(fēng)。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(dǎo)致燃燒推遲，并使燃燒區(qū)溫度處于一個較低的水平，影響重（渣）油的蒸發(fā)和燃燼；但同時，重油燃燒產(chǎn)生黑煙的根本原因是燃燒初期供氧不足，重碳?xì)浠�合物被加熱分解時由于缺氧而產(chǎn)生游離狀態(tài)的碳，也就是所謂的碳黑。碳黑一旦產(chǎn)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(huán)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(dǎo)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(fēng)是重油燃燒的一個重要問題。

　　（4）油系統(tǒng)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(diào)和油，其熱穩(wěn)定性各不相同，應(yīng)盡量防止產(chǎn)生在加熱時殘?zhí)嘉龀龊推渌鼰岱�(wěn)定性被破壞的情況。因為，這將導(dǎo)致噴嘴和加熱器工作不正常。
　　總的來說，燃用重（渣）油時，燃?xì)廨啓C機組的油系統(tǒng)、燃油噴嘴、燃燒室都應(yīng)該采取相應(yīng)的措施來保證其安全正常運行。對于油系統(tǒng)必須采用分別供給重質(zhì)油和柴油的雙燃料供油系統(tǒng)。根據(jù)燃油的粘溫特性和霧化細(xì)度對粘度的要求，設(shè)計合理的預(yù)熱系統(tǒng)，防止預(yù)熱溫度過高而發(fā)生沉淀；根據(jù)實際燃油中堿金屬與釩含量以及規(guī)范對 之的含量限制，采用最經(jīng)濟的清洗裝置與抑釩劑。要設(shè)計適合重質(zhì)油燃燒的燃油噴嘴，保證霧 化細(xì)度足夠小，而且具有適當(dāng)?shù)撵F化角。對于燃燒室，為防止低負(fù)荷下的打油結(jié)炭和高負(fù)荷下的火焰過長和火焰管壁溫度過高現(xiàn)象出現(xiàn)，要有合理的配風(fēng)，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。