焦耳-汤普逊效应引起燃气电厂启动锅炉跳闸的原因分析及处理马生福

焦耳-汤普逊效应引起燃气电厂启动锅炉跳闸的原因分析及处理马生福

马生福

（神华国华（北京）燃气热电北京100025）

摘要：某燃气电厂启动锅炉在调试期间屡次出现由于燃气压力低导致锅炉MFT动作的情况，经过多方查找原因最终排除了滤网堵塞、阀门误关、调压阀故障等原因，在调取燃气温度参数曲线时发现燃气供气温度在启动炉运行后期下降至零下，一段时间后燃气压力降为0，分析为燃气温度过低导致调压阀控制器信号管结冰引起控制阀突关造成了锅炉MFT,本论文就燃机节流对启动锅炉运行的影响进行了分析，找出了根本原因和解决方法。

关键词：天然气；启动锅炉；调压阀；节流膨胀；焦耳—汤普逊系数；

一、概述

1、机组概述：某燃气热电厂安装2台M70IF4型燃机组成的1套“二拖一”燃气一蒸汽联合循环发电供热机组。每套“二拖一”机组包括2台M70IF4型燃机组成的燃气轮发电机组、2台余热锅炉和1台蒸汽轮发电机组。每台蒸汽轮机为双缸双排汽汽轮机，高中压缸和低压缸之间通过SSS离合器连接，发电机位于高中压缸侧。冬季供热工况时，汽机低压缸可解列，高中压缸背压运行，其排汽及低压主汽全部用于加热热网加热器；非供热工况时，高中压缸和低压缸通过SSS离合器连成一个轴，机组纯凝运行。每套“二拖一”联合循环机组在冬季背压工况下（保证供热量）的发电出力为836.24MW，对外供热能力为695.4MW（含余热锅炉烟气加热器供热，除去厂内采暖用汽）；每套“二拖一”联合循环机组在全年平均气温纯凝工况下（保证出力）的发电出力为950.98MW。

该厂燃机或汽机启动前要求一定的真空度，所以启动前需要汽机投入轴封，抽真空。机组冷态启动时，轴封蒸汽只能通过辅助蒸汽提供，由于该厂为新建电厂，没有邻机的辅汽起源，所以机组启动过程的辅助蒸汽只能靠一台启动锅炉提供。

2、启动锅炉：该厂冷态启动时使用一台25t\h的启动锅炉提供辅助蒸汽、汽机轴封、低压汽包加热、高压汽包炉底加热等用户的汽源。采用电厂杭州华电华源环境工程有限公司SZS型燃油（气）启动锅炉，锅炉形式为双锅筒纵置式D型结构，并采用了密封性能可靠、炉膛承压能力高的全膜式水冷壁结构方式。炉膛前墙膜式水冷壁上布置了水平燃烧器，炉膛出口处布置了水平式过热器（采用与烟气逆流布置），而后是对流管束，烟气为“之字型”横向冲刷对流管束。最后经过省煤器由烟囱排出。本锅炉采用平衡通风方式。该锅炉为第二代快装式（整装式）启动锅炉，锅炉受热面全部在工厂内组装完成，现场只需安装相关的平台、扶梯、保温、外包装、管道、阀门、仪表等即可，大大减轻了现场的安装工作量，缩短了安装周期。锅炉可以采用雨棚式室外布置的形式不仅可以防止雨水的侵蚀,而且大大降低了建筑成本，也可以室内布置。同时为了减轻运行人员的操作强度，锅炉运行可以做到一键启停。

该厂启动锅炉参数：型号为SZS25-1.2/320-Q，额定蒸发量25t/h，额定蒸汽压力1.2MPa，额定蒸汽温度320℃，排烟温度≤130℃，锅炉设计效率≥94%，燃烧方式为室燃，额定耗气量2500.7Nm3/h。启动锅炉保护有：汽包水位高、汽包水位低、炉膛压力高、炉膛熄火、燃烧器故障、送风机故障、燃气压力低、燃气压力高、燃气内漏。

3、燃烧器：燃烧器选用德国欧科RPD分体式燃烧器是全自动的燃气燃烧器，根据EN276和676标准，采用5参数调节设计可以保证燃烧的稳定性。欧科分体式燃烧器RPD机型单台最高的输出功率达25MW。所配置的全自动程序控制器和火焰探测器都带24小时火焰信号自检功能，该燃烧器设计燃料供气压力为55KPa。

4、燃气调压装置：本厂启动炉天然气来自全厂天然气调压站，市政燃气公司来的天然气首先经过电加热器，然后过两级调压阀调压，最后经过燃气关断阀向启动锅炉供气。市政燃气管道来3.8MPa的天然气经过加热器和两级调压阀供给启动锅炉燃烧器，最终调压至0.055MPa。

二、启动锅炉运行中出现的问题

该厂启动锅炉使用过程中频繁发生不明原因跳闸事件，事件过程如下：启动锅炉启动之后，开始阶段燃烧比较稳定，燃气流量随燃烧器比调仪输出量成比例变化，但经过一段时间后就出现燃料流量波动大的情况，再过一段时间就会出现燃气压力突降为零，燃烧器供气压力低跳闸。

事件发生后开始查找原因，初步查找没有发现压力变送器故障或者阀门误关的情况，重新启动后仍然出现上述情况。调压阀厂家到场后认为有可能是由于调压站初始投运，管道还不完全干净，供气中可能携带杂物导致调压阀前滤网堵塞或者信号管堵塞。之后对启动炉供气管道进行氮气置换，厂家对调压阀解体检查，发现滤网杂物并不多，信号管内也不存在杂物。对滤网和信号管进行吹扫清理后重新投运，但启动炉点火后依然出现天然气压力突降导致锅炉跳闸的情况。

后来对燃烧器及调压管线所有的参数进行分析，发现燃气温度的变化和燃气流量波动及压力低跳闸的趋势相近。启动炉运行后期燃气供气温度从20多度的常温呈持续下降趋势，在降至0度以下后燃气流量出现了波动情况，再经过一段时间后燃气压力突降为0，锅炉MFT。

三、原因分析

1、直接原因:天然气中本身含有一定的水分，当调压阀的附近的天然气温度达到0℃时，就有可能在管道内部水分结冰。天然气调压阀的结构及工作原理如下：

图-1燃气调压阀结构

（1）工作调压阀工作原理：在出口压力Po保持稳定的情况下，作用在主膜片8上的力是平衡的，阀10控制流量稳定，这个平衡是由膜片8上面弹簧下压力和控制压力7和作用在膜片下部的力是Po和稳定压力5共同控制的。

当出口流量增加时，Po下降，阀芯10会因膜片8上部压力大于下部压力下行，打开调压阀允许更多燃气通过。膜片向下运动会增大控制腔7的体积，并进一步向下释放弹簧9，在较低的出口压力下达到新的暂态平衡。调压线出口压力也反馈给调压阀控制器P095，确保出口压力被调到设定值。

对于出口压力Po的减小，设定弹簧2作用在膜片3上的力大于Po作用在膜片3上的力，此时膜片3带动安装在同轴上的供气阀4和稳压阀6一起下行，维持了稳定压力5和出口压力Po的压差，同时允许更多的上游燃气通过稳压阀6和供气阀4进入控制腔7，使控制腔7压力升高。增大控制腔7压力作用在膜片8上的力使阀芯10进一步下行，调压阀进一步开启，直到出口压力Po与调节螺钉1所设定的目标值相等，此时作用在膜片8上下的作用力达到平衡。

在燃气消耗下降时（出口压力上升时），系统的反应与上述过程相反。在正常的工作条件下，从控制腔7到出口总有非常微小量的气体流动，以保证调压的稳定。

当下游不用气时，调压阀阀芯10、控制器阀芯4与控制器入口压力稳压阀芯6都关闭。通过控制器的限流器，控制腔7内的气体流向下游，控制腔7压力和出口压力相等，阀芯10在弹簧9的作用下关闭。

（2）监控调压阀工作原理：监控调压阀R100S－M的工作原理同工作调压阀R100S的一样，不同的是其多了一个加速泄载控制器AP095，并且监控调压阀的控制器设定值较工作调压阀控制器的设定值要高。

正常运行中监控调压阀R100S－M保持全开（由于其设定值高于工作调压阀），只有工作调压阀调节失常出口压力升高到监控调压阀R100S－M控制器设定值时，监控调压阀开始关闭抑制压力的升高。

由于监控调压阀关闭需要时间不能满足快速关下来控制压力上升的要求，在监控调压阀的控制腔中接了个加速控制器AP095。其设定压力稍高于监控调压阀控制器设定值，当Po上升且到达AP095设定值时，阀16打开快速的将控制腔13中的压力泄掉，直至Po小于AP095设定值时阀16才会关闭。在正常运行时，加速控制器AP095不对调压起任何作用，只防止调压线出口压力超过其设定值作用。

（3）当阀后温度降低至0度时，由于调压阀信号管比较细，经过一段时间就会在信号管内形成结冰，堵塞信号管，从而导致调压阀无法正常调节天然气压力。当该信号管的压力达到监控调压阀加速度传感器的动作值时，监控调压阀就会立即动作，关闭阀门，从而导致启动锅炉入口天然气压力突降，启动炉跳闸。

2、根本原因：天然气节流形成焦耳汤普逊效应，导致天然气温度降低至0度以下。当气体或液体在管道内流过一个缩孔或一个阀门时，流动受到阻碍，流体在阀门处产生漩涡、碰撞、摩擦。流体要流过阀门，必须克服这些阻力，表现在阀门后的压力P2比阀门前的压力P1低得多。这种由于流动遇到局部阻力而造成压力有较大降落的过程，通常称为“节流过程”。该厂调压管线将3.8MPa的来气调节为0.55MPa的供气，这一过程是个压损很大的节流过程。在节流过程中，流体既未对外输出功，又可看成是与外界没有热量交换的绝热过程，根据能量守恒定律，节流前后的流体内部的总能量(焓)应保持不变。但是，组成焓的三部分能量：分子运动的动能、分子相互作用的位能、流动能的每一部分是可能变化的。节流后压力降低，质量比容积增大，分子之间的距离增加，分子相互作用的位能增大。而流动能一般变化不大，所以，只能靠减小分子运动的动能来转换成位能。分子的运动速度减慢，体现在温度降低。当气体节流后，由于压力降低，气体体积膨胀，分子间的距离增大，分子间的位能增加，相应的动能减小，而分子的动能大小可反映出温度的高低。

节流膨胀过程中气体温度的变化可以用焦耳-汤姆逊系数来体现，焦耳-汤姆逊系数可以理解为为在等焓变化的节流膨胀中温度随压力变化的速率。表达式如下：

V——表示气体体积；Cp——表示该气体的等压热容；α——表示该气体的热膨胀系数。μJ-T的国际单位是K/Pa，通常用°C/bar。

因为△p＜0，所以μJ-T＜0，流体节流后,温度升高(△T＞0)；μJ-T＞0，流体节流后，温度下降(△T＜0)；μJ-T＝0，流体节流后。温度不变(△T=0)天然气在20℃、3.8MPa下的μJ-T约为3.5，可以估算调压后温降大概30℃，也就是调压后温度可达-10℃。

该厂调压站供气管路所用调压阀为自位式调压阀，用阀后压力通过信号管传递到阀体指挥器进行调压，由于燃气中还有一定的水分和杂质气体，而信号管又比较细，燃气温度过低时水分和凝点较低的杂质气体会在信号管内凝结导致调压阀控制器信号管堵塞引起控制阀突关，造成锅炉因燃气压力低MFT。

（3）设备原因：本厂天然气调压管线设置有电加热器，正常运行中如果天然气温度偏离设定温度时，电加热器就会启动，将天然气温度加热到设定温度。但是由于该加热器温控逻辑问题，一直不能自动投入，投入后不久即温度高跳闸，后查明为启动炉天然气电加热温控仪温度测点和超温保护温度测点接反，超温保护温度测点测的是线棒温度，温控仪测的是电加热出口天然气温度。

四、解决方法

因燃气节流产生的焦耳-汤普逊效应是无法避免的，唯一可以弥补的方法就是设法让天然气电加热器正常投运，将天然气加热到合适的温度。经过计算，如果将市政管网来的天然气加热到30℃左右，那么经过两级调压阀节流后温度降低13—15℃，可以保证最低处的天然气温度在15℃以上，就可以避免出现信号管结冰堵塞的情况。

该厂技术人员将启动炉天然气电加热温控仪温度测点和超温保护温度测点调换过来后温度控制过程稍好点，但还是会出现流量低时电加热器超温跳闸的现象。后来对温控仪的PID参数进行了调整，并将温控仪的微分时间从60秒改为0秒，使电加热微分调节不起作用，只有积分调节起作用。微分调节的作用是在起动时起到一个超调的作用，使温度尽快满足参数需要，积分调节的做用是稳定温度，防止大幅波动，这样一来即使来流量较小时候天然气温升也不会那么快。此外为了使得加热器融入到启动炉启动顺控中，对启动炉管线电加热的其他逻辑也进行了优化，优化前后的情况如下：

经过如上的优化之后，启动炉启动后投入燃气管道电加热自动，启动炉天然气供气温度能一直维持30℃左右，经过两级调压阀的节流之后，燃气温度扔可维持在15℃以上，从而保证天然气不会发生局部结冰堵塞调压阀信号管，此后没有再出现过燃气流量波动和突发燃气压力低MFT的情况。

五、结论

本论文针对燃气电厂启动锅炉运行中经常发生燃气压力低跳闸的现场,通过焦耳—汤普逊系数的方法分析了节流膨胀对天然气温度的影响，得出天然气节流后温度降为0度以下，天然气调压阀信号关结冰堵塞，造成调压阀突关，找出了该厂天然气压力突降导致启动锅炉MFT的根本原因。在对天然气管路的电加热器逻辑进行修改后，加热器可以正常投入，彻底解决了启动炉燃气流量不明原因波动和突发燃气压力低MFT的问题，保证了启动锅炉能够持续安全稳定运行。

参考文献：

[1]彭世尼，陈建伦，杨建；天然气绝热节流温度降的计算，煤气与热力2006（1）.

[2]董正远；肖荣鸽；计算天然气焦耳—汤普逊系数的BWRS方法，油气储运，2007,26（1）18--22