[发明专利]操作使用含钒燃料的燃气轮机的系统和方法

说明书

技术领域

本发明的一个实施方案涉及燃气轮机(gas turbines)的操作。更具体地说，本发明的实施方案涉及使用含有钒和/或钒物种(vanadiumspecies)的重质燃料操作的燃气轮机。

背景技术

石油燃料中的钒杂质浓度范围从馏分燃料(distillate fuels)中的不到0.5ppm至残渣燃料(residual fuels)中的多达200ppm不等。与燃气轮机表面上的液态含钒沉积物有关的腐蚀问题限制了更廉价燃料的使用。目前的实践是用镁添加剂处理这种燃料，所述镁添加剂把钒杂质转化成固体钒酸镁，在叶片上导致固体非腐蚀性灰沉积物。

按重量计含钒超过2～3ppm的非馏分燃料在常规燃气轮机中的燃烧只有在当燃烧时向燃料中添加镁或钙化合物以形成钒酸盐的情况下才是可能的。虽然在适中及高于适中温度的情况下，在不添加上述材料时将会形成的液体氧化钒(V₂O₅)和钒酸钠(NaVO₃)对燃气轮机的热阶段材料具有高腐蚀性，但碱土金属钒酸盐(钒酸镁/钙)为固体，从腐蚀的角度来看，只在燃气轮机内产生相对无害的沉积物。然而，含固体钒酸盐的沉积物可以通过其它方式损害燃气轮机操作。首先，所述沉积物使燃气轮机翼面(airfoils)的气动效率减小，导致必须实施定期清除程序(当燃气轮机热时“打开壳体(nutshelling)”，燃气轮机冷却后进行水洗)。对于其中沉积物坚硬且难以通过打开壳体并水洗清除的具有较高燃烧温度和高燃气轮机组件温度的机器来说，这个问题就变得尤为严重。

其次，燃烧温度接近2300°F的高效燃气轮机依靠的是通过穿过这些部件的表面注射空气的喷嘴和动叶(bucket)冷却(膜冷却)。固体钒酸盐沉积物可以堵塞空气冷却口，导致不当冷却部件的过热。因此能够使用清洁馏分燃料高效操作的燃气轮机在使用含钒燃料操作时通常是降额的。尽管有这些缺点，但是作为目前利用含钒燃料的唯一可行的办法，在燃料中加入镁添加剂是广泛使用的。尚未找到在燃烧之前从燃料中清除钒的令人满意的方法。这可以通过建立或设置精炼厂生产馏分燃料来实现，但这可能是复杂和昂贵的。

钒在燃料中以可溶性卟啉络合物分子的形式存在，但燃烧后它将以气态氧化物和氢氧化物的形式存在。在大多数出版物中，已假定气相中钒氧化物是主要含钒物种。参见W.D.Halstead，Deposition andCorrosion in Gas Turbines，J.Wiley，1972，p.22；W.D.Halstead，J.Inst.ofFuel，42，(1969)419；以及N.S.Bornstein和M.A.DeCrescente，“Properties of High Temperature Alloys，”The Electrochemical Society，Princeton，1976，p.626。然而，燃气轮机中的燃烧气体含有超过3％的H₂O，并且在第一阶段入口压力大于10atm，水蒸气压力将会相当大(＞0.3atm)，导致可观的氢氧化物浓度。文献中报道的挥发性氢氧化物包括V₂O₇H₄、VO(OH)₃、VO(OH)₂和VO₂(OH)₂。Glemser和Müller通过蒸腾实验(transpiration experiments)测定了V₂O₇H₄的蒸气压。参见O.Glemser和A.Müller，Z.Anorg.Allgem.Chem.，325，(1963)220。然而，这些工作者没有证明他们的结果是处在与流速无关的区域中，这是平衡测量的必要实验条件。Yannoupoulos(912-1172°K)以及Taniguchi和Ooue(738-893°K)报道了VO(OH)₃为占优势的钒氢氧化物，而Suito和Gaskell(1173-1373°K)则报道VO(OH)₂和VO₂(OH)₂为主要物种。参见L.N.Yannoupoulos，J.Phys.Chem.，72，(1968)3293；M.Taniguchi和M.Ooue，23^rd Annual Conf.of the Chem.Soc.of Japan，1970 Preprint 2，p.1112；以及H.Suito和D.R.Gaskell，“Metal-Slag-Gas Reactions andProcesses，”The Electrochemical Society，Princeton，1975，p.251。Yannoupoulos与Taniguchi和Ooue的蒸气压数据之间存在着良好的一致性；Yannoupoulos的结果已在此项工作中用于热力学计算。