ЭКСПЛУАТАЦИЯ ГТУ ПРИ СЖИГАНИИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ТОПЛИВА
Жидкое топливо. ГТУ на тяжелом топливе оправдали себя в основном в качестве стационарных пиковых и аварийных установок. Число часов работы таких машин мало и, по данным фирмы "Броун-Бовери", колеблется в пределах от нескольких сотен до 4700 ч в год. Количество же запусков при этом относительно высокое (число часов работы ГТУ на один запуск - от 3 до 13). Частые пуски и остановки снижают средний рост загрязнения газовой турбины, так как при каждой остановке часть осадков, образующихся на лопатках, отслаивается в результате термического удара. Фирма "Броун-Бовери" с 1958 г. добавляет к мазуту ГТУ, работающих с температурой газа на входе в турбины 600-650°С, присадку Перолин 602 GT. Эта присадка представляет собой органическое соединение, содержащее 6,5% Si (что соответствует после сжигания 14% SLO2 ). Обычно на одну весовую часть золы мазута добавляли 2,5 части Перолин (количество SiО2 по отношению ко всему количеству золы составляло 35%). Лабораторные опыты показали, что с увеличением количества SiO2 в золе коррозия уменьшается.
Присадка к мазуту Перолин 602 GT увеличивает стоимость топлива на 1-4%. Установлено, однако, что указанная дозировка Перолин 602 G-Т не полностью устраняет коррозию. Оптимальное количество SiO2 по отношению ко всему количеству золы составляет 200%
Для борьбы с высокотемпературной коррозией фирма "Дегусса" (ФРГ) применяет присадку Аерозил к тяжелым мазутам. Присадка Аерозил представляет собой высокодисперсную кремниевую кислоту, имеющую размер частиц от 20 до 40 ммк и удельную поверхность 175 м/г.
Присадку Аерозил сначала вводили в виде 7%-ной смеси с топливом в количестве, равном 50% от содержания золы. Применение этой присадки делало отложения рыхлыми и увеличивало эффективность промывок ГТУ, которые проводились после снижения мощности на 10% (при использовании Перолин через каждые 500 ч).
Добавка 60% от содержания золы 3,7%-ной смеси позволила увеличить время между промывками ГТУ до 700 ч. Таким образом, применение присадки Аерозил позволяет использовать дешевые высокозольные топлива, сократить время, затрачиваемое на очистку турбин, и увеличить длительность эксплуатации без ремонта, а при несколько большей дозировке присадки также повысить температуру на входе в турбину.
На одном из заводов компании "Ниппон Карбид Индастриез" (Япония) с ноября 1965 г. эксплуатируется одновальная ГТУ открытого цикла мощностью 12,5 МВт, изготовленная фирмой "Мицубиси хеви индастри" по лицензии фирмы "Вестингауз" (США). Рабочим топливом является мазут. Отработавшие газы турбины используются в котле-утилизаторе.
Максимальная температура газов на входе в турбину - 730°С, на выходе из турбины - 388°С.
В камере сгорания ГТУ сжигался мазут со следующей характеристикой:
Удельный вес при 15°С ... 0,94-0,95
Вязкость при 50°С, сст 50-150
Содержание золы, <0,02
Содержание ванадия, мг/кг <40
Содержание натрия, мг/кг <40
Содержание серы, % <3,0
Предусмотрена водная промывка топлива и введение в него ингибитора, содержащего гидрат магния. Ингибитор подмешивается к топливу в таком количестве, чтобы отношение содержания магния к содержанию ванадия в мазуте было равно трем.
Коэффициент надежности установки составил 99,6%, а коэффициент готовности - 83,1% за период с ноября 1965 г. по июнь 1967 г.
В течение первого года эксплуатации проточная часть ГТУ подвергалась осмотру и очистке каждые три месяца; в дальнейшем этот интервал был увеличен до четырех месяцев.
После двух месяцев эксплуатации из-за загрязнения проточной части мощность и к.п.д, ГТУ снизились на 5,5 и 4% соответственно, а давление на выходе из компрессора повысилось на 3,5%.
Отложения в камере сгорания и на направляющих и рабочих лопатках первой ступени турбины в основном состоят из соединений магния - MgSO4 и MgO, источником происхождения которых является Mg(OH)2> используемая в качестве ингибитора коррозии. Указанные отложения легко растворяются при промывке горячей водой с температурой 93°С.
В отложениях на входных кромках содержится окиси магния SO3 больше, чем в отложениях на спинке. Отношение содержания магния к содержанию ванадия на входной кромке больше трех, а на спинке меньше трех.
Потеря веса на одну рабочую лопатку не превыси ла 0,2% после 13 тыс. ч работы.
Ниже освещен опыт эксплуатации двух ГТУ типа W171G фирмы "Вестингауз", работающих на жидком топливе с предельным содержанием ванадия. Номинальная мощность ГТУ-10,82 МВт, температура газов на входе в турбину 746°С. В эксплуатации максимальная температура газов в районе направляющих лопаток первой ступени достигала 788°С. ГТУ № 1 и № 2 проработали соответственно 25899 и 25909 ч (после ревизии 1966 г. - 4965 и 4988 ч) и пускались с 1966 г. 209 и 193 раза.
Направляющие лопатки первой ступени изготовлены из сплава Удимет 500, рабочие - из сплавов Инко 700 (ГТУ № 1) и Удимет 520 (ГТУ № 2). Материал направляющих лопаток второй ступени - Удимет 500, рабочих - Инко 700. Остальные направляющие лопатки изготовлены из сплава AISI 310, а рабочие - из сплава Инко X.
Сравнительно низкая цена топлива с высоким содержанием V и Na обусловила его применение для этих ГТУ в начальный период работы. В течение первого года эксплуатации на лопатках наблюдались отложения. Поэтому было решено перейти на топливо с низким содержанием ванадия. Ниже приведена характеристика этого топлива:
Зола, весовые % .. 0,001
Содержание примесей, %·10:
натрий плюс калий 0,85
ванадий 1,97
кальций : ... 0,38
свинец . 0,02
магний .. 0,26
сера .. 1,2
После 5 тыс. ч работы в 1967 г. на этом топливе ГТУ № 1 была остановлена для ревизии. На направляющих лопатках первой ступени отмечались следы коррозии, наиболее заметные на вогнутой поверхности лопаток, расположенных в зоне горизонтального разъема диафрагмы. Имело место коррозионное повреждение двух кромок.
ГТУ № 2 проработала после остановки ГТУ № 1 еще 450 ч. После пароструйной очистки на вогнутой поверхности направляющих лопаток первой ступени были замечены следы коррозии. На выпуклой стороне признаков коррозии не наблюдалось. В общем, коррозию можно считать незначительной. Однако присутствие окислов ванадия в продуктах коррозии указывает на тот факт, что даже при среднем содержании ванадия ~ 0,0002% (в форме V2O5) он вызывает коррозию.
Хотя соединения магния сами по себе не вызывают коррозии, в присутствии щелочных металлов они могут образовывать в проточной части соединения, входящие в состав коррозионно активных отложения. Так, металлографический анализ микропробы, взятой с рабочей лопатки первой ступени, и наличие в отложениях натрий-магниевого сульфата привели к выводу о том, что имела место сульфидная коррозия в сочетании с процессом окисления, стимулировавшимся соединениями ванадия, особенно V2O5.
В результате эксплуатации указанных выше ГТУ фирма "Вестингауз" пришла к выводу, что применение нового топлива дает ощутимые экономические преимущества, которые могут быть еще увеличены его предварительной обработкой, Наиболее важным показателем коррозионной агрессивности примесей яв ляется отношение содержания ванадия и натрия
необходимо дальнейшее изучение эффектов снижения концентрации натрия и ванадия.
Ниже описаны результаты лабораторных и модельных исследований влияния отношения
и выбора присадки для заданного топлива. Исследования были проведены применительно к ГТУ мощностью 25 МВт с температурой газов на входе 750°С. Во время испытаний на модели температура газов не превышала 800°С.
Предварительное изучение присадок к топливу и свойств материалов ГТУ было проведено в муфельных печах и на пилотных установках.
В качестве присадок использовались комбинации соединений Al, Mg и Si. Сооруженная для окончательной оценки присадок модельная установка состояла из компрессора, камеры подогрева, камеры сгорания, газопровода и трех лопаток. Интенсивность загрязнения оценивали по увеличению веса загрязненной лопатки, отнесенной к поверхности образца, интенсивность коррозии - по уменьшению веса лопатки после очистки от отложений, также отнесенному к поверхности образца. Интенсивность коррозии определялась как среднее для всех трех лопаток. Минимальная продолжительность опыта составляла 100 ч.
Установка работала при давлении 4 ата (давление в реальной ГТУ 10 ата), в связи с чем требовалось подмешивание дополнительного количества золы. Для корректирования парциального давления SО2 или SO3был предусмотрен ввод SO2.
Таблица 14
Результаты экспериментов сведены в табл. 14.
Анализ опытов позволяет утверждать, что наибольшей эффективностью обладают ингибиторы, содержащие Mg, Al и Si. Во время последнего опыта, длительность которого превысила 400 ч, соединения Mg и Al вводились в виде водных растворов, а Si в виде этилсиликата 40. Из трех испытываемых лопаток две простояли все 400 ч, а третья через каждые 100 ч заменялась новой. Для нее средняя интенсивность коррозии составила 1,25 мг/см за 100 ч, для первых двух лопаток 3,4 мг/см за 400 ч, или 0,85 мг/см за 100 ч, что обеспечивает срок службы лопаток 30 и 50 тыс. ч соответственно. Таким образом, можно предположить, что интенсивность коррозии во времени изменяется не по линейному закону, а несколько медленнее, это подтверждается также испытаниями материалов в муфельной печи.
Для очистки проточной части ГТУ применяют промывки водой при скорости вращения ротора 300- 400 об/мин. В результате этого около 35% отложений удалялось (опыт № 20).
Исследования, проведенные на описанной выше экспериментальной установке, показали, что наилучшие результаты дает применение присадки к топливу при соотношении V:Mg:Al:Si = 1:3:6:11. При этом отложения были незначительными и с течением времени проявляли склонность к растрескиванию. Можно предполагать, что срок службы направляющих лопаток турбины составит в этом случае примерно 30 тыс.ч.
