摘要：天然气没有固定的组分，采出气体的成分取决于采出的地点，井与井之间都不相同，因此不可能总是供应相同组分的燃气，气质有限的变化是可以接受的，天然气作为发动机燃料其化学组分就显得非常重要，因为它影响发动机的性能和排放。为了保证燃气轮机能正常运行，燃烧室和喷嘴根据气体的组分进行设计，而沃泊指数作为天然气性质表征的重要参数，对其进行研究分析，可为燃气轮机的燃烧性能和机器的运行提供可靠的参考作用。为此，文章以西气东输所使用天然气为例，通过对气质相关重要参数的分析，阐述了参数对燃气轮机设计选型的优化措施。

　　关键词：燃气轮机；设计选型；沃泊指数；气体组分；气体性质；天然气

　　0引言

　　天然气作为燃驱机组燃料供应源，其组分与性质的稳定性对机组的点火成功率和运行稳定性都有着重要的作用。燃气发生器作为燃驱机组的驱动装置，在设计时为了满足运行现场天然气的燃烧条件，需要根据天然气的成分与性质对其辅助设备和装置本身进行设计，包括燃料气加热器、燃烧室和喷嘴[1-2]。燃气轮机对燃料气有着严格的规定，气体成分与性质的改变都需要进行监测和分析，以确定是否会对机组产生影响。沃泊指数作为反映气体性质的重要参数，是天然气气体性质的重要表征参数，本文将阐述作为反映天然气气体性质重要参数的沃泊指数对燃气轮机运行的影响。

　　1管线天然气组分与燃气轮机设计选型

　　1.1天然气组分关键参数

　　沃泊指数(Wobbe Index，早期多译为华白指数)是在规定参比条件下的体积高位发热量除以在相同的规定计量参比条件下的相对密度的平方根，计算公式如式(1)所示。沃泊指数是重要的燃气参数之一，其意义在于具有相同沃泊指数的不同燃气成分，在相同的燃烧压力下，能释放出相同的热负荷。

　　燃气轮机可以燃用热值变化范围很宽的气体燃料，但是具体的燃料系统设计所能够适应的变化范围是有限的。设计的燃料喷嘴只能在一定的空燃比范围内使用，通过增加或减少燃料喷嘴的面积或气体燃料温度来适应热值的变化。对特定的系统设计来说，各种气体燃料互换性度量标准称为修正的Wobbe指数。此术语用于对固定空燃压比下注入到燃烧室中的能量的相对度量，可以使用燃料的低位发热值、相对于空气的比重和燃料温度来计算。数学定义如下：

　　式(1)～式(2)中：LHV为气体燃料的低位发热值(MJ/m3)；SGgas为相对于空气的气体燃料比重；MWgas为气体燃料的摩尔重量；rgas为气体燃料的绝对温度；28.96为干空气的摩尔重量。

　　为了确保在各种燃烧/透平运行模式中所要求的燃料喷嘴的空燃比保持稳定，制定了允许的Wobbe指数变化范围。当供给多种气体燃料或如果燃料温度变化导致Wobbe指数超过5%的限额时[3]，对于标准燃烧系统来说，可能需要重新对燃料气加热器进行设定和使用单独的气体燃料装置，其中包括控制阀、母管和燃料喷嘴，所有气体燃料的精确分析包括气体燃料的温度分布都应进行分析评估。

　　1.2西二线天然气组分分析

　　通过上述介绍，沃泊指数作为气体重要的性质之一，如果沃泊指数保持不变，燃气组分的变化不会导致空燃比和燃烧速度有明显的改变，但燃气组分变化时会导致能量密度和可燃混合气抗爆性的变化。实际上如果沃泊指数保持常数时，发动机的特性看来是几乎不变的[4]。

　　西气东输二线工程运行阶段所输送的天然气主要有来自土库曼斯坦和哈萨克斯坦两个气源。哈萨克斯坦和土库曼斯坦供西气东输二线天然气的组分和主要物性参数如表1～表4所示。

　　通过表1～表4的对比可以看出土库曼斯坦和哈萨克斯坦的天然气组分基本相同，主要物性参数基本一致。

　　1.3西三线天然气组分分析

　　西三线管道气源包括国外气源和国内气源。国外气源为中亚进口天然气(与西二线气质情况一致)，以土库曼斯坦气为主，包括部分乌兹别克斯坦气和哈萨克斯坦气；国内气源来自部分地产的煤制气。西三线投产初期，主要输送中亚二期天然气、新疆煤制气和塔里木外输天然气作为补充。中亚二期进口天然气达到设计规模时，西三线主要输送中亚二期天然气，根据需要输送一部分煤制气和塔里木外输天然气。

　　煤制气和塔里木外输天然气的气体组分的主要物性参数如表5～表7所示。

　　其中塔里木天然气主要物性如下：低发热值：33.812 MJ/m3；

　　高发热值：37.505 MJ/m3；密度：0.698 2 kg/m3；

　　相对密度：0.579 6。

　　上述5种输送介质中，甲烷的体积含量接近(92.5%～97.0%之间)，天然气组分基本一致，可以进行混合输送。

　　2某型燃气轮机燃料气设计选型分析

　　某型燃气轮机能够燃烧种类广泛的气体燃料，如表8所示。由于这些气体燃料中含有活泼的或惰性成分，从而使这些气体燃料具有较宽的特性范围[5]。根据燃料气标准通过计算得出的修正沃泊指数与标准可以有-5%～5%的偏差范围。当机组为燃料气加热一体化的情况下修正沃泊指数的变化超过+5%或-5%也是可以接受的。通常情况下当变化超过+5%时，需要对所有的条件加以分析和认可。

　　通过单位换算该型燃料气标准的低位发热值为28.13～42.20 MJ/m3，中亚进口天然气、煤制气和塔里木外输天然气的低位发热值均满足燃料气标准，可以进行混合输送。

　　3结语

　　沃泊指数和低位发热值是反映气体性质的重要参数，也是燃气轮机正常运行燃料气标准的重要指标之一，其满足燃料气标准对燃机正常可靠运行至关重要。本文通过对反映气体性质最重要之一的参数沃泊指数和低位发热值进行了介绍，并将西气东输气源与某型燃气轮机的燃料气标准进行了分析对比，论证了燃气轮机正常运行对燃料气气体性质的具体要求。在压气站的日常运行中必须定期密切监测天然气气体性质，在气源发生变化时及早进行处理，可以提高燃机的可靠性和运行平稳性。

　　参考文献：

　　[1]陈光.新型发动机的一些新颖结构[J].航空发动机，2001，8(1)：3-10.

　　[2]何小民，张净玉，李建中.航空发动机燃烧室原理[M].北京：北京航空航天大学出版社，2015.

　　[3]杨安建，田晓晶，凤云仙，等.某燃气轮机燃烧室燃料喷嘴流量特性研究[J].东方汽轮机，2021(4)：27-30.

　　[4]焦书建.燃气轮机与燃气-蒸汽联合循环装置[M].北京：中国电力出版社，2017.

　　[5]赖晓华，彭晓燕.燃气轮机天然气校正沃伯指数公式优化[J].燃气轮机技术，2021，34(4)：30-24.