引言

根據(jù)加熱熱源不同,天然氣性能加熱器可分為熱水加熱器、蒸汽加熱器和電加熱器等。熱水加熱器的優(yōu)點是加熱穩(wěn)定,可調性好。熱水加熱器的形式有多種,主要采用管殼式,熱水的水源取自于熱鍋爐的中壓給水。蒸汽加熱器是通過從汽輪機的出汽口和排汽口抽取蒸汽加熱天然氣,需要增加一條蒸汽管道。電加熱器加熱速度快,加熱方式簡單,但電加熱器本身帶電運行有引起爆炸的危險,且增加了電廠的廠用電率,節(jié)能效果不明顯,在實際工程中運用較少。本文介紹的AE94.3A型燃機性能加熱器采用的是熱水加熱器形式。

1燃機對天然氣溫度的需求

燃氣輪機對于天然氣品質有一定的要求,燃機所需的合格天然氣是由天然氣系統(tǒng)供應,主要由前置模塊、燃氣模塊、燃燒室等設備組成。燃機性能加熱器模塊集成在前置模塊內部,位于燃氣模塊上游。對于實際運行中的機組,天然氣成分波動比較小,因此影響天然氣特性的因素主要是天然氣的溫度。故在性能加熱系統(tǒng)設計中,應嚴格控制進入天然氣燃氣模塊前的天然氣溫度,使其滿足溫度波動限制要求。

2性能加熱器對機組性能的影響

燃料性能加熱的原理為通過余熱鍋爐尾部廢熱預熱即將進入燃機的天然氣,減少燃機燃料量,在提高燃機燃燒穩(wěn)定性的同時,大幅度提升聯(lián)合循環(huán)效率。

性能加熱器投運時,隨著天然氣溫度的升高,從省煤器抽取的熱水流量增加。根據(jù)計算,抽水量增加時,省煤器出口溫度變化不大,說明在一定范圍內從低壓省煤器抽取熱水不影響汽水側的循環(huán),僅是大量低品位的熱水被聯(lián)合循環(huán)熱力系統(tǒng)利用,由此帶來天然氣溫度提升(顯熱增加),提高聯(lián)合循環(huán)效率。一般情況下,當天然氣溫度由30℃加熱到135℃時,聯(lián)合循環(huán)效率提升約0.3%左右。天然氣溫度對聯(lián)合循環(huán)效率的影響如圖1所示。

當投入性能加熱系統(tǒng)時,通過調整熱水流量,將最終的天然氣溫度限制并穩(wěn)定在一定范圍內,避免超過限制值。另外,控制邏輯里面根據(jù)熱水參數(shù)以及燃料流量,計算出一個給水控制閥的前饋設定值,再根據(jù)溫度偏差進行修正,使得天然氣的溫度變化控制在一個小范圍內,以減少溫度變化對燃燒穩(wěn)定性的影響。

以不影響汽水側循環(huán)為前提,兼顧機組出力和運行穩(wěn)定性,以提升聯(lián)合循環(huán)效率為目標,經熱力計算分析,推薦最佳方案為性能加熱器熱源是從低壓省煤器中抽取的熱水,天然氣加熱到135℃。

3AE94.3A型燃機性能加熱系統(tǒng)的設計

AE94.3A型燃機聯(lián)合循環(huán)性能加熱系統(tǒng)設計的具體技術方案為:首先,通過熱力計算獲得燃料預熱性能優(yōu)化系統(tǒng)的基本方案,包括燃氣加熱溫度、熱水來源、水量及溫度等數(shù)據(jù)設計。然后,對燃料預熱性能優(yōu)化系統(tǒng)進行方案設計,主要包括換熱器的選型,調節(jié)、監(jiān)測、控制系統(tǒng)的設計,燃料預熱性能優(yōu)化系統(tǒng)水側系統(tǒng)的設計等。

3.1換熱器的選型

AE94.3A型燃機采用雙管式換熱器,配備安全性高的泄漏保護系統(tǒng),在保證換熱性能的同時,大幅提高安全性,節(jié)約冗余配置和維護成本。雙管臥式安全型換熱器外觀如圖2所示。

圖2雙管臥式安全型換熱器外觀

天然氣從換熱器換熱管內流過,熱水從殼側流過,為保證充分的熱交換,熱水和天然氣的流動方向相反。雙層管設計可以較好地避免換熱介質的混合,當換熱管破裂,無論是內管還是外管破裂,由于泄漏而流出的換熱介質都可以通過泄漏溝槽收集到泄漏檢測裝置,進而發(fā)出警報。鑒于采用雙層管設計,即使發(fā)生泄漏,也不必急于停機檢修,完全可以等到下一個運行周期時再進行檢修,從而節(jié)省大筆檢測費用。

3.2加熱系統(tǒng)設計

3.2.1氣側典型系統(tǒng)設計

一個前置模塊配置一臺性能加熱器,天然氣換熱器設置一條100%旁路,在機組啟動和停機或者性能加熱器不工作時,機組也能正常運行。

氣側系統(tǒng)除換熱器外,還配備了相應的監(jiān)測和保護裝置。首先,雙管式換熱器產品自身配備泄漏監(jiān)測裝置,性能加熱器還配備更加完備的溫度、壓力調節(jié)監(jiān)控系統(tǒng),共同構成了位于前置模塊中的性能加熱單元。當性能加熱器需要維修時,可通過性能加熱器氣側上、下游的充氮和放散閥進行充氮和放散。性能加熱器采用雙套管形式,以確保對工作介質和產品介質進行有效隔離。泄漏監(jiān)測裝置主要由感應器EKC20CP081組成,帶有遠程顯示功能,當泄漏壓力增加時,可實現(xiàn)遠程顯示。如有必要,該裝置可觸發(fā)警報。在雙管之間有就地壓力表EKC20CP501,并隨帶隔離閥EKC20AA301。當感應器EKC20CP081報警后,該壓力表可以用來檢查泄漏情況。

在性能加熱器的天然氣出口管道上安裝有一個溫度變送器EKC20CT001,用于監(jiān)視天然氣出口溫度,同時該變送器是性能加熱器控制系統(tǒng)的一部分。管道上還安裝有溫度表EKC30CT501,可就地顯示天然氣溫度。預留接口EKC30CT401是性能試驗的備用口,用于安裝性能試驗中的溫度變送器。

3.2.2水側典型系統(tǒng)設計

水側系統(tǒng)的功能是通過調節(jié)熱水量實現(xiàn)換熱調節(jié),其主要設備是換熱器上、下游的流量、壓力調節(jié)閥組,可實現(xiàn)流量和系統(tǒng)壓力的靈活調節(jié)。此外,還可根據(jù)工程項目需要,配備熱水旁路系統(tǒng)(位于換熱器熱水進出口管道之間)。該旁路系統(tǒng)可以增大燃料預熱性能,優(yōu)化系統(tǒng)的調節(jié)范圍,可根據(jù)項目需要選擇性配備。

性能加熱器水側系統(tǒng)有一個疏水閥門EKT20AA411,在性能加熱器需要維修拆卸時,通過打開這個疏水閥將性能加熱器水側的水排盡:在性能加熱器長時間不投運時,也要打開這個疏水閥將水排盡。性能加熱器水側還有兩個放散閥EKT20AA511和EKT30AA512,在首次向性能加熱器水側充水時,以及性能加熱器檢修后或長時間停運后再次充水時,需要打開放散閥排盡水側空氣,待水充滿并開始從放散閥溢出時再關閉。為了防止加熱器內部溫升的突然升高,導致?lián)Q熱管由于膨脹造成應力損壞,需要小開度打開加熱器熱水進口閥門EKT20AA011(此閥門不包括在前置模塊范圍內),加熱器溫升均勻之后,才可以完全打開進口閥門,嚴禁大量熱水突然進入加熱器。

加熱器的隨配替代管段,可以確保加熱器維修時機組依然可以在不加熱情況下正常運行。

4結語

天然氣性能加熱系統(tǒng)作為一種能夠有效提高聯(lián)合循環(huán)熱效率的方式,得到了越來越普遍的應用。本文通過對AE94.3A型燃機性能加熱系統(tǒng)的設計進行具體分析,使燃機能夠滿足天然氣溫度要求,提高了燃機效率,為今后聯(lián)合循環(huán)電廠的燃機設計、安裝、調試提供了參考。