1、机械专业论文燃气轮机在天然气输气管道中的应用姓名：张荣刚日期：2007-11-19燃气轮机在天然气输气管道中的应用燃气轮机因其显著的特点，已在大容量输气管道中成为动力装置的唯一选择。在详细分析管道压降与管道长度不成线性关系、输气管道的惯性、天然气压缩机的主要特征、单轴及分轴燃气轮机的特点和特性等许多理论和实际问题的基础上，提出在燃气轮机选用和配套中应注意燃气轮机的选择；空气清洁程度对燃气轮机运行的影响；大气温度对燃气轮机运行的影响；燃料气供应系统的设计以及站控和集散控制系统的配套等问题。在国外众多的大容量天然气输气管道中，均选择燃气轮机作为压缩机的动力装置，是由于燃气轮机具有以下一些显著特点：
2、一、燃气轮机能在较大的范围变速运行，且安全可靠、自动化程度高。这不仅可以实现由一个输气站同时控制前后几个输气站，而且容易实现整个输气管线的经济合理运行。二、燃气轮机技术先进，装置轻巧，建设周期短，甚至可以完全不用水，维修也很方便，这些特点都很适合输气管线的工程建设和生产运行。三、燃气轮机燃料能直接取自输气管道。燃料一般不用再处理和增压，经过调压就可以供燃气轮机使用。由于输气管道中天然气价格相对便宜，因此其动力成本（元/kwh）相对较低。四、天然气管道采用的离心式或轴流式压缩机具有驱动功率大、转速高、变速性能好等特点，这些特点和要求目前只有燃气轮机能满足。燃气轮机在天然气输气管道上的选用和配套涉
3、及到许多理论和实际问题，主要考虑天然气管道、压缩机和燃气轮机各自的特征和要求。天然气输气管道的主要特征1、 管道压降与管道长度不成线性关系由于天然气具有可压缩性，并具有 PV=RT 的关系，因此，在同一直径的管道内，虽然各处质量流速相等，但体积流速不等。管道在运行中，输气量是不可能均衡的。特别是投产初期，实际输气量与设计输气量相差很大，有时采取隔站增压的方式运行。因此，必须将管道的这一特性与天然气压缩机和燃气轮机的变工况特性结合起来统一考虑。2、 输气管道具有惯性由于天然气的可压缩性，加之管道的容积又很大，所以管道的“惯性”很大。即当下游的流量有一个突然变化时，上游的管道压力在同一时刻几乎不会
4、有变化，经过 700010000s上游的压力才会有一个变化，这种时间的滞后称为管道的“惯性” 。压缩机及燃气轮机的主要特性1、 天然气压缩机的主要特性目前，输气管道通常采用离心式或轴流式压缩机。这类压缩机的做功过程都可视为“绝热压缩”过程，其压缩功是压缩比的指数函数。为保证输气管道能在较大的工作范围内稳定可靠地工作，要求燃气轮机的功率、转速不仅有尽可能大的调节范围，而且不产生超温、喘振等意外情况。2、 分轴燃气轮机的特性针对单轴燃气轮机变工况运行局限性大的缺陷，在单轴燃气轮机的基础上发展出分轴燃气轮机。分轴燃气轮机与单轴燃气轮机的最大区别是动力透平轴与燃气发生器不在同一轴系上。由于动力透平转速
5、不受燃气发生器转速的约束，因此使动力透平转速可调范围变得宽广，同时也改善了在各种负荷下的热效率。分轴燃气轮机在整个工作范围内热效率变化不大。在设计点时热效率为 0.30，在一般情况下，分轴燃气轮机空载时的燃料消耗率为满载时燃料消耗率的 22%左右，较单轴燃气轮机要好。应注意的一些问题1、 选用通过以上分析，在天然气输气管道中，应优先选择分轴燃气轮机，但在输气量比较稳定，且天然气价格较低的地方，也可以选择单轴燃气轮机。在管线末端，燃料价格较高，应尽量选择热效率高的燃气轮机。2、 空气净化空气的清洁程度对燃气轮机的安全运行影响很大。 沙尘以极高的速度冲刷燃气轮机叶片，使叶片很快磨损，甚至将叶片打豁
6、，空气密封装置也很快失效。 沙尘在燃气轮机高温部件结垢，改变了叶片的叶型，缩小了燃气流通面积。 涡轮导向器、叶片等热部件的微细空气冷却通道被堵塞，冷却效果差，造成高温热部件烧蚀。 空气中微量的钠、钾有可能与燃料中微量的硫、钒在燃烧过程中产生硫酸盐或钒的共熔体，这些物质会在透平的热通道产生严重的腐蚀。因此，燃气轮机在设计配套时应十分重视空气的净化。目前，所有进口燃气轮机一般都配置“脉冲自清式空气过滤器” ，对 35 以上沙尘的过滤精度在 99.9%以上。3、 考虑大气温度对燃气轮机运行的影响燃气轮机作功的能力与进气质量有直接关系。大气温度越高，燃气轮机进气质量越差，功率越低。一般是大气温度每升高
7、1 度，燃气轮机功率降低 1%。为避开大气温度对燃气轮机可用功率的影响，目前一般是按大气最高温度时燃气轮机的可用功率来选择燃气轮机。4、 燃料气供应系统据统计，以天然气为燃料的燃气轮机的非正常停机，其原因70%以上都来自燃料气供应系统，而且常常发生在冬季。分析其原因，这与燃料气供应系统的设计和配套有关。按规定，进入燃气轮机的燃料气除不含水和杂质外，供气温度必须高于露点温度 28 度以上，且绝对不允许含有液态烃。这在一般情况下都能满足，但若设计不当就会经常出现问题。在冬季，当机组停运一段时间后，管道内停止流动的燃料气的温度会慢慢下降。由于管道内的供气压力较高，因此燃料气中的重组分很快以液态析出，
8、并流到燃料气系统的最低端。这时如果启机，这些液态烃会很快进入燃气轮机点火系统和主燃料系统。由于同样体积液态烃的低热值是气态烃的低热值的数百至千倍，而且液态烃会影响燃料气调节阀的调节精度，而导致启机失败。燃料气中含有微量的液态烃，不仅使燃气轮机运行不稳，而且极易造成事故。因为液态烃的燃烧时间较长，火焰常常延伸至燃烧器外，很容易烧坏涡轮导向器等燃气轮机热部件。因此，在设计燃料气供应系统时，一定要设计自动排液装置、油雾分离器和功率足够大的燃料气加热器。同时，在燃气轮机停机时，能自动关闭燃料气供气阀，自动放空燃料气系统内残存的燃料气，保证进入燃气轮机的燃料气在任何情况下都不含液，温度始终在露点以上。5、 站控和集散控制系统理论和实践表明，为保证整个输气系统的经济合理运行，在建立输气压缩站的同时，应配套先进合理的站控系统（SCS）和集散控制系统（DCS ） 。该系统的设计和使用效果基于以下两个基本条件。 各种运行参数和物性参数必须准确，并有一个合理的可变范围，以确定接口信号的种类、数量和型式。 已知压缩机和燃气轮机在各自的工作范围内运行特性的变化，以及这种变化对邻近站的影响。一个好的管道运行软件和相配套的硬件一定会带来十分显著的节能效果和可观的经济效益。参考文献1、焦树建等，燃气轮机，北京：电力出版社，19782、朱行健等，燃气轮机工作原理及性能，北京：科学出版社，1992
