MS5002C燃气轮机运行优化研究及应用

侯 松

(海洋石油富岛有限公司, 海南东方 572600)

1 机组概况

海洋石油富岛有限公司二期化肥项目设计生产能力为年产45万t合成氨、80万t大颗粒尿素,装置于2003年9月30日建成投产。合成氨装置采用美国KBR深冷净化器工艺。工艺空气压缩机为意大利Nuovo Pignone公司研制并生产的MS5002C型双轴燃气轮机驱动。燃气轮机结构布置见图1。过滤的空气经过轴流式压缩机压缩后进入燃烧桶,与来自烧嘴的天然气混合燃烧,产生高温、高压的燃气进入透平做功,高压透平驱动轴流式压缩机,低压透平驱动工艺空气压缩机。

图1 燃气轮机结构布置

2 存在的问题

工艺空气压缩机组主要用于给二段炉提供所用空气,同时还为合成氨和尿素装置提供6 478 kg/h的工厂空气和仪表空气。进入燃气轮机的天然气和空气混合燃烧后的乏气,一部分进入一段炉炉膛进行燃烧,一部分进入一段炉对流段给工艺介质加热。自原始开车以来,压缩机运行比较稳定,而其驱动机——燃气轮机由于燃空比的问题,一直影响着机组的高负荷安全稳定运行,导致工艺空气压缩机运行负荷低,出口工艺空气量不足,进而影响装置安全稳定长周期运行。燃气轮机主要存在的问题为:

(1) 燃空比运行值接近联锁值,限制系统负荷提升。根据生产运行系统——过程网络控制系统(WPKS)数据显示,机组在2015年—2017年的燃空比一直在1.18左右高位运行(高联锁值为1.2),限制系统负荷提升,对系统的天然气消耗、合成氨产量产生较大影响。

(2) 燃气轮机安全操作弹性小,抗天然气组分波动能力差。由于燃空比接近高联锁值(1.2),当天然气组分出现波动(CH4含量升高)时,极易造成机组因燃空比高联锁出现装置停车。据统计,2003年—2015年,合成氨装置有5次因燃空比高联锁停车,造成严重停车停产损失。

(3) 燃气轮机排气温度低,能耗增加。由于燃空比实际运行值较高,为了降低燃空比,全开燃气轮机压气机入口导叶(IGV),使更多的冷却空气进入到燃气轮机,从而导致燃气轮机出口温度降低,进入一段炉的乏气温度低,增加了燃气轮机及一段炉的燃气消耗。

3 燃空比的设置及计算

合成氨装置采用南海气田天然气为原料,该天然气的特点是CO2含量较高,CH4的体积分数只有60%左右[1]。特殊的天然气组分对于燃气轮机的运行操作要求较高。当进入燃气轮机的燃气压力过高时,会使着火点远离燃烧喷嘴而产生脱火,轻则使燃烧产生波动,重则导致熄火;当进入燃气轮机的燃气压力较低时,会使燃烧火焰往燃料来源的方向传播而产生回火,轻则烧损喷嘴,重则会在天然气管道内发生燃气爆炸。为了保障燃气轮机稳定安全运行,控制进入燃气轮机的天然气和空气量,设置了燃空比联锁,低联锁值为1.0,高联锁值为1.2。

根据新比隆公司设计理念,燃空比为燃气轮机控制阀(GCV)后燃气压力与轴流式压缩机出口空气压力之比[2],即

(1)

式中:RP4PCC为燃空比;pGHP为GCV后燃气压力;pCPD为轴流式压缩机出口空气压力。

4 燃空比高的原因分析

根据燃空比计算公式可知,影响燃空比高的主要因素是进入燃气轮机的燃气压力升高,或者是进入燃气轮机的空气压力降低,具体影响因素包括环境温度、大气压、燃气轮机轴流式压缩机运行效率及天然气组分。

4.1 环境温度升高

当环境温度升高时,空气分子质量变小,在同一高压轴转速(高压轴转速稳定为5 100 r/min)下,轴流式压缩机功率下降,导致出口空气压力降低;此时,如果燃气轮机低压轴维持原负荷运行,则进入燃气轮机的天然气压力基本保持不变,导致燃空比升高。

4.2 大气压降低

当大气压降低或者入口过滤器压差增加时,在同一高压轴转速下,轴流式压缩机出口空气压力下降;此时,如果燃气轮机低压轴维持原负荷运行,则进入燃气轮机的天然气压力基本保持不变,导致燃空比升高。

4.3 燃气轮机轴流式压缩机运行效率降低

轴流式压缩机长时间运行后叶片或者流道结垢,会导致流通体积减小,在同一高压轴转速下,轴流式压缩机出口空气压力下降;此时,如果燃气轮机低压轴维持原负荷运行,则燃气轮机的天然气压力基本保持不变,导致燃空比升高[3-4]。

4.4 天然气组分变化

当天然气中CH4含量下降时,低压轴要维持原负荷运行,GCV后燃气压力需要升高;此时,在轴流式压缩机运行状况(环境温度、大气压)保持不变的情况下,出口空气压力不变,导致燃空比升高。

5 处理措施

5.1 烧嘴漩涡器解体清洗

表1为燃气轮机燃空比运行数据。由表1可以看出:pGHP上升幅度明显大于pCPD,并且pCPD与pGHP间差值明显增大,说明燃空比上涨主要就是pGHP压力的上涨,与燃气组分、负荷、pCPD等因素无关。

表1 燃气轮机燃空比运行数据

针对此情况,在2017年9月停机期间,对燃气管线及烧嘴进行检查,发现12个烧嘴有严重积碳,并且燃气管线内壁发现有油脂积层。解体烧嘴内部,发现旋流器上有大量油垢,喷嘴芯上也有较严重积碳,见图2。将烧嘴拆卸清洗,去除烧嘴结垢、结焦产物,清洗后的效果见图3。

(a) 烧嘴结焦

图3 烧嘴清洗后情况

5.2 燃气轮机离线清洗工艺优化

轴流式压缩机结垢会导致做功效率下降、出口压力降低。在机组不检修的情况下,最直接有效的方法就是停机离线清洗。根据传统离线清洗效果,改变离线清洗工艺。原离线清洗工艺为拖动—加清洗液清洗—加水冲洗—吹干,现改为拖动—加清洗液清洗—停机浸泡—拖动加水冲洗—吹干。通过观察对比清洗后的污水样本,发现清洗效果好。轴流式压缩机出口压力由723.7 kPa提高至745.8 kPa,效果明显。

采取以上措施后,从燃气轮机检修前后数据来看,在相同的环境温度(26.5 ℃)下,CH4体积分数由64.5%降至61.7%,燃气轮机低压轴负荷率由93.2%升至94.6%,空气压缩机出口质量流量由100 t/h升至103 t/h,出口压力由4.19 MPa升至4.24 MPa,燃空比反而由1.179下降至1.167;按天然气中CH4体积分数每上涨1百分点,燃空比下降0.08,在相同负荷(94.6%)、相同CH4体积分数(64.5%)的情况下,燃空比应为1.143左右,燃空比下降幅度明显。

5.3 燃空比高联锁设定值修订

根据机组运行工况,在确保燃气轮机安全稳定燃烧的情况下,提出修订燃空比联锁值。经过与燃气轮机厂家工程师确认,结合机组实际运行情况,将燃空比联锁值修订为1.28,提高了装置的操作弹性和抗天然气组分波动能力。

6 效果及综合效益

采取一系列措施后,燃气轮机负荷降低,排气温度从410 ℃左右提高至450 ℃以上(见图4),一段炉和燃气轮机的燃气消耗体积流量降低了180 m3/h左右,显著节约了天然气的使用成本。

图4 燃气轮机排气温度趋势图

燃空比问题解决后,系统负荷从69 t/h恢复到71 t/h,每小时增加氨产量约1.1 t。

燃空比高联锁值修订后,2018年1月5日,天然气CH4体积分数在61%～70%波动,燃空比最高达到1.24;2018年1月15日平台断气,天然气压力大幅波动50 kPa,燃空比最高达到1.23。由于燃空比联锁值从1.2提高到了1.28,给操作人员留有处理空间,避免了装置跳车,减少尿素停产损失约10 800 t。

7 结语

该燃气轮机运行优化研究不但彻底解决了燃空比高的问题,而且还减少了燃气消耗量,提高了装置的运行负荷,增加了合成氨产量。合成氨装置安全稳定运行629 d,提高了装置的运行稳定性。