魏冰霞
株洲航发动科南方燃气轮机有限公司 412002
摘 要：可燃气体经压缩冷却后，管道输送过程压降温降等会导致燃气带液，并随燃气进入燃机，造成涡轮叶片带液腐蚀，严重制约了燃气轮机的使用寿命。燃料气体燃气加热装置主要是设置在燃气轮机燃气进燃机前，通过加热提高燃料气体的温度，降低其含水饱和度，保证进入燃气轮机的燃料气体不含液态水，减少涡轮叶片的带液腐蚀情况的发生，提高燃气轮机的使用寿命。因此，合理的燃气加热装置设计与选型是确保燃气轮机发电机组安全有效运行、减少故障的基础。本文主要以焦炉煤气为燃料，某型燃气轮机的进气加热装置的设计选型。
关键词：燃气加热装置 设计选型
1、概述
可燃气体作为燃气轮机的主要燃料，与空气在燃烧室燃烧，高温膨胀推动涡轮叶片做功，将内能转化为动能。燃气轮机发电机组是利用燃气轮机做功，带动发电机将动能转化为电能，利用余热锅炉将高温尾气的内能传递给水，产生水蒸汽，实现热电联供。目前，以某型燃气轮机发电机组主要利用焦炉煤气、沼气、弛放气、天然气等为燃料，来实现热电联供。这些燃料气体在化产处理时，经水洗酸洗等，造成燃料气体含水量较大。燃料气体经压缩冷却后，相对湿度几乎为100%，再经管道运输，产生压降及温度损失，燃气中的水则从气态变为液态。并随燃气进入燃机，造成涡轮叶片带液腐蚀，严重制约了燃气轮机的使用寿命。因此，须提高燃气的温度，降低其含水饱和度（或相对湿度），保证燃气在进入燃机时无液态水。
2、设计的相关参数
燃气加热装置设计选型的相关参数如下：
加热介质：
焦炉煤气具体成分：H2 59.2%，CO 8.6%，CH4 23.4%，C2+ 2% ，O2 1.2%
N2 3.6% ，CO2 2.0%
同时含有一定量的焦油、粉尘、奈等杂质。
气体特性：易燃易爆
工作压力：0.9MPa
气体流量：2500Nm3/h
加热温度：40℃加热到80℃（保证40℃温升）。
热源：饱和蒸汽压力0.8MPa,温度175℃，降至100℃（已冷凝，利用潜热）
3、换热器选型
3.1换热器形式选择
换热器按其热传递方式分类有间壁式换热器、直接接触式换热器、蓄热式换热器。间壁式换热器是在冷热两流体间用一壁隔开，以便两种流体不相混合而进行热量传递。直接接触式换热器是两种冷热流体以直接混合的方式进行热量交换。这对与工艺上允许两种流体可以混合的情况下，既方便又有效，所用设备也较简单。蓄热式换热器主要由热容量较大的蓄热室构成，室中可充填耐火砖等填料。热流体通过蓄热室将室内填料加热，而冷流体通过蓄热室时则将热量带走，这样冷热两流体交替地通过同一蓄热室，由蓄热室将自得的热量传递给冷流体，达到换热目的。这类换热器常用于高温气体热量的利用或冷却。
根据实际工况，冷介质为可燃爆炸性气体，热介质为高温蒸汽。两介质若混合，则容易引起爆炸，因此两者不允许混合，选用间壁式换热器。间壁式换热器根据其结构不同又分为夹套式换热器、套管式换热器、蛇管式换热器、板式换热器、板翅式换热器、螺旋板式换热器、空冷式换热器、热管、列管式换热器。列管式换热器具有结构坚固、可靠程度高、适应性强、材料范围广等特点，因此成为石油、化工生产中，尤其是高温、高压和大型换热器的主要结构形式。根据前面所述工况，为保证其安全可靠性，选择列管式换热器比较适宜。
3.2换热器的设计及参数计算
根据列管换热器常用的流速范围，气体流体走管程流速在5～30m/s，壳程3～15m/s。流体两端的温度：焦炉煤气冷端为40℃，热端为80℃。蒸汽热端为175℃，冷端为100℃，焦炉煤气流量为2500Nm3/h。根据列管式换热器的设计原则不洁净、易结垢、腐蚀性的流体走管内，饱和蒸汽易走管间，以便及时排出冷凝液，且整齐较洁净，对清洗无要求。因此，焦炉煤气走管程，饱和蒸汽走壳程。
3.2.1基本参数计算
查工程常用物质的热物理性质手册，氢气定压比热容14.314kJ/(kg·K)，一氧化碳的定压比热容1.0396kJ/(kg·K)，甲烷的定压比热容2.165kJ/(kg·K)，乙烷的定压比热容为1.647kJ/(kg·K)，氧气的定压比热容为0.9148kJ/(kg·K)，二氧化碳的定压比热容为0.815kJ/(kg·K)，氮气的定压比热容为1.039kJ/(kg.K)，则焦炉煤气的定压比热容为3kJ/(kg.K)。焦炉煤气温升40℃所需的换热量为37.92×103W，采用水蒸气0.8MPa饱和温度175℃加热，则所需蒸汽量为61.10kg/h。
3.2.2传热面积
参考表4-6（化工原理），冷端是气体，热端是水蒸汽冷凝，传热系数为20～250W/（m2.K），选总传热系数K估=100W/（m2.K）
考虑25%的设计裕量，则某型燃气轮机所需加热器的传热面积A=1.25A估=7.181m2
3.2.3换热管选择
选用较小直径的管子，可以提高流体的对流给热系数，并使单位体积设备中的传热面积增大，设备较紧凑，单位传热面积的金属耗量少，但制造麻烦，小管子易结垢，不易清洗，可用于较清洁流体。大管径的管子用于粘性较大或易结垢的流体。我国列管式换热器常采用无缝钢管，规格为外径×壁厚，常用的换热管的规格：φ19×2，φ25×2.5，φ38×3。管子的选择要考虑清洗工作的方便及合理使用管材，同时还应考虑管长与管径的配合。国内管材生产规格，长度一般为：1.5，2，2.5，3，4.5，5，6，7.5，9，12ｍ等。换热器的换热管长度与壳径之比一般在6－10，对于立式换热器，其比值以4－6为宜。管程和壳程压力降，流体在换热器内的压降大小主要决定于系统的运行压力，而系统的运行压力是靠输送设备提供的。换热器内流体阻力损失（压力降）越大，要求输送设备的功率就越大，能耗就越高。对于无相变的换热，流体流速越高，换热强度越大，可使换热面积减小，设备紧凑，制作费低，而且有利于抑制污垢的生成，但流速过高，也有不利的一面，压力降增大，泵功率增加，对传热管的冲蚀加剧。因此，在换热器的设计中有个适宜流速的选取和合理压力降的控制问题。
换热器选型的基本参数：热交换量37.92kW，平均温差66℃，采用单管程，管长1.5m，换热面积7.181m2,管子数61根，蒸汽流量约61.10kg/h，燃气走管程，蒸汽走壳程。因燃气内含腐蚀性物质，管程材质选用不锈钢，壳程走蒸汽，较干净，可选用碳钢材质。换热器厂家需根据选型号的换热器提供压降及应力补偿等相关参数。此参数只作为焦炉煤气加热器选型的初始参数，实际可能因各厂家换热器内管子数和长度略作变化，可参照本文的计算方式核算厂家提供的参数，并校验是否留有余量。
4、结语
根据上述计算公式和结果，可作为燃气加热装置选型的一般参考依据，可推广到其它燃气加热装置的选型。比如流量和温度变化时，只变化参数的比值即可。选用该型换热器，燃气走管程，只腐蚀管程，不腐蚀壳程。且管程堵塞的话，可以用蒸汽吹扫清洗，再利用。
目前，按此技术参数选型的燃气加热装置，且经实际投产运行检验，达到了燃气的加热温度。因燃气温度升高，降低了其含水饱和度，保证了进入燃机的燃气无液态水。有效地防止了燃机带液腐蚀，延长了燃机的使用寿命。现该装置已在多个燃机电站运行，结合煤气净化设备，有效地降低了因燃气造成的燃机的运行维护问题，且无带液腐蚀现象，寿命也延长了。
参考文献
[1]张家荣、赵廷元编.《工程常用物质的热物理性质手册》，新时代出版社出版
[2]王志魁.《化工原理》,化学工业出版社
[3]钱颂文.《换热器设计手册》，化学工业出版社