AE94.3A型燃机性能加热器系统设计研究

引言

根据加热热源不同,天然气性能加热器可分为热水加热器、蒸汽加热器和电加热器等。热水加热器的优点是加热稳定,可调性好。热水加热器的形式有多种,主要采用管壳式,热水的水源取自于热锅炉的中压给水。蒸汽加热器是通过从汽轮机的出汽口和排汽口抽取蒸汽加热天然气,需要增加一条蒸汽管道。电加热器加热速度快,加热方式简单,但电加热器本身带电运行有引起爆炸的危险,且增加了电厂的厂用电率,节能效果不明显,在实际工程中运用较少。本文介绍的AE94.3A型燃机性能加热器采用的是热水加热器形式。

1燃机对天然气温度的需求

燃气轮机对于天然气品质有一定的要求,燃机所需的合格天然气是由天然气系统供应,主要由前置模块、燃气模块、燃烧室等设备组成。燃机性能加热器模块集成在前置模块内部,位于燃气模块上游。对于实际运行中的机组,天然气成分波动比较小,因此影响天然气特性的因素主要是天然气的温度。故在性能加热系统设计中,应严格控制进入天然气燃气模块前的天然气温度,使其满足温度波动限制要求。

2性能加热器对机组性能的影响

燃料性能加热的原理为通过余热锅炉尾部废热预热即将进入燃机的天然气,减少燃机燃料量,在提高燃机燃烧稳定性的同时,大幅度提升联合循环效率。

性能加热器投运时,随着天然气温度的升高,从省煤器抽取的热水流量增加。根据计算,抽水量增加时,省煤器出口温度变化不大,说明在一定范围内从低压省煤器抽取热水不影响汽水侧的循环,仅是大量低品位的热水被联合循环热力系统利用,由此带来天然气温度提升(显热增加),提高联合循环效率。一般情况下,当天然气温度由30℃加热到135℃时,联合循环效率提升约0.3%左右。天然气温度对联合循环效率的影响如图1所示。

当投入性能加热系统时,通过调整热水流量,将最终的天然气温度限制并稳定在一定范围内,避免超过限制值。另外,控制逻辑里面根据热水参数以及燃料流量,计算出一个给水控制阀的前馈设定值,再根据温度偏差进行修正,使得天然气的温度变化控制在一个小范围内,以减少温度变化对燃烧稳定性的影响。

以不影响汽水侧循环为前提,兼顾机组出力和运行稳定性,以提升联合循环效率为目标,经热力计算分析,推荐最佳方案为性能加热器热源是从低压省煤器中抽取的热水,天然气加热到135℃。

3AE94.3A型燃机性能加热系统的设计

AE94.3A型燃机联合循环性能加热系统设计的具体技术方案为:首先,通过热力计算获得燃料预热性能优化系统的基本方案,包括燃气加热温度、热水来源、水量及温度等数据设计。然后,对燃料预热性能优化系统进行方案设计,主要包括换热器的选型,调节、监测、控制系统的设计,燃料预热性能优化系统水侧系统的设计等。

3.1换热器的选型

AE94.3A型燃机采用双管式换热器,配备安全性高的泄漏保护系统,在保证换热性能的同时,大幅提高安全性,节约冗余配置和维护成本。双管卧式安全型换热器外观如图2所示。

图2双管卧式安全型换热器外观

天然气从换热器换热管内流过,热水从壳侧流过,为保证充分的热交换,热水和天然气的流动方向相反。双层管设计可以较好地避免换热介质的混合,当换热管破裂,无论是内管还是外管破裂,由于泄漏而流出的换热介质都可以通过泄漏沟槽收集到泄漏检测装置,进而发出警报。鉴于采用双层管设计,即使发生泄漏,也不必急于停机检修,完全可以等到下一个运行周期时再进行检修,从而节省大笔检测费用。

3.2加热系统设计

3.2.1气侧典型系统设计

一个前置模块配置一台性能加热器,天然气换热器设置一条100%旁路,在机组启动和停机或者性能加热器不工作时,机组也能正常运行。

气侧系统除换热器外,还配备了相应的监测和保护装置。首先,双管式换热器产品自身配备泄漏监测装置,性能加热器还配备更加完备的温度、压力调节监控系统,共同构成了位于前置模块中的性能加热单元。当性能加热器需要维修时,可通过性能加热器气侧上、下游的充氮和放散阀进行充氮和放散。性能加热器采用双套管形式,以确保对工作介质和产品介质进行有效隔离。泄漏监测装置主要由感应器EKC20CP081组成,带有远程显示功能,当泄漏压力增加时,可实现远程显示。如有必要,该装置可触发警报。在双管之间有就地压力表EKC20CP501,并随带隔离阀EKC20AA301。当感应器EKC20CP081报警后,该压力表可以用来检查泄漏情况。

在性能加热器的天然气出口管道上安装有一个温度变送器EKC20CT001,用于监视天然气出口温度,同时该变送器是性能加热器控制系统的一部分。管道上还安装有温度表EKC30CT501,可就地显示天然气温度。预留接口EKC30CT401是性能试验的备用口,用于安装性能试验中的温度变送器。

3.2.2水侧典型系统设计

水侧系统的功能是通过调节热水量实现换热调节,其主要设备是换热器上、下游的流量、压力调节阀组,可实现流量和系统压力的灵活调节。此外,还可根据工程项目需要,配备热水旁路系统(位于换热器热水进出口管道之间)。该旁路系统可以增大燃料预热性能,优化系统的调节范围,可根据项目需要选择性配备。

性能加热器水侧系统有一个疏水阀门EKT20AA411,在性能加热器需要维修拆卸时,通过打开这个疏水阀将性能加热器水侧的水排尽:在性能加热器长时间不投运时,也要打开这个疏水阀将水排尽。性能加热器水侧还有两个放散阀EKT20AA511和EKT30AA512,在首次向性能加热器水侧充水时,以及性能加热器检修后或长时间停运后再次充水时,需要打开放散阀排尽水侧空气,待水充满并开始从放散阀溢出时再关闭。为了防止加热器内部温升的突然升高,导致换热管由于膨胀造成应力损坏,需要小开度打开加热器热水进口阀门EKT20AA011(此阀门不包括在前置模块范围内),加热器温升均匀之后,才可以完全打开进口阀门,严禁大量热水突然进入加热器。

加热器的随配替代管段,可以确保加热器维修时机组依然可以在不加热情况下正常运行。

4结语

天然气性能加热系统作为一种能够有效提高联合循环热效率的方式,得到了越来越普遍的应用。本文通过对AE94.3A型燃机性能加热系统的设计进行具体分析,使燃机能够满足天然气温度要求,提高了燃机效率,为今后联合循环电厂的燃机设计、安装、调试提供了参考。