[發明專利]操作使用含釩燃料的燃氣輪機的系統和方法

無效

• 申請號: 200910262246.5
• 申請日: 2009-12-22
• 公開（公告）號: CN101806248A
• 公開（公告）日: 2010-08-18
• 發明（設計）人: K·L·盧斯拉;H·S·斯帕奇爾
• 申請（專利權）人: 通用電氣公司
• 主分類號: F02C3/30
• 分類號: F02C3/30
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 徐厚才;韋欣華

技術領域

本發明的一個實施方案涉及燃氣輪機(gas?turbines)的操作。更具體地說，本發明的實施方案涉及使用含有釩和/或釩物種(vanadiumspecies)的重質燃料操作的燃氣輪機。

背景技術

石油燃料中的釩雜質濃度范圍從餾分燃料(distillate?fuels)中的不到0.5ppm至殘渣燃料(residual?fuels)中的多達200ppm不等。與燃氣輪機表面上的液態含釩沉積物有關的腐蝕問題限制了更廉價燃料的使用。目前的實踐是用鎂添加劑處理這種燃料，所述鎂添加劑把釩雜質轉化成固體釩酸鎂，在葉片上導致固體非腐蝕性灰沉積物。

按重量計含釩超過2～3ppm的非餾分燃料在常規燃氣輪機中的燃燒只有在當燃燒時向燃料中添加鎂或鈣化合物以形成釩酸鹽的情況下才是可能的。雖然在適中及高于適中溫度的情況下，在不添加上述材料時將會形成的液體氧化釩(V₂O₅)和釩酸鈉(NaVO₃)對燃氣輪機的熱階段材料具有高腐蝕性，但堿土金屬釩酸鹽(釩酸鎂/鈣)為固體，從腐蝕的角度來看，只在燃氣輪機內產生相對無害的沉積物。然而，含固體釩酸鹽的沉積物可以通過其它方式損害燃氣輪機操作。首先，所述沉積物使燃氣輪機翼面(airfoils)的氣動效率減小，導致必須實施定期清除程序(當燃氣輪機熱時“打開殼體(nutshelling)”，燃氣輪機冷卻后進行水洗)。對于其中沉積物堅硬且難以通過打開殼體并水洗清除的具有較高燃燒溫度和高燃氣輪機組件溫度的機器來說，這個問題就變得尤為嚴重。

其次，燃燒溫度接近2300°F的高效燃氣輪機依靠的是通過穿過這些部件的表面注射空氣的噴嘴和動葉(bucket)冷卻(膜冷卻)。固體釩酸鹽沉積物可以堵塞空氣冷卻口，導致不當冷卻部件的過熱。因此能夠使用清潔餾分燃料高效操作的燃氣輪機在使用含釩燃料操作時通常是降額的。盡管有這些缺點，但是作為目前利用含釩燃料的唯一可行的辦法，在燃料中加入鎂添加劑是廣泛使用的。尚未找到在燃燒之前從燃料中清除釩的令人滿意的方法。這可以通過建立或設置精煉廠生產餾分燃料來實現，但這可能是復雜和昂貴的。

釩在燃料中以可溶性卟啉絡合物分子的形式存在，但燃燒后它將以氣態氧化物和氫氧化物的形式存在。在大多數出版物中，已假定氣相中釩氧化物是主要含釩物種。參見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，燃氣輪機中的燃燒氣體含有超過3％的H₂O，并且在第一階段入口壓力大于10atm，水蒸氣壓力將會相當大(＞0.3atm)，導致可觀的氫氧化物濃度。文獻中報道的揮發性氫氧化物包括V₂O₇H₄、VO(OH)₃、VO(OH)₂和VO₂(OH)₂。Glemser和Müller通過蒸騰實驗(transpiration?experiments)測定了V₂O₇H₄的蒸氣壓。參見O.Glemser和A.Müller，Z.Anorg.Allgem.Chem.，325，(1963)220。然而，這些工作者沒有證明他們的結果是處在與流速無關的區域中，這是平衡測量的必要實驗條件。Yannoupoulos(912-1172°K)以及Taniguchi和Ooue(738-893°K)報道了VO(OH)₃為占優勢的釩氫氧化物，而Suito和Gaskell(1173-1373°K)則報道VO(OH)₂和VO₂(OH)₂為主要物種。參見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與Taniguchi和Ooue的蒸氣壓數據之間存在著良好的一致性；Yannoupoulos的結果已在此項工作中用于熱力學計算。