AE94.3A型燃機性能加熱器系統(tǒng)設(shè)計研究

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(diào)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(zhì)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(yīng),主要由前置模塊、燃氣模塊、燃燒室等設(shè)備組成。燃機性能加熱器模塊集成在前置模塊內(nèi)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(shè)計中,應(yīng)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(yù)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(nèi)從低壓省煤器抽取熱水不影響汽水側(cè)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(diào)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(nèi),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(shè)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(nèi),以減少溫度變化對燃燒穩(wěn)定性的影響。

以不影響汽水側(cè)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(jīng)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(shè)計

AE94.3A型燃機聯(lián)合循環(huán)性能加熱系統(tǒng)設(shè)計的具體技術(shù)方案為:首先,通過熱力計算獲得燃料預(yù)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(shè)計。然后,對燃料預(yù)熱性能優(yōu)化系統(tǒng)進行方案設(shè)計,主要包括換熱器的選型,調(diào)節(jié)、監(jiān)測、控制系統(tǒng)的設(shè)計,燃料預(yù)熱性能優(yōu)化系統(tǒng)水側(cè)系統(tǒng)的設(shè)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(nèi)流過,熱水從殼側(cè)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(shè)計可以較好地避免換熱介質(zhì)的混合,當換熱管破裂,無論是內(nèi)管還是外管破裂,由于泄漏而流出的換熱介質(zhì)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(shè)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(shè)計

3.2.1氣側(cè)典型系統(tǒng)設(shè)計

一個前置模塊配置一臺性能加熱器,天然氣換熱器設(shè)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(cè)系統(tǒng)除換熱器外,還配備了相應(yīng)的監(jiān)測和保護裝置。首先,雙管式換熱器產(chǎn)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(diào)節(jié)監(jiān)控系統(tǒng),共同構(gòu)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(cè)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(zhì)和產(chǎn)品介質(zhì)進行有效隔離。泄漏監(jiān)測裝置主要由感應(yīng)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(yīng)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(yù)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(cè)典型系統(tǒng)設(shè)計

水側(cè)系統(tǒng)的功能是通過調(diào)節(jié)熱水量實現(xiàn)換熱調(diào)節(jié),其主要設(shè)備是換熱器上、下游的流量、壓力調(diào)節(jié)閥組,可實現(xiàn)流量和系統(tǒng)壓力的靈活調(diào)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(yù)熱性能,優(yōu)化系統(tǒng)的調(diào)節(jié)范圍,可根據(jù)項目需要選擇性配備。

性能加熱器水側(cè)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(cè)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(cè)還有兩個放散閥EKT20AA511和EKT30AA512,在首次向性能加熱器水側(cè)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(cè)空氣,待水充滿并開始從放散閥溢出時再關(guān)閉。為了防止加熱器內(nèi)部溫升的突然升高,導(dǎo)致?lián)Q熱管由于膨脹造成應(yīng)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(nèi)),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(jié)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(yīng)用。本文通過對AE94.3A型燃機性能加熱系統(tǒng)的設(shè)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(shè)計、安裝、調(diào)試提供了參考。