馬琴，李偉，常娜娜，王宸曦

(1.中國華電科工集團有限公司，北京 100160； 2.國家能源分布式能源技術(shù)研發(fā)中心，北京 100160)

1 LM2500+G4燃氣輪機天然氣進氣要求

中國華電集團與美國GE公司合資成立了華電通用輕型燃機有限公司，生產(chǎn)LM2500與LM6000兩個系列的4款燃氣輪機。其中LM2500系列中的LM2500+G4是主力機型，發(fā)電效率高、排煙溫度高，是最適合燃氣分布式能源系統(tǒng)的燃氣輪機之一。

LM2500+G4型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組裝機容量為42 MW級，是目前國內(nèi)外較為先進的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組。燃氣輪機的燃料以天然氣為主，燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組對天然氣的品質(zhì)要求如下。

1.1 天然氣壓力

LM2500+G4燃氣輪機可以燃燒成分不同的天然氣，所供天然氣的壓力為(3.59±0.13) MPa(表壓)。

1.2 過熱度

為確保供給燃氣輪機的氣體燃料100%不含液體，要求氣體燃料供氣溫度有一定過熱度。所謂過熱度就是燃料氣的溫度和其露點之間的溫差，它取決于烴和濕氣的體積分數(shù)。要求的過熱度是當燃料氣經(jīng)過氣體燃料控制閥膨脹時，它所下降的溫度應(yīng)該得到足夠裕度的補償[1]。

LM2500+G4燃氣輪機要求天然氣的供氣溫度高于運行壓力下的碳氫化合物的露點+28 ℃，最高不超過82 ℃。

天然氣溫度低于露點，天然氣中的重?zé)N及水汽會凝結(jié)形成天然氣凝液。天然氣氣體中含有液體，可能導(dǎo)致氣體燃料噴嘴工作條件惡化，而對于干式低排放(DLE)燃燒系統(tǒng)，則會導(dǎo)致預(yù)混火焰回火或重燃；同時，天然氣凝液易造成天然氣調(diào)壓單元閥門卡澀并加快閥門內(nèi)部密封元器件老化，還會造成調(diào)壓閥動力氣源管路及調(diào)壓閥執(zhí)行機構(gòu)堵塞，從而導(dǎo)致天然氣壓力調(diào)節(jié)異常，對機組穩(wěn)定運行帶來一定的安全隱患，對機組啟動時的環(huán)保性及經(jīng)濟性造成一定影響。

1.3 硫

硫會以化合物H2S，COS的形式存在于天然氣內(nèi)，隨天然氣一起產(chǎn)生。天然氣供應(yīng)商一般通過氣體處理系統(tǒng)脫硫，將H2S的體積比限制到低于20×10-6。硫還有可能以極低體積比(<100×10-9)的單質(zhì)硫蒸氣的形式存在。

如果引擎使用的燃料和使用環(huán)境中均不含堿金屬(包括其硫化合物)成分，則對天然氣燃料中硫的含量無具體限值規(guī)定。對于供應(yīng)燃料氣中的含硫量，有幾個需要關(guān)注的方面，但多與燃氣輪機本體不直接相關(guān)，而是影響其他相關(guān)設(shè)備和排放要求。

(1)余熱鍋爐的腐蝕。如果使用了余熱回收設(shè)備，必須確定燃料氣中硫的含量，以便對設(shè)備進行有針對性的設(shè)計。如果余熱鍋爐(HRSG)內(nèi)的金屬溫度低于煙氣的酸露點，冷凝出的硫酸會導(dǎo)致嚴重腐蝕。

(2)選擇性催化還原(SCR)沉積。對于在燃氣輪機下游采用注入氨來進行NOx排放控制的系統(tǒng)，在低溫蒸發(fā)器和省煤器管束上可能會形成硫酸銨和重硫酸鹽的沉積物。這種沉積物具有腐蝕性，會降低HRSG的性能，增加燃氣輪機的背壓。硫酸銨和重硫酸鹽的沉積速度取決于燃料中的硫含量、煙氣排放中的氨含量、管束溫度以及鍋爐本身的設(shè)計。另外，進口空氣中如果有微量氯離子存在，也可能導(dǎo)致熱通道中AISI 300系列不銹鋼部件開裂。

(3)廢氣排放。大部分硫燃燒后成為二氧化硫，但有5%～10%會氧化為三氧化硫。三氧化硫會產(chǎn)生硫酸鹽，在一些規(guī)范下可能被視為顆粒，剩余物質(zhì)將以二氧化硫的形式排放。為了限制酸性氣體的排放，某些地區(qū)可能會限制燃料內(nèi)硫的含量。

(4)單質(zhì)硫沉積。即使單質(zhì)硫蒸氣的含量極低，無法通過市售的標準氣體分析儀器測出，但在低流量運行期間的高壓降條件下也會發(fā)生氣固相變，氣體控制閥和所有與氣體燃料接觸的下游組件內(nèi)都會發(fā)生固態(tài)單質(zhì)硫沉積。如果發(fā)生了沉積，需要采用燃料加熱措施，使硫保持蒸氣狀態(tài)，從而避免發(fā)生沉積。根據(jù)硫蒸氣的含量，氣體控制閥入口處氣體溫度需要維持在130 ℉(54 ℃)或更高，才能避免發(fā)生沉積。

2 天然氣加熱形式

當天然氣的來氣溫度較低而不能滿足燃氣輪機要求的時候，需要對天然氣進行加熱，目前國內(nèi)燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組天然氣加熱器主要有水浴爐、電加熱器、管殼式換熱器等，每種形式的加熱器都有各自的優(yōu)缺點，各燃氣輪機發(fā)電機組一般根據(jù)現(xiàn)場實際情況配置相應(yīng)的加熱形式[2]。

(1)水浴爐加熱。水浴爐加熱主要通過燃燒現(xiàn)有的天然氣來加熱水，再通過爐內(nèi)的熱水對天然氣進行加熱，主要優(yōu)點是可以利用現(xiàn)有氣源作為燃料、加熱成本低、加熱效率高等，但系統(tǒng)相對復(fù)雜、占地面積較大，且因水浴爐安裝在調(diào)壓站區(qū)域，運行時有明火，一旦天然氣發(fā)生泄漏可能產(chǎn)生嚴重后果，存在一定的安全隱患。

(2)電加熱器加熱。電加熱器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單，只需在系統(tǒng)管路上增加一套電加熱設(shè)備，具有占地面積小、無需外界熱源、加熱速度較快等優(yōu)點，但也存耗電量較大且故障后易發(fā)生爆炸等缺點。

(3)燃氣輪機發(fā)電機組余熱加熱。燃氣輪機發(fā)電機組余熱加熱通過管殼式換熱器換熱，一般是利用廠內(nèi)現(xiàn)有的蒸汽或熱水通過換熱器對天然氣進行加熱，其優(yōu)點是占地面積小、安全性較高，但該換熱器需有外界熱源，且在實際使用過程中檢修維護較為不便。

水浴爐加熱天然氣的效果好，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，國內(nèi)外有相關(guān)的工程經(jīng)驗，也有成熟的技術(shù)支持，一般在長輸天然氣管道上使用。水浴爐加熱燃用天然氣，需消耗不少天然氣燃料，且水浴爐燃燒器需要的天然氣壓力比燃氣輪機進口天然氣壓力低很多，因此還需要配置一套天然氣減壓單元，以滿足水浴爐的要求。

電加熱器加熱設(shè)計簡單，加熱速度快，能在短時間內(nèi)將氣體加熱到需要的溫度。但電加熱器的熱能是通過電能轉(zhuǎn)換而來的，而電能是由天然氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)換而來的，通常燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的發(fā)電效率只有40%～55%，因此電加熱器的能源轉(zhuǎn)化效率低，所帶來的成本也更高，不適合長久運行。由于燃氣輪機發(fā)電機組有大量的廢熱可以利用，因此，電加熱器可作為機組啟動用設(shè)備。

鑒于上述原因，為充分利用電廠余熱，本文重點研究通過電廠余熱形式對天然氣進氣系統(tǒng)進行加熱。

3 余熱加熱天然氣進氣系統(tǒng)介紹

在燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)中，天然氣預(yù)熱不僅可改善天熱氣品質(zhì)，使其符合燃氣輪機進氣要求，而且可以減少為達到所需燃燒溫度而需要的燃料量，從而提高燃氣輪機效率。目前，美國通用、德國西門子等公司生產(chǎn)的燃氣輪機主要采用電加熱器或中壓省煤器的性能加熱器來預(yù)熱天然氣，使其溫度達到系統(tǒng)對天然氣過熱度的要求。

LM2500+G4燃氣輪機可以燃燒成分不同的天然氣，若天然氣中無H2S氣體，則天然氣加熱溫度需滿足過熱度要求；若天然氣中有H2S氣體，則天然氣加熱溫度需滿足過熱度和硫露點兩者之間較大者。

LM2500+G4天然氣進氣參數(shù)：流量，<8 900 m3/h；壓力，(3.59±0.13) MPa(表壓)；溫度：>碳氫化合物露點+28 ℃(燃氣不含硫)，>硫露點+54 ℃(燃氣含硫)；最高燃氣溫度：≤82 ℃。

3.1 雙管式換熱器參數(shù)

經(jīng)調(diào)研，華電天津北辰風(fēng)電園分布式能源項目建設(shè)2套GE-LM6000PF燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，該工程采用德國進口雙管式換熱器，價格約為85萬元。雙管式換熱器使用尾部熱源水加熱天然氣，熱水水質(zhì)為軟化水，進口溫度為130 ℃，回水溫度為110 ℃，壓力為1.6 MPa，將天然氣從55 ℃加熱至120 ℃。本文參考該項目的具體情況，針對河南某分布式能源項目進行設(shè)備選型和計算分析，根據(jù)LM2500+G4燃氣輪機的進氣溫度要求，將天然氣從20 ℃加熱至80 ℃。表1為LM2500+G4型燃氣輪機配套的雙管式換熱器技術(shù)參數(shù)。

表1 雙管式換熱器技術(shù)參數(shù)

表2 技術(shù)指標分析

注：管式換熱器效率為90%，天然氣低位發(fā)熱量為34.54 MJ/m3，廠用電率取3%。

表3 經(jīng)濟指標分析

3.2 技術(shù)經(jīng)濟指標分析

天然氣進氣溫度按照常規(guī)20 ℃計，分別將燃氣溫度加熱到30～80 ℃的技術(shù)、經(jīng)濟指標分析見表2和表3。

由表2可以看出：投運天然氣加熱器后，將天然氣從20 ℃分別加熱至30～80 ℃時，隨著天然氣溫度的升高，燃氣輪機出力相對變化較少，由31 400 kW降至31 394 kW左右，天然氣耗氣量由8 426.1 m3/h降至8 400.7 m3/h，燃氣輪機發(fā)電效率由36.26%提升至36.37%，排煙溫度和排煙流量變化不大，綜合能源利用率由76.45%提升至77.10%。

由表3可以看出：在天然氣價格為2.15元/m3、電價為0.7元/(kW·h)、年利用小時數(shù)為5 500的情況下，隨著天然氣溫度的升高，泵耗電費用增加1.35萬元/a，發(fā)電收入減少2.31萬元/a，維修費用增加1.70萬元/a，但是可節(jié)省天然氣費用約30.00萬元/a，當天然氣被加熱至80 ℃時，運行利潤為24.64萬元/a，投資回收期最短，約為3.4 a。

因此，綜上所述，將天然氣加熱至80 ℃時，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的技術(shù)經(jīng)濟性能最優(yōu)。

4 結(jié)束語

通過余熱鍋爐尾部余熱將天然氣從20 ℃加熱至80 ℃時，聯(lián)合循環(huán)機組的技術(shù)經(jīng)濟性最優(yōu)，其綜合能源利用率增加0.65百分點，運行利潤達24.68萬元/a，投資回收期為3.4 a。通過分析得知，采用低溫余熱的回收措施后，LM2500+G4型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組不僅能源綜合利用率顯著提高，還提高了機組運行的經(jīng)濟性、可靠性及安全性，有效防止了低溫腐蝕。