LM2500+G4型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組余熱加熱天然氣的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

馬琴，李偉，常娜娜，王宸曦

(1.中國華電科工集團(tuán)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?xì)廨啓C(jī)天然氣進(jìn)氣要求

中國華電集團(tuán)與美國GE公司合資成立了華電通用輕型燃機(jī)有限公司，生產(chǎn)LM2500與LM6000兩個(gè)系列的4款燃?xì)廨啓C(jī)。其中LM2500系列中的LM2500+G4是主力機(jī)型，發(fā)電效率高、排煙溫度高，是最適合燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)之一。

LM2500+G4型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量為42 MW級(jí)，是目前國內(nèi)外較為先進(jìn)的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組。燃?xì)廨啓C(jī)的燃料以天然氣為主，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組對天然氣的品質(zhì)要求如下。

1.1 天然氣壓力

LM2500+G4燃?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)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(diǎn)之間的溫差，它取決于烴和濕氣的體積分?jǐn)?shù)。要求的過熱度是當(dāng)燃料氣經(jīng)過氣體燃料控制閥膨脹時(shí)，它所下降的溫度應(yīng)該得到足夠裕度的補(bǔ)償[1]。

LM2500+G4燃?xì)廨啓C(jī)要求天然氣的供氣溫度高于運(yùn)行壓力下的碳?xì)浠衔锏穆饵c(diǎn)+28 ℃，最高不超過82 ℃。

天然氣溫度低于露點(diǎn)，天然氣中的重?zé)N及水汽會(huì)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(huì)導(dǎo)致預(yù)混火焰回火或重燃；同時(shí)，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(huì)造成調(diào)壓閥動(dòng)力氣源管路及調(diào)壓閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)堵塞，從而導(dǎo)致天然氣壓力調(diào)節(jié)異常，對機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行帶來一定的安全隱患，對機(jī)組啟動(dòng)時(shí)的環(huán)保性及經(jīng)濟(jì)性造成一定影響。

1.3 硫

硫會(huì)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(gè)需要關(guān)注的方面，但多與燃?xì)廨啓C(jī)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(jìn)行有針對性的設(shè)計(jì)。如果余熱鍋爐(HRSG)內(nèi)的金屬溫度低于煙氣的酸露點(diǎn)，冷凝出的硫酸會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重腐蝕。

(2)選擇性催化還原(SCR)沉積。對于在燃?xì)廨啓C(jī)下游采用注入氨來進(jìn)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(huì)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(huì)降低HRSG的性能，增加燃?xì)廨啓C(jī)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(jì)。另外，進(jìn)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(huì)氧化為三氧化硫。三氧化硫會(huì)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(huì)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(biāo)準(zhǔn)氣體分析儀器測出，但在低流量運(yùn)行期間的高壓降條件下也會(huì)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(huì)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(dāng)天然氣的來氣溫度較低而不能滿足燃?xì)廨啓C(jī)要求的時(shí)候，需要對天然氣進(jìn)行加熱，目前國內(nèi)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)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(diǎn)，各燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組一般根據(jù)現(xiàn)場實(shí)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(jìn)行加熱，主要優(yōu)點(diǎn)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(yùn)行時(shí)有明火，一旦天然氣發(fā)生泄漏可能產(chǎn)生嚴(yán)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(diǎn)，但也存耗電量較大且故障后易發(fā)生爆炸等缺點(diǎn)。

(3)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組余熱加熱。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)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(jìn)行加熱，其優(yōu)點(diǎn)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(shí)際使用過程中檢修維護(hù)較為不便。

水浴爐加熱天然氣的效果好，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，國內(nèi)外有相關(guān)的工程經(jīng)驗(yàn)，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?xì)廨啓C(jī)進(jìn)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(jì)簡單，加熱速度快，能在短時(shí)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?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)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(yùn)行。由于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組有大量的廢熱可以利用，因此，電加熱器可作為機(jī)組啟動(dòng)用設(shè)備。

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

3 余熱加熱天然氣進(jìn)氣系統(tǒng)介紹

在燃?xì)?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?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣要求，而且可以減少為達(dá)到所需燃燒溫度而需要的燃料量，從而提高燃?xì)廨啓C(jī)效率。目前，美國通用、德國西門子等公司生產(chǎn)的燃?xì)廨啓C(jī)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(dá)到系統(tǒng)對天然氣過熱度的要求。

LM2500+G4燃?xì)廨啓C(jī)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(diǎn)兩者之間較大者。

LM2500+G4天然氣進(jìn)氣參數(shù)：流量，<8 900 m3/h；壓力，(3.59±0.13) MPa(表壓)；溫度：>碳?xì)浠衔锫饵c(diǎn)+28 ℃(燃?xì)獠缓?，>硫露點(diǎn)+54 ℃(燃?xì)夂?；最高燃?xì)鉁囟龋骸?2 ℃。

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(xiàng)目建設(shè)2套GE-LM6000PF燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，該工程采用德國進(jìn)口雙管式換熱器，價(jià)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(jìn)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(xiàng)目的具體情況，針對河南某分布式能源項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)備選型和計(jì)算分析，根據(jù)LM2500+G4燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣溫度要求，將天然氣從20 ℃加熱至80 ℃。表1為LM2500+G4型燃?xì)廨啓C(jī)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(biāo)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(jì)指標(biāo)分析

3.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

天然氣進(jìn)氣溫度按照常規(guī)20 ℃計(jì)，分別將燃?xì)鉁囟燃訜岬?0～80 ℃的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析見表2和表3。

由表2可以看出：投運(yùn)天然氣加熱器后，將天然氣從20 ℃分別加熱至30～80 ℃時(shí)，隨著天然氣溫度的升高，燃?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)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(jià)格為2.15元/m3、電價(jià)為0.7元/(kW·h)、年利用小時(shí)數(shù)為5 500的情況下，隨著天然氣溫度的升高，泵耗電費(fèi)用增加1.35萬元/a，發(fā)電收入減少2.31萬元/a，維修費(fèi)用增加1.70萬元/a，但是可節(jié)省天然氣費(fèi)用約30.00萬元/a，當(dāng)天然氣被加熱至80 ℃時(shí)，運(yùn)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(shí)，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(shí)，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，其綜合能源利用率增加0.65百分點(diǎn)，運(yùn)行利潤達(dá)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?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組不僅能源綜合利用率顯著提高，還提高了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、可靠性及安全性，有效防止了低溫腐蝕。