長(zhǎng)輸管道燃?xì)廨啓C(jī)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行性能計(jì)算及評(píng)估

王 瑋 吳江橋 趙忠剛 王福賓 王馨研

1中國(guó)石油天然氣管道局

2中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院

3中油管道物資裝備總公司

長(zhǎng)輸管道燃?xì)廨啓C(jī)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行性能計(jì)算及評(píng)估

王 瑋1吳江橋2趙忠剛2王福賓1王馨研3

1中國(guó)石油天然氣管道局

2中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院

3中油管道物資裝備總公司

燃?xì)廨啓C(jī)在天然氣長(zhǎng)輸管道上得到越來(lái)越多的應(yīng)用，但燃?xì)廨啓C(jī)也是輸氣管道耗能的大設(shè)備，壓氣站95%以上的電能、天然氣由燃?xì)廨啓C(jī)消耗。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，識(shí)別出影響燃?xì)廨啓C(jī)性能的參數(shù)，建立一套簡(jiǎn)單、科學(xué)、有效的性能監(jiān)測(cè)方法，對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)性能評(píng)估具有重要意義。以索拉公司大力神130燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)曼透平公司的RV050/04離心壓縮機(jī)為例，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)功率計(jì)算及評(píng)估。結(jié)果表明，機(jī)組運(yùn)行工況偏離額定工況較多，尤其是反映壓氣機(jī)狀況的排氣壓力pCD偏離較大，另外功率也有較大偏離。因此在確定儀表測(cè)量值真實(shí)有效的前提下，首先對(duì)機(jī)組進(jìn)行水洗清潔，其次要校正壓氣機(jī)可調(diào)導(dǎo)葉的角度，對(duì)燃料氣進(jìn)行化驗(yàn)，排除過(guò)量的重?zé)N組分。通過(guò)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能進(jìn)行評(píng)估，可以隨時(shí)掌握機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。

燃?xì)廨啓C(jī)；性能；監(jiān)測(cè)；功率；評(píng)估；修正

燃?xì)廨啓C(jī)是一種先進(jìn)的成套動(dòng)力機(jī)械裝備，在發(fā)電、油氣開(kāi)采、交通、冶金、化工、艦船動(dòng)力等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。近年來(lái)，隨著天然氣長(zhǎng)輸管道的蓬勃發(fā)展，燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)離心式壓縮機(jī)（以下簡(jiǎn)稱壓縮機(jī)組）在天然氣長(zhǎng)輸管道上已經(jīng)得到越來(lái)越多的應(yīng)用。管輸企業(yè)的天然氣和電力能源主要消耗在燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行上，約占總消耗量的95%以上[2-3]。因此，如果能夠在現(xiàn)場(chǎng)科學(xué)地監(jiān)測(cè)、評(píng)估燃?xì)廨啓C(jī)的性能，就可為后續(xù)的視情維護(hù)、大修等提供參考，對(duì)于節(jié)能減排意義重大。

1 性能監(jiān)測(cè)、評(píng)估的意義

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)整個(gè)生命周期的總費(fèi)用中，購(gòu)買新機(jī)組約占7%～10%，維護(hù)費(fèi)用約占15%～20%，而運(yùn)行費(fèi)用則占到了70%～80%。因此，性能評(píng)估是燃?xì)廨啓C(jī)日常運(yùn)行中最重要的工作之一。通過(guò)對(duì)性能的監(jiān)測(cè)、評(píng)估，可對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行起到以下作用：①保持機(jī)組較高的可用率；②延緩機(jī)組老化，使運(yùn)行區(qū)域盡可能地接近額定值；③預(yù)判故障，避免機(jī)組運(yùn)行在可能導(dǎo)致嚴(yán)重故障的區(qū)域；④延長(zhǎng)保養(yǎng)和大修的周期；⑤降低其生命周期的總成本。

2 影響現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行性能的參數(shù)

在實(shí)際運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)，影響燃?xì)廨啓C(jī)性能的參數(shù)有很多，但是基本上可以分為以下3類。

2.1 主要參數(shù)

影響燃?xì)廨啓C(jī)性能的主要參數(shù)包括燃燒空氣進(jìn)口溫度、燃燒空氣進(jìn)口壓力損失、大氣壓力（海拔）、煙囪排氣壓力損失、動(dòng)力透平速度、齒輪箱損失。

在天然氣管輸行業(yè)，一般不采用齒輪箱調(diào)速，因此齒輪箱損失不再考慮。動(dòng)力透平高于或低于最優(yōu)轉(zhuǎn)速都會(huì)造成功率的下降，轉(zhuǎn)速與功率呈拋物線關(guān)系；因此在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行性能測(cè)試時(shí)，最好能保證動(dòng)力透平轉(zhuǎn)速處于最優(yōu)值，如果無(wú)法滿足，則需要對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行修正。

2.2 次要參數(shù)

除主要因素外，還有一些其他的參數(shù)也會(huì)對(duì)機(jī)組性能造成一定的影響，如相對(duì)濕度、燃料類型、燃料熱值、進(jìn)口注水量等，但這些參數(shù)的影響微乎其微，或者在特定情況下可以忽略，因此本文不再考慮。如濕度每增加10%，輸出功率下降0.000 2%的影響可以忽略。天然氣管輸行業(yè)，燃?xì)廨啓C(jī)的燃料就地取材，采用天然氣，正常情況下輸送天然氣的組分不會(huì)突變，因此其低熱值也很穩(wěn)定，對(duì)功率的影響可以忽略。

2.3 機(jī)組退化

通常，當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行80 h之后機(jī)組就開(kāi)始退化，功率就開(kāi)始下降[4]。退化分兩種情況，一種是可恢復(fù)的退化，如因壓氣機(jī)污染導(dǎo)致的效率下降，可以通過(guò)水洗恢復(fù)；另一種是不可恢復(fù)的退化，即老化，這主要是由于磨損、熱疲勞等機(jī)械原因?qū)е碌模５睦匣甲裱欢ǖ囊?guī)律，是點(diǎn)火時(shí)間的函數(shù)，不會(huì)突變[5]。如GE公司給出的老化系數(shù)是總點(diǎn)火小時(shí)數(shù)的對(duì)數(shù)函數(shù)，即

實(shí)際使用中，公式較復(fù)雜，可采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)值。在機(jī)組運(yùn)行10 000 h以內(nèi)，每多運(yùn)行1 h，輸出功率下降0.000 34%；10 000 h以后，每多運(yùn)行1 h，輸出功率下降0.000 03%。

3 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行性能測(cè)試工況及參數(shù)

3.1 運(yùn)行工況

在測(cè)試過(guò)程中應(yīng)力求保持各種運(yùn)行參數(shù)的穩(wěn)定，并接近規(guī)定的數(shù)值，因此在測(cè)試開(kāi)始前應(yīng)盡可能讓機(jī)組多運(yùn)行一段時(shí)間，在正式測(cè)試開(kāi)始前應(yīng)至少運(yùn)行45 min。在測(cè)試期間參數(shù)平均值的偏差不超過(guò)表1所列數(shù)據(jù)時(shí)，認(rèn)為機(jī)組運(yùn)行工況處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表1 測(cè)試期間參數(shù)最大允許偏差

3.2 測(cè)量參數(shù)

以提高運(yùn)行效率為目的的性能測(cè)試首先關(guān)注反映機(jī)組整體狀態(tài)的參數(shù)，即功率；然后再關(guān)注壓氣機(jī)排氣壓力（pCD）和動(dòng)力透平入口初始溫度（T5），這兩個(gè)參數(shù)可分別反映壓氣機(jī)及燃燒室這兩個(gè)重要部件的狀況。

性能測(cè)試穩(wěn)定運(yùn)行30 min，在此期間讀取3～4次數(shù)據(jù)。測(cè)試所用的儀表主要是燃?xì)廨啓C(jī)在運(yùn)行中使用的監(jiān)測(cè)儀表，部分機(jī)組控制系統(tǒng)未監(jiān)測(cè)的參數(shù)則需額外增加測(cè)量?jī)x表。需測(cè)量的數(shù)據(jù)及相關(guān)要求見(jiàn)表2。

表2 性能測(cè)試所需測(cè)量的參數(shù)

4 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行性能計(jì)算及評(píng)估

以一臺(tái)索拉公司大力神130燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)曼透平公司RV050/04離心壓縮機(jī)為例，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)功率計(jì)算及評(píng)估。該壓縮機(jī)組應(yīng)用于青海某壓氣站，以天然氣為燃料。

4.1 燃?xì)廨啓C(jī)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行功率的計(jì)算

對(duì)于壓縮機(jī)組來(lái)說(shuō)，獲得輸出功率有3種方法，第一種是在聯(lián)軸器上安裝力矩測(cè)量裝置直接測(cè)量，這種方法精度最高、不確定性最小，也是實(shí)驗(yàn)室采用的方法。然而在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行中，很難采用這種方法，多數(shù)情況下只能采取其余兩種精度差、不確定性高的計(jì)算方法。

（1）用壓縮機(jī)吸收的功率來(lái)反推燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率，見(jiàn)式（2）、式（3）。

式中Pg為壓縮機(jī)施加給工藝氣的功率；ηm為壓縮機(jī)的機(jī)械效率，由壓縮機(jī)廠家給定，取值0.86；ρs為壓縮機(jī)進(jìn)口氣體密度，取值0.689 1 kg/m3；Qs為壓縮機(jī)進(jìn)口氣體體積流量，取值473 115 m3/h（標(biāo)況）；H為壓縮機(jī)壓頭，取值80 072 J/kg。

經(jīng)式（2）計(jì)算，可得P=8 432 kW。

（2）用熱平衡法來(lái)計(jì)算。該方法需要測(cè)量的參數(shù)更多，因此也更復(fù)雜，一般可作為上一種方法的驗(yàn)證補(bǔ)充，本文不再贅述。

4.2 功率的修正

燃?xì)廨啓C(jī)的額定性能是在指定的燃料、ISO標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)、機(jī)組帶滿負(fù)荷、動(dòng)力透平進(jìn)氣初始溫度控制以及無(wú)進(jìn)排氣損失運(yùn)行時(shí)的性能指標(biāo)。為了排除環(huán)境因素、進(jìn)氣和排氣壓力損失、機(jī)組老化等因素的影響，必須把實(shí)測(cè)數(shù)值修正到ISO標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，以便對(duì)機(jī)組性能進(jìn)行比較，作為鑒定性能的依據(jù)。

計(jì)算出的功率P可按照式（4）進(jìn)行修正。

式中Pcorr為修正后的功率；CTa為對(duì)大氣溫度（即進(jìn)口溫度）的修正系數(shù)；CPa為對(duì)大氣壓力的修正系數(shù)，主要是海拔影響；Cd為機(jī)組隨時(shí)間老化的修正系數(shù)；CpI為進(jìn)口壓力損失的修正系數(shù)；CpE為燃?xì)馔钙匠隹冢焽枧艢猓毫p失的修正系數(shù)。

以上系數(shù)均可以從設(shè)備廠家提供的相應(yīng)修正曲線上獲得。

4.3 性能評(píng)價(jià)

（1）功率。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組功率進(jìn)行修正以后，將修正值與同樣轉(zhuǎn)速下的出廠性能數(shù)值（也即新機(jī)組的性能數(shù)值）進(jìn)行比較，修正值如果低于額定值5%以上，則說(shuō)明機(jī)組狀況較差。本例中，實(shí)際功率為8 432 kW，經(jīng)式（4）修正后，功率達(dá)到12 362 kW，而額定功率為15 290 kW，偏離19%。

（2）排氣壓力pCD。為了便于對(duì)pCD進(jìn)行評(píng)價(jià)，首先從廠家提供的出廠性能曲線上讀取同樣轉(zhuǎn)速和進(jìn)口溫度下的pCD值，記為pCDcorr，按照式（5）進(jìn)行修正，得到修正后的pCDcorr。

式中δ為海拔修正系數(shù)，δ=現(xiàn)場(chǎng)大氣壓力（kPa）/101.35；Δpin為進(jìn)口壓力損失（in H2O）。

pCDcorr與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)pCD進(jìn)行比較，如果實(shí)測(cè)值比修正值低2.5%以上，則說(shuō)明壓氣機(jī)狀況較差。

（3）動(dòng)力透平初始溫度T5。T5評(píng)價(jià)相對(duì)簡(jiǎn)單些，首先從廠家提供的出廠性能曲線上讀取同樣轉(zhuǎn)速和進(jìn)口溫度下的T5值，記為T5orig，然后與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)T5進(jìn)行比較，如果實(shí)測(cè)值比初始值高15℉以上，則說(shuō)明機(jī)組狀況較差。

根據(jù)以上3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)本例中的壓縮機(jī)組進(jìn)行性能評(píng)估，結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可知，機(jī)組運(yùn)行工況偏離額定工況較多，尤其是反映壓氣機(jī)狀況的pCD偏離較大，另外功率也有較大偏離。因此在確定儀表測(cè)量值真實(shí)有效的前提下，首先對(duì)機(jī)組進(jìn)行水洗清潔，其次要校正壓氣機(jī)可調(diào)導(dǎo)葉的角度，對(duì)燃料氣進(jìn)行化驗(yàn)，排除過(guò)量的重?zé)N組分。經(jīng)過(guò)這3步后，pCD和T5的偏離如果還在正常范圍外，則要對(duì)機(jī)組機(jī)械部分進(jìn)行更詳細(xì)的診斷；如果pCD和 T5回歸到正常范圍內(nèi)，而功率仍然偏離較大，則說(shuō)明壓縮機(jī)效率低下，需要進(jìn)行檢查。

表3 某壓縮機(jī)組性能實(shí)評(píng)情況

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行中機(jī)組進(jìn)行性能評(píng)估，并與機(jī)組出廠時(shí)同等條件下的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行比較，就可得知機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。雖然現(xiàn)場(chǎng)所采用的計(jì)算方法有較大的誤差，但是可以通過(guò)與采用同一標(biāo)準(zhǔn)、方法所得的計(jì)算值進(jìn)行趨勢(shì)分析，用于指導(dǎo)預(yù)防性維護(hù)，甚至可預(yù)知機(jī)組故障的發(fā)生。此外，燃?xì)廨啓C(jī)性能測(cè)算和評(píng)估，對(duì)于壓氣站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行也至關(guān)重要。

[1]趙國(guó)輝，王輝，孫明周，等．燃?xì)廨啓C(jī)與壓縮機(jī)組操作維護(hù)手冊(cè)[M]．北京：石油工業(yè)出版社，2009：20-22.

[2]陳瑞成，王輝．索拉壓縮機(jī)組常見(jiàn)故障處理[J]．燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，2014（3）：66-68.

[3]宋明智，程鳳亭．陜京天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)的節(jié)能措施[J]．油氣儲(chǔ)運(yùn)，2012（11）：841-844.

[4]林舒公，楊道剛．現(xiàn)代大功率發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：6.

[5]周會(huì)芳．燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行中的性能監(jiān)測(cè)[J]．燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，2004（1）：61-64.

（欄目主持 關(guān)梅君）

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