MS5002C燃氣輪機運行優化研究及應用

侯 松

(海洋石油富島有限公司, 海南東方 572600)

1 機組概況

海洋石油富島有限公司二期化肥項目設計生產能力為年產45萬t合成氨、80萬t大顆粒尿素,裝置于2003年9月30日建成投產。合成氨裝置采用美國KBR深冷凈化器工藝。工藝空氣壓縮機為意大利Nuovo Pignone公司研制并生產的MS5002C型雙軸燃氣輪機驅動。燃氣輪機結構布置見圖1。過濾的空氣經過軸流式壓縮機壓縮后進入燃燒桶,與來自燒嘴的天然氣混合燃燒,產生高溫、高壓的燃氣進入透平做功,高壓透平驅動軸流式壓縮機,低壓透平驅動工藝空氣壓縮機。

圖1 燃氣輪機結構布置

2 存在的問題

工藝空氣壓縮機組主要用于給二段爐提供所用空氣,同時還為合成氨和尿素裝置提供6 478 kg/h的工廠空氣和儀表空氣。進入燃氣輪機的天然氣和空氣混合燃燒后的乏氣,一部分進入一段爐爐膛進行燃燒,一部分進入一段爐對流段給工藝介質加熱。自原始開車以來,壓縮機運行比較穩定,而其驅動機——燃氣輪機由于燃空比的問題,一直影響著機組的高負荷安全穩定運行,導致工藝空氣壓縮機運行負荷低,出口工藝空氣量不足,進而影響裝置安全穩定長周期運行。燃氣輪機主要存在的問題為:

(1) 燃空比運行值接近聯鎖值,限制系統負荷提升。根據生產運行系統——過程網絡控制系統(WPKS)數據顯示,機組在2015年—2017年的燃空比一直在1.18左右高位運行(高聯鎖值為1.2),限制系統負荷提升,對系統的天然氣消耗、合成氨產量產生較大影響。

(2) 燃氣輪機安全操作彈性小,抗天然氣組分波動能力差。由于燃空比接近高聯鎖值(1.2),當天然氣組分出現波動(CH4含量升高)時,極易造成機組因燃空比高聯鎖出現裝置停車。據統計,2003年—2015年,合成氨裝置有5次因燃空比高聯鎖停車,造成嚴重停車停產損失。

(3) 燃氣輪機排氣溫度低,能耗增加。由于燃空比實際運行值較高,為了降低燃空比,全開燃氣輪機壓氣機入口導葉(IGV),使更多的冷卻空氣進入到燃氣輪機,從而導致燃氣輪機出口溫度降低,進入一段爐的乏氣溫度低,增加了燃氣輪機及一段爐的燃氣消耗。

3 燃空比的設置及計算

合成氨裝置采用南海氣田天然氣為原料,該天然氣的特點是CO2含量較高,CH4的體積分數只有60%左右[1]。特殊的天然氣組分對于燃氣輪機的運行操作要求較高。當進入燃氣輪機的燃氣壓力過高時,會使著火點遠離燃燒噴嘴而產生脫火,輕則使燃燒產生波動,重則導致熄火;當進入燃氣輪機的燃氣壓力較低時,會使燃燒火焰往燃料來源的方向傳播而產生回火,輕則燒損噴嘴,重則會在天然氣管道內發生燃氣爆炸。為了保障燃氣輪機穩定安全運行,控制進入燃氣輪機的天然氣和空氣量,設置了燃空比聯鎖,低聯鎖值為1.0,高聯鎖值為1.2。

根據新比隆公司設計理念,燃空比為燃氣輪機控制閥(GCV)后燃氣壓力與軸流式壓縮機出口空氣壓力之比[2],即

(1)

式中:RP4PCC為燃空比;pGHP為GCV后燃氣壓力;pCPD為軸流式壓縮機出口空氣壓力。

4 燃空比高的原因分析

根據燃空比計算公式可知,影響燃空比高的主要因素是進入燃氣輪機的燃氣壓力升高,或者是進入燃氣輪機的空氣壓力降低,具體影響因素包括環境溫度、大氣壓、燃氣輪機軸流式壓縮機運行效率及天然氣組分。

4.1 環境溫度升高

當環境溫度升高時,空氣分子質量變小,在同一高壓軸轉速(高壓軸轉速穩定為5 100 r/min)下,軸流式壓縮機功率下降,導致出口空氣壓力降低;此時,如果燃氣輪機低壓軸維持原負荷運行,則進入燃氣輪機的天然氣壓力基本保持不變,導致燃空比升高。

4.2 大氣壓降低

當大氣壓降低或者入口過濾器壓差增加時,在同一高壓軸轉速下,軸流式壓縮機出口空氣壓力下降;此時,如果燃氣輪機低壓軸維持原負荷運行,則進入燃氣輪機的天然氣壓力基本保持不變,導致燃空比升高。

4.3 燃氣輪機軸流式壓縮機運行效率降低

軸流式壓縮機長時間運行后葉片或者流道結垢,會導致流通體積減小,在同一高壓軸轉速下,軸流式壓縮機出口空氣壓力下降;此時,如果燃氣輪機低壓軸維持原負荷運行,則燃氣輪機的天然氣壓力基本保持不變,導致燃空比升高[3-4]。

4.4 天然氣組分變化

當天然氣中CH4含量下降時,低壓軸要維持原負荷運行,GCV后燃氣壓力需要升高;此時,在軸流式壓縮機運行狀況(環境溫度、大氣壓)保持不變的情況下,出口空氣壓力不變,導致燃空比升高。

5 處理措施

5.1 燒嘴漩渦器解體清洗

表1為燃氣輪機燃空比運行數據。由表1可以看出:pGHP上升幅度明顯大于pCPD,并且pCPD與pGHP間差值明顯增大,說明燃空比上漲主要就是pGHP壓力的上漲,與燃氣組分、負荷、pCPD等因素無關。

表1 燃氣輪機燃空比運行數據

針對此情況,在2017年9月停機期間,對燃氣管線及燒嘴進行檢查,發現12個燒嘴有嚴重積碳,并且燃氣管線內壁發現有油脂積層。解體燒嘴內部,發現旋流器上有大量油垢,噴嘴芯上也有較嚴重積碳,見圖2。將燒嘴拆卸清洗,去除燒嘴結垢、結焦產物,清洗后的效果見圖3。

(a) 燒嘴結焦

圖3 燒嘴清洗后情況

5.2 燃氣輪機離線清洗工藝優化

軸流式壓縮機結垢會導致做功效率下降、出口壓力降低。在機組不檢修的情況下,最直接有效的方法就是停機離線清洗。根據傳統離線清洗效果,改變離線清洗工藝。原離線清洗工藝為拖動—加清洗液清洗—加水沖洗—吹干,現改為拖動—加清洗液清洗—停機浸泡—拖動加水沖洗—吹干。通過觀察對比清洗后的污水樣本,發現清洗效果好。軸流式壓縮機出口壓力由723.7 kPa提高至745.8 kPa,效果明顯。

采取以上措施后,從燃氣輪機檢修前后數據來看,在相同的環境溫度(26.5 ℃)下,CH4體積分數由64.5%降至61.7%,燃氣輪機低壓軸負荷率由93.2%升至94.6%,空氣壓縮機出口質量流量由100 t/h升至103 t/h,出口壓力由4.19 MPa升至4.24 MPa,燃空比反而由1.179下降至1.167;按天然氣中CH4體積分數每上漲1百分點,燃空比下降0.08,在相同負荷(94.6%)、相同CH4體積分數(64.5%)的情況下,燃空比應為1.143左右,燃空比下降幅度明顯。

5.3 燃空比高聯鎖設定值修訂

根據機組運行工況,在確保燃氣輪機安全穩定燃燒的情況下,提出修訂燃空比聯鎖值。經過與燃氣輪機廠家工程師確認,結合機組實際運行情況,將燃空比聯鎖值修訂為1.28,提高了裝置的操作彈性和抗天然氣組分波動能力。

6 效果及綜合效益

采取一系列措施后,燃氣輪機負荷降低,排氣溫度從410 ℃左右提高至450 ℃以上(見圖4),一段爐和燃氣輪機的燃氣消耗體積流量降低了180 m3/h左右,顯著節約了天然氣的使用成本。

圖4 燃氣輪機排氣溫度趨勢圖

燃空比問題解決后,系統負荷從69 t/h恢復到71 t/h,每小時增加氨產量約1.1 t。

燃空比高聯鎖值修訂后,2018年1月5日,天然氣CH4體積分數在61%～70%波動,燃空比最高達到1.24;2018年1月15日平臺斷氣,天然氣壓力大幅波動50 kPa,燃空比最高達到1.23。由于燃空比聯鎖值從1.2提高到了1.28,給操作人員留有處理空間,避免了裝置跳車,減少尿素停產損失約10 800 t。

7 結語

該燃氣輪機運行優化研究不但徹底解決了燃空比高的問題,而且還減少了燃氣消耗量,提高了裝置的運行負荷,增加了合成氨產量。合成氨裝置安全穩定運行629 d,提高了裝置的運行穩定性。