入口气体污染可导致涡轮机械性能退化

问题区域

入口气体的液体和固体污染会腐蚀、侵蚀和污染涡轮和压缩机叶片,从而降低其效率和缩短使用寿命。以下是涡轮机叶片中发现的污染类型示例。

典型的涡轮机叶片


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腐蚀

腐蚀是指机器部件与污染物之间的化学反应所导致的材料损耗。
污染物可以通过气流、燃料系统或水/蒸汽喷射系统进入
燃气涡轮机。盐、无机酸、钠和钒等元素以及气体(包括
氯和硫氧化物)与水组合,可以导致腐蚀(尤其是在

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腐蚀

腐蚀是指通过悬浮于气流中的硬颗粒磨除材料。导致腐蚀的颗粒的直径通常大于等于 10 微米。直径在 5 至 10 微米之间的颗粒会落在结垢和腐蚀之间的过渡区。

已仔细研究并记录了涡轮机和压缩机叶片的腐蚀情况。(1)人们普遍认为,当颗粒直径和密度、旋压和气体速度增加,而叶片尺寸减小时,腐蚀损坏将加剧。涡轮机和压缩机制造商通过增加后缘厚度、安装现场可更换防护罩以及使用改进的合金,最大限度地减少了腐蚀。然而,他们都建议使用更细的入口过滤,以防止硬颗粒进入涡轮机。

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结垢

结垢是指颗粒和液滴附着到涡轮机叶片的表面。这会在很短的时间内降低流动能力和效率。污垢可通过清洁消除,但这往往需要停机。污染是一个严重的问题,特别是在粘性烃气溶胶普遍存在的石油和天然气行业。传统上,设计涡轮机时并没有就其耐受含微粒气流沉积的情况作相应调整。虽然可以预测某些涡轮机叶片的沉积轨迹,但实际的结垢情况很大程度上依赖于进气清洁度——除非受控,否则不断变化。

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叶片结垢机理

涡轮机中主要的颗粒传送机理是惯性碰撞、湍动涡流扩散和布朗运动。

图 1:叶片污染物沉积


定子/转子

对于惯性碰撞,颗粒惯性会导致其轨迹在流体改变方向的区域偏离流动流线。这会导致颗粒碰撞叶片表面(图 1)。因这种机理导致的质量流量(到达日期)会随粒径的减小而减小,对于小于 1 微米的颗粒,惯性会变得非常小。

对于湍动涡流扩散,颗粒在湍流边界层的漩涡中被夹带,并朝着叶片表面被扫除。受边界层粘滞力的影响,小颗粒(0.1-1.0 微米)速度放缓并被捕获。

在布朗运动中,极小的颗粒(0.1 微米及以下)被随机地运送到涡轮机表面。由于布朗运动,降低颗粒(气溶胶)的尺寸和密度可增加沉积速率。

涡轮叶片上还有另一类因温度梯度(热泳)导致的极小颗粒(0.01-0.1 微米)沉积——在低温应用中通常可以忽略不计。这在石油和天然气行业操作中非常典型。

由于气流中广泛分布的颗粒和液滴(0.1-10 微米),几乎所有上述机理都可以控制涡轮叶片的结垢。(2)

低熔点共晶体的形成是流体催化裂化装置中所使用的功率恢复热气膨胀机中的一种重要结垢机理。(3)

图 2:压缩机结垢及其对燃气涡轮机性能的影响(参考 3)


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涡轮机功率降级

沉积的主要降级影响是流体堵塞叶片通路的喉部。(4)通过涡轮机喷嘴的气流减少会导致气体输出损失。图 2 说明了结垢对典型燃气涡轮机的效率和输出的影响。为尝试弥补输出损失,涡轮机会消耗额外的燃料,这样便增加了点火温度并导致不必要的热耗率上升(同样如图 2 所示)。

通常,会在功率损耗达到 10% 时,关闭涡轮机以进行清洗。这种停机可能频繁发生并需付出昂贵代价。图 3——基于一个主要运营商和两大涡轮机制造商的实地研究——给出了涡轮机结垢的一些重要信息。(5)燃气涡轮机是一种单轴机,功率输出约为 50 兆瓦,压力比约为 10:1,入口温度为 871°C (1600°F)。

图 3:对于 10:1 压力比涡轮机,因沉积导致的功率下降(参考 2)

该图(图 3)清楚地表明,输出损耗直接与入口气体的污染水平成比例。当气体污染达到 549 ppm 时,只需运行 20 小时即可使输出降至 90%。对于中等范围的污染 (58 ppm),250 小时后会发生 10% 的损失。要将输出保持在 90-100% 的范围内,就需要进行清洁。当气体进一步由颗粒过滤器进行清洁后 (19.5 ppm),则 540 小时之后才会发生 10% 的功率损失。

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入口气体过滤

利用当前在滤除气体中固体颗粒和聚结气溶胶方面的技术进步,可以以非常经济的方式对过滤涡轮机入口气体进行过滤,以达到所含污染不超过 0.01 ppm 的水平(粒径界限 0.3 微米)。这样便绝对地消除了腐蚀。结垢应实质上已得到控制,可确保在运行未超过 20,000 小时(超过普通工厂的停机时间)的情况下将功率损耗限制在 10% 以内。这可以通过图 3 右上方线条进行推测。
对于腐蚀控制,颗粒过滤器和液气聚结器均为机械隔膜,不会将腐蚀性蒸汽和气体从燃料气体中分离出来。然而,大多数腐蚀性盐类可以被液态气溶胶溶解和携带。大部分气溶胶的尺寸在 0.1-0.6 微米之间,完全可通过细液体/气体聚结器清除。精细过滤可减少而不是消除腐蚀。

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解决方案

使用清洁燃料的燃气涡轮机叶片的典型设计使用寿命超过 45,000 小时,并且大修间隔最少为 25,000 小时。(4)这可以通过一系列高效水力旋流器和颗粒床过滤器来实现,但前提是床过滤器不会向下游传递任何介质。在实践中,介质过滤器可帮助减少结垢,但下游沙粒释放可以增加因过滤器下游介质迁移造成的腐蚀。

颇尔提供单级液体/气体聚结器,以防止压缩机和涡轮机发生效率损失。This coalescer rated at 0.3µm (99.98% efficient by aerosols count method)(6) will consistently give an effluent of less than 0.01 ppm (liquids and solids).这便将涡轮机在 25,000 小时或更长操作时间内的功率损失限制在 10% 以内。结果,在制造商预估的时间(例如,25,000 小时)内,不会发生因腐蚀和结垢造成的叶片检修。

对用于 FCC 装置功率恢复列中的热气膨胀机,颇尔建议采用多孔不锈钢反吹过滤器。此绝对额定值为 1 微米的滤芯甚至可提供更精细的过滤(因存在滤饼构造)。清除效率超过 99.9%(按重量计)。

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参考文献

  1. M. Menguturk,D. Gunes,M. Erten 和 E.F. Sverdrup,“多级涡轮机腐蚀,” ASME 论文 86-GT-238,发表于 1986 年 6 月 8-12 日在德国西部杜塞尔多夫举办的 ASME 国际燃气涡轮机会展上。
  2. R.A. Wenglarz,“PFBC 电厂涡轮机沉积物评估”, Trans.ASME,工程杂志,动力,第 103 卷,1981 年 7 月,第 552-560 页。
  3. D.H. Linden,“FCCU 动力回收系统中的可受控催化剂沉积物”,油气杂志,1986 年 12 月 15 日。
  4. M.K. Pulimood,“燃气轮机进气过滤的现场经验”, ASME 论文 81-GT-193,ASME 燃气轮机产品会展上提交,1981 年 3 月 9-12 日,得克萨斯州休斯敦。
  5. R.A. Wenglarz,“PFBC 电厂的加固型涡轮机”,1982 年 AIAA/ASME 流体、等离子、热物理和热传递联合会议,密苏里州圣路易斯市,1982 年 6 月 7-11 日。
  6. K. Williamson,S. Tousi 和 R. Hashemi,“气体/液体聚结器性能最新发展”,首届年度会议上提交,美国过滤协会,马里兰州大洋城,1988 年 3 月 21-25 日。

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