燃機韋伯指數對發電機組穩定性影響簡析

葉鍇 薛凌霄

摘 ?要：韋伯指數是代表燃氣熱值特性的一個參數，也可以稱作熱負荷指數。韋伯指數大的，則熱負荷也較大。了解韋伯指數對燃氣輪機機組熱穩定性的影響，對提高機組穩定性非常有利。

關鍵詞：韋伯指數;熱負荷;穩定性

中圖分類號：TM611 ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）32-0063-02

Abstract： The Weber Index is a parameter that represents the calorific value of a gas， also calls the thermal load index. When the Weber Index is larger， means the greater heat load. Understanding the influence of Weber Index on the thermal stability of gas turbine unit is very beneficial to improve the stability of the unit.

Keywords： Weber Index; thermal load; stability

在燃氣工程中，高熱值是指單位數量的燃氣完全燃燒后，其燃燒產物與周圍環境恢復到燃燒前的原始溫度，煙氣中的水蒸汽凝結成同溫度的水后所釋放出的全部熱量。低熱值是在上述條件下，燃氣中的水蒸汽仍以凝結狀態存在時，所獲得的全部熱量。

當燃燒器噴嘴前壓力P2不變時，燃氣熱負荷Q與燃氣熱值H成正比，與燃氣相對密度的平方根s1/2成反比。因此韋伯指數也能作為互換性指數，最能夠表征天然氣或者各燃料氣體摻混后形成的混合氣體熱值。各國規定在兩種燃氣互換時韋伯指數的變化不大于±5%～±10%。

9F燃氣輪機采用的干式低氮（DLN2.0+）燃燒室，為了全過程的安全穩定燃燒，對進入燃燒室內的天然氣韋伯指數要求非常高，一般變化范圍在5%以內。必要時候可以調整燃料氣溫度來適應其熱值或比重的變化。只要氣體組成成分未發生大范圍波動，天然氣相對空氣的比重大致為0.58～0.61不變。天然氣低位發熱量就是燃氣完全燃燒后冷卻到初始狀態（環境溫度：273.15K，標準大氣壓1.01325bar）時釋放出來的熱量，燃燒產物H2O仍以氣態形式存在，這個值只與燃料氣組分有關。天然氣的低位發熱量為28233 KJ/Kg（970 btu/scf）左右，查找某燃機電廠燃料氣記錄單，可以發現經過熱值分析儀測量出的這個數值基本不會發生大的波動。因此公式2其實就是一個變量，一個未知量兩者之間的對應關系。

在機組實際運行中，韋伯指數值主要參與控制燃氣輪機內燃燒模式的調整，是預混燃燒允許的必要條件之一。韋伯指數參與預混燃燒模式調整具體邏輯圖見圖1。燃氣輪機機組預混燃燒模式的定義：當機組處于50%～100%基本負荷，TTRF1>1265.6℃情況下，燃料氣直接進入G2（PM1），G3（PM4）支管燃燒。

圖1中，影響機組能否順利進入預混燃燒模式的四個判斷條件是：A：發電機開關合閘，機組已經并網;B：燃燒基準溫度TTRF1>2300℃;C：內部邏輯計算出的韋伯指數值，符合燃燒室要求（具體邏輯圖見圖2）;D：預混燃燒模式鎖定。

圖2可以看出Mark VI控制系統邏輯圖中，韋伯指數上限為43.867n/d，下限為39.689n/d（這是根據9F燃氣輪機透平內部燃燒穩定性要求計算得出）。只有在兩值中間的數值才能讓L3FTGM_PERM輸出為1。這個值上限對應的天然氣溫度值為179.58℃，下限值對應的則是198.9℃。某燃機電廠燃機運行規程中規定：在預混燃燒時，天然氣的溫度維持在187.8℃，一旦天然氣溫度超過193.3℃，性能加熱器就會為了防止其內部局部過熱碳化自動退出。（值得注意的是：當機組在啟動過程中，性能加熱器常因超溫退出后，燃料氣溫度會快速下降，若此時運行人員未及時發現并重新投入加熱器，韋伯指數會超過43.867 n/d這個上限，為了使燃燒穩定，機組內部邏輯判斷，降負荷并且自動退出預混燃燒模式，穩定在先導預混燃燒模式）

具體案例分析：2007年3月，某燃機電廠1號、3號兩臺燃機正常運行，2號剛進入預混燃燒，投入電網控制（AGC）。突然三臺燃機同時發自動減負荷指令，齊減負荷，并且都退出了預混燃燒模式，MARK VI報警系統發出：“FUEL GAS SYS LOWER DUE TO WOBBE INDEX（L30FGWI_ALM）”報警，查看邏輯發現這是由于天然氣氣相色譜儀系統失電，造成色譜儀送到Mark VI的天然氣低位發熱量數值到零（該值正是生成華白指數的重要計算參數），韋伯指數（華白指數）急降所致，而三臺機組共用一套色譜分析儀，數值信號是公用的，這才會造成所有機組齊減負荷事故的發生。

事后，某燃機電廠熱工部總結經驗：基于氣相色譜儀發出的天然氣熱值信號無鎖存，并且天然氣組分穩定，熱值信號不會發生大的變化這一情況，熱工檢修人員在MARK VI控制系統中增加了防信號突變邏輯，避免該類故障的再次發生。

案例二：2006年8月23日，2號機組在啟動階段投用天然氣性能加熱器后，天然氣溫度逐漸上升。當時天燃氣溫度155℃，機組負荷150MW，TTRF1為1120℃。這時突降大雨，由于之前未碰到類似情況，性能加熱器及后部管道無保溫措施，天然氣溫度降至145℃以下，燃機退出預混燃燒模式，負荷從150MW降至115MW。后無論運行如何調整，天然氣溫度一直徘徊在150℃附近，機組一直無法加負荷，直至雨停之后，管線內溫度重新回復至187.8℃。啟機時間為此多延遲了45min。

事后總結經驗，為防止今后同類事故的發生，事后在天然氣加熱器及后部管道上加裝保溫層。對于涉及燃機繼電保護的幾個重要測點，加強保溫驗收工作。

具有相同韋伯指數的不同燃氣成分，在相同的燃燒壓力下，能釋放出相同的熱負荷。假設兩種燃氣的熱值和密度均不相同，但只要它們的韋伯指數相等，就能在同一燃氣壓力下和同一熱交換器上獲得同一熱負荷，在互換時能使燃機保持相同的熱負荷和一次空氣系數。在不同類型燃料氣間互換時，要考慮衡量熱流量大小的特性指數。

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