加入添加剂的燃气轮机运行方法

摘要

一种运行燃气轮机的方法，这种燃气轮机有一个带燃烧器的燃烧室，含钒的燃料经燃烧器供入燃烧室，一种镁化合物的水溶液作为添加剂与燃料分开单独喷入燃烧室。按本发明向燃烧室供入的燃料中，对每个重量百分比的钒，在添加剂中至少有0.75和最多有2个重量百分比的镁。最好将添加的镁限制在对每个重量百分比的钒最多为1.5个重量百分比，尤其是对每个重量百分比的钒为大约1个重量百分比的镁。本发明可允许燃气轮机在燃烧含钒的燃料例如重油时在经济上特别有利地运行。

说明书

本发明涉及一种运行燃气轮机的方法，此燃气轮机具有一个带燃烧器的燃烧室，其中，通过燃烧室的燃烧器供入含钒的燃料，以及，一种镁的化合物和水的溶液作为添加剂与燃料分开地单独喷入燃烧室内。

这类方法由文件WO89/08803A1得知，该文件的全部内容应看作本公开的组成部分。

由专利文件EPO193838B1和美国专利4701124与Re.33896，已知一种用于燃气轮机燃烧室的“混合式燃烧器”，它可以预先规定在燃烧室的燃烧区内，亦即火焰所在区，喷入水或蒸汽。有关混合式燃烧器结构的详细情况可参阅上述三个文件。允许附加地喷入惰性材料的其他燃烧器的方案，可由公开文件DE3606625A1得知。如前所述，水和/或蒸汽喷入燃烧室的燃烧区内，以便降低那里的温度，并因而减少生成有害于环境的一氧化氮。

此外，由现有技术还已知，在供入燃气轮机的燃料中混合添加剂，用于例如防止损伤燃气轮机的某些构件。因此应特别注意避免在采用含钒的燃料(例如重油)时产生的问题。钒在热燃气中工作的构件上，尤其在燃气轮机的工作轮叶片和导向叶片上形成低熔点的钒化合物，这种化合物有很强的腐蚀性并能腐蚀构件的表面。尤其是，这种钒化合物能迅速地溶解构件上的保护氧化层。因此会大大加速承载构件的高温腐蚀。为避免这种高温腐蚀，已知在燃料中添加化合物，这种化合物在燃烧过程中与钒起作用，并生成某种盐，亦即钒酸盐，它具有高熔点，以致在一般的温度下它始终以固态存在于燃气轮机中。在众多的金属化合物中，已证明镁的化合物是可靠的，因为由钒和镁生成一种称为原钒酸镁的化合物(Mg₃V₂O₈)，它在1159℃时才熔化。这种化合物在燃气轮机的构件尤其是叶片上形成固体被覆层，当然可以容易地重新把它除去。镁的化合物向燃烧室的供入通常与燃料一起进行。为此，可在燃料中溶入油溶性的尤其是有机金属的镁化合物，或在燃料中或多或少地散布含镁的任何配制品；例如是一种悬浮在燃料中的固体配制品，以形成一种胶质的溶液，或乳化在燃料中的一种液体配制品，尤其是一种含水的镁盐溶液，以形成一种乳剂。

钒则不同于碱金属，碱金属可通过用水洗涤重油后除去，但是钒一般溶解为有机金属化合物，所以不耗费巨资无法将其从重油中排除，而碱金属则不同，它们以固体悬浮小颗粒的形式或含水的溶液形式散布着。

由三份ASME出版物74-GT-44，81-GT-187，和82-GT-53，可知有关运行一种用含钒燃料进行燃烧并输入燃料添加剂的燃气轮机的其他说明。所有三个文献的均涉及向燃料中加入一种含镁的化合物，在这方面，无论是溶解一种油溶性化合物还是散布一种镁的化合物都是可以采用的。将镁加入燃烧室总是与燃料的供入一起进行的。供入每重量百分比的钒，大约添加3个重量百分比的镁。

制造油溶性燃料添加剂非常昂贵，结果是使成本很高，这就会使采用高含钒量的燃料成为不经济的。在燃料中混合价廉物美的非油溶性的镁化合物(例如氧化镁)以形成弥散，带来了难以保持弥散稳定性的问题，并且要求有巨大的设计性费用。此外，形式上为悬浮液的弥散会磨损燃烧器中的喷嘴。

由AU-B496757已知将硫酸镁水溶液散布在燃料中以形成一种乳化液。然而，这种溶液的定量配料和与燃料进行混合的费用比较昂贵，而且很难保持恒定不变。与此相应地迄今几乎在所有的使用场合，均不得不采用昂贵的油溶性的或可作为呈固体散布的含有镁的燃料添加剂。

由论文“残余燃料在燃气轮机中的应用”(第四次世界石油会议论文集，V1/D卷论文4,291至293页，罗马，1955年)可知向液态燃料中混合添加剂的其他说明。

向燃烧含钒燃料的燃气轮机燃烧室中加镁的所有已知的方法，要求加入大量的、按重量百分率计和随燃油供入的钒相比通常为3倍的过量镁，以便做到将钒充分转化为安全的化合物。因此，所形成的附加的灰分不可避免地结合在离开燃烧室的烟气中，其结果是可能导致燃气轮机及其相应构件十分显著的负荷。镁的这种大的过量还造成富含氧化镁的灰分，氧化镁不溶于水，而且用通常的洗涤方法难以从涡轮上除去沉积的灰分。

本发明的目的是提供一种前言所述类型的方法，采用这种方法，与现有技术的方法相比，可以显著减少形成附加的灰分。

为达到此目的，提出了一种运行燃气轮机的方法，而这种燃气轮机具有带燃烧器的燃烧室，其中，含钒的燃料通过燃烧室的燃烧器供入，而一种溶在水中的镁的化合物溶液作为添加剂与燃料分开单独地喷入燃烧室内，在这种情况下，按本发明向燃烧室供入的燃料中每个重量百分率的钒，在添加剂中加有至少0.75和最多2个重量百分率的镁。

本发明以下列认识为出发点：单独喷入含水的镁的化合物溶液，可以达到镁在燃烧室内，尤其在燃烧室的燃烧区内精细地分布，从而使供入大的过量的镁成为不必要的。考虑到为形成原钒酸镁，按化学计量法计算镁的加入量，要求为每个重量百分率的钒加入约0.7重量百分率的镁，所以与迄今必不可少的5倍过量相比，按本发明只需比1倍多一些至多3倍的过量。因此可以显著降低燃气轮机因灰分造成的负荷。因为采用本发明所得到的灰分所含的镁比迄今得到的灰分中的要少的得多，所以，去除沉积灰分的问题也大为简化。由于氧化镁的含量可以比迄今的低得多，因而保证可以用简单和便宜的洗涤方法来除灰。

按本发明还可以进一步降低加入每一份钒中的镁的分量。因此具有突出优点地对每一个重量百分率的钒最多加入1.5重量百分率的镁，尤其是为每重量百分率钒加入约1个重量百分率的镁。这样一来，镁的加入量一直降到了只超过按化学计量法所要求的加入量的很少量，并因而做到了使燃气轮机的负荷大大降低。还有，在本发明的范围内所追求达到的经济上的优点也是十分明显的，因为与迄今的情况相比，无论是用于必不可少的镁化合物的运行费用还是设备性支出都比较小。

作为镁的化合物最好采用一种镁盐，尤其是还称为“泻盐”或“七水合硫酸镁”的硫酸镁。应当注意到，硫酸镁通常处理为每个镁原子含7个水分子的结晶形式。因为按本发明硫酸镁反正可以溶于水中，所以它并不取决于与硫酸镁在一起的结晶水；当然，作为商品的成分可在配制要喷入燃烧室内的溶液时加以考虑。

将含镁的溶液直接喷入燃烧器的火焰中具有突出的优点，这样可以使镁极有利地分布在燃烧区中，并能获得极为良好的促使镁与钒反应的条件。

溶液的浓度最好调整为，每体积百分率的燃料大约喷入1/10或再少一些的体积百分率溶液。其结果是除了镁与钒之间的反应外，还可以特别有利的方式影响燃烧。

一般情况下可以肯定，将溶于水中的镁的化合物作为溶液单独喷入燃烧室，比起将溶于水中的镁化合物乳化在燃料中并将此乳化液供入燃烧室，在工艺技术上能容易控制得多。在单独喷入溶液的情况下，要加入的镁的成分与燃料中钒的成分间的精确定量配料比例可以没有任何困难地实现。万一需要在燃烧器上设置附加装置也不是很昂贵的；尤其可以使用与已经证明能可靠降低废气中氧化氮含量相结合的附加装置。

关于硫酸镁在水中的溶解度，应该提及，在20℃时有25.8％的硫酸镁可溶于水中，在0℃时为20.9％；业已证明为有利的做法是，按本发明要使用的溶液中硫酸镁的浓度限于最高为1个重量百分比。

在燃烧器通过燃烧含钒的燃料产生的并单独加入硫酸镁的火焰中，进行下列反应：

由于在火焰中的硫酸盐而附加引入的硫的量，比起通常反正在燃料中会含有的那些硫的量来，一般并不重要。此外，与混合一种镁的油溶性化合物相比，对燃烧过程和形成的排放物也不会带来缺点。

为运行一名普通的电站燃气轮机所需的硫酸镁和水的量，可借助于下列例子说明：

假定在燃料中有比较高的钒含量为300ppm，和定量配料比为1重量百分比的镁比1重量百分比的钒，在这种情况下对于燃料消耗量为每秒1公斤的燃气轮机，大约需要54公斤/小时(Kg/h)硫酸镁。若采用20％的硫酸镁水溶液，鉴于上面所述的数据它离溶解度的极限足够远并因而没有造成硫酸镁晶体析出的危险，此时所需要的这种溶液量约为270公斤/小时(Kg/h)或225升/小时(l/h)。

在一台额定功率为75兆瓦(MW)的电站燃气轮机上进行试验，以便将按本发明的镁的添加量与已知的通过在燃料中混合胶状分散的氧化镁来添加镁的量作比较，其中，温度为950℃的烟气进入涡轮。采用一种钒的浓度在250ppm和280ppm之间的重油作为燃料。通过用水两级处理并接着离心分离，燃料中基本上没有钠和钾。燃料的含硫量约为2.8％。

在本发明的试验范围内，硫酸镁溶于去电离的水中，供入燃气轮机的两个燃烧室和通过燃烧器中的喷水装置供入燃烧室的火焰中。测定供入的硫酸镁，使之在燃烧室中每重量百分比的钒配有大约1个重量百分比的镁。溶液的添加量根据涡轮发出的功率来调整，而镁在溶液中的浓度不断地通过测量溶液的电导率加以控制。

按本发明通过镁的添加，在给定的情况下燃气轮机的持续运行可超过150小时，而在此期间不必停车清洗燃气轮机。在涡轮内部发现的沉积的灰分是黄色和柔软的。它们主要由所希望的成分原钒酸镁和硫酸镁组成。通过对取自燃烧室壁、涡轮内壳和涡轮第一级导向叶片的44个试样作详细化学分析证实，镁的分量与钒的分量之比在全部试样中显示出只有很小的数值分散度；这是一个明证，它表明所有与燃料一起供入的钒全都按愿望转变为原钒酸镁。没有在任何一个试样上发现它的镁的分量低于钒的分量；这意味着，尽管与一般的实际情况相比只加入最少量的镁，但在涡轮中到处都将钒完全转化成了原钒酸镁。沉积在涡轮中的沉积物可以令人满意的程度冲洗掉，并在洗涤过程结束后，在试验过程中降低了10％的原有涡轮功率和原有涡轮效率又能重新达到。

为了进行比较，还对添加以胶态散布在燃料中的氧化镁形式的镁进行了检验。在市场上提供有一种在适合于混合到燃料中的液体内呈胶态散布的氧化镁，代替添加含水的溶液，按生产厂的技术规范向燃料中添加氧化镁，亦即尤其是对于每个重量百分比的钒添加3个重量百分比的镁。与按本发明添加镁的方法经150小时后相比，在60至80小时后便已经使燃气轮机发出的功率减小了10％。在涡轮中发现有厚的局部烧结和硬的沉积物。所有的沉积物中均有氧化镁的成分。对在曾为检验本发明的取样处取下的沉积物试样进行的试验表明，镁与钒成分之比的数据分散度相当大。在大多数试样中发现有明显过量的镁，有的还比在燃料中过量的镁更多。当然，另一些试样表明镁与钒成分之比接近1，并因而是最小值，从而证明要想减少镁的添加量若以悬浮液的形式是不可能的。由于到处都存在着氧化镁，所以洗去沉积的灰分已证实是困难的；为了彻底洗净涡轮，必须部分求助于一种利用高压水枪的清洗方法，而在应用本发明的情况下是绝对不需要这样做的。

总之，通过实验证明，采用本发明与采取传统的措施相比，可允许减少因燃油中存在钒而引起的费用多达90％；取得这一高度节省的原因在于，用了一种便宜得多的产品代替比较昂贵的镁的制备，以及只需要添加很少量的镁，特别是两次洗涤过程之间涡轮的持续工作时间延长到2倍。

在附图1中示意地表示了本发明的实施例。图中选择了一种可作为范例的燃烧器，在EPO193838B1中对它作了详细的说明。所以有关此燃烧器结构设计的详细情况在这里省去了。重要之点只是此燃烧器1具有喷入水的装置2和/或蒸汽的装置3。至于所涉及的究竟是一种预混式燃烧器还是一种扩散式燃烧器或是一种混合式燃烧器，亦即是预混式燃烧器和扩散式燃烧器的一种组合形式，都不是决定性的。按照本发明，一个这样的燃烧器1至少配设有一个储料箱4，它通过剂量装置5与喷入装置2、3连接。本发明特别适用于应始终或有时燃烧含钒燃料尤其是重油的燃气轮机。