基于長期低負載運行的T70燃氣輪機參數優化

董海亮 葉仕生 孟慶偉 劉向東 林勇濤

摘 ? 要：中海石油某海上作業平臺在設計階段考慮到平臺后期的生產能力，選用了功率較大（7250kW）的Solar公司的金牛座（TAURUS）T70燃氣輪機，但在平臺投產初期，平臺產能未能得到充分釋放，平臺用電設備總功率只有1400～1800kW，僅為額定功率的20%～25%。本文主要介紹燃氣輪機長期在低負載工況下，如何通過修改系統參數的控制邏輯，優化機組運行效果，節省系統能耗，延長機組使用壽命。

關鍵詞：燃氣輪機 ?修改系統參數 ?優化運行效果

中圖分類號：TK473 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）02（c）-0099-02

1 ?系統介紹

燃氣輪機是海上作業平臺最為關鍵的動力設備，為整個平臺提供電力供應。中海石油某海上作業平臺選用的是Solar公司的金牛座（TAURUS）T70燃氣輪機，它不僅為平臺機械設備提供電力供應，而且充分利用其燃燒廢熱給平臺熱媒系統提供熱能，系統簡圖如圖1所示。

燃氣輪機以空氣作為介質，工作時壓氣機從外界大氣中吸入空氣，并將其進行壓縮，經過壓縮的氣體一部分進入燃燒室，與噴入的燃料相混合，點火燃燒，產生高溫高壓的燃氣，具有高溫高壓的燃氣進入渦輪膨脹做功;另有一部分作為密封氣對軸承進行密封，防止滑油泄露;大部分壓縮空氣則起冷卻的作用，防止機組部件過于高溫，直接影響著機組排氣（尾氣）溫度。廢熱回收系統則主要是利用燃氣輪機尾氣的熱量對導熱油進行加熱，加熱后的導熱油主要被用于乙二醇回收再生系統。在乙二醇處理量過大，燃氣輪機尾氣的熱量不足時，則需燃燒額外天然氣。

2 ?設計與實際工作的差異

該平臺的主電站由兩臺美國SOLAR公司生產的Taurus70型雙燃料（柴油/天然氣）燃氣輪機發電機組組成。由于燃氣輪機和發電機負載能力是隨著環境溫度的變化而變化的，而且較為明顯，故每種型號的燃氣輪機和發電機出力的大小必須與環境條件相對應。Taurus70型燃氣輪機在ISO條件下的凈輸出功率為7250kW，36℃環境條件下凈輸出功率為5762kW，其配置的發電機的額定功率為6500kW，防止在某一特定溫度下出現原動機超載或發電機超載現象的出現。

但由于近年來產能限制，平臺用電功率大部分維持1400kW～1800kW，使得燃氣輪機長期處于低負荷運行的狀態，機組最佳工況與實際工況存在較大差異。

①機組的熱效率較低。在低負載的情況下，每度電消耗天然氣0.7328Sm3，該平臺所產天然氣的熱值為32.878MJ/m3（20℃）。

故每度電消耗能量，32.878×0.7328=24.093MJ。

機組的熱效率僅為3.6/24.093=14.9%

②基本不滿足廢熱回收系統耗能要求。根據最初機組選型時的考慮，如果機組的功率負載約5000kW-5800kW，那么安照機組默認的設置，其尾氣溫度將在470℃～513℃左右，能滿足廢熱回收系統5m3/h的乙二醇處理量，基本滿足平臺大部分條件下的乙二醇再生要求。但是海上平臺目前低負載的情況下，機組尾氣溫度只維持在270℃～310℃，基本不滿足廢熱回收系統耗能要求。

3 ?基于長期低負載運行的燃氣輪機參數優化

根據細致的分析研究發現影響上述系統參數的關鍵因素是PCD（壓氣機出口的壓力）經過壓氣機壓縮后的壓縮空氣的主要作用有：

（1）進入燃燒室與燃料（天然氣＼霧化柴油）混合后燃燒做功。

（2）作為冷卻空氣保護機組部件并控制尾氣溫度，但如果冷卻量過大，熱氣（燃燒后的氣體）未得到充分的膨脹做功即被冷卻，影響機組的熱效率。

（3）作為密封氣對齒輪箱、軸承等部件進行密封，防止潤滑油泄露。

因此PCD（壓氣機出口的壓力）是影響尾氣溫度和潤滑系統軸承回油溫度的重要因素。

在滿負載的20%～25%，約1400～180OkW的工況下，設備出廠時的PCD默認設置約為1200kPa，此時燃氣輪機性能如前面分析，未能很好地達到原設計效果。考慮到機組實際負載較小，參與燃燒的壓縮空氣裕量較大，可以適當減少PCD值。我們因此添加了PCD限制邏輯器。PCD限制邏輯器的功能如下：

⑴在低負載下，PCD限制邏輯器通過降低進氣導葉的開度，把PCD由原來的1200kPa轉換成900kPa。減少了冷卻空氣的流量與壓力，使得天然氣燃燒后充分地膨脹做功，提高了機組的熱效率。

PCD參數優化之后，每度電消耗天然氣0.5758Sm3，故每度電消耗能量

32.878×0.5758=18.931MJ

機組的熱效率為

3.6/18.931=19.0%

比參數優化前提高4.1個百分點。

此外，經過如此修正，機組尾氣溫度提高約100°，能滿足4m3/h的MEG處理量，基本滿足了生產工藝的要求。同時PCD的減小，對軸承進行密封作用的密封氣壓力也同時減小，高溫氣體對軸承的影響減小，對軸承油膜的破壞也減小，延長軸承使用壽命。

⑵在負載發生突變或者在大功率負載下，PCD限制邏輯器將不起作用，機組將基于功率或三級透平溫度（T5）的控制要求調節進氣量、壓氣機出口壓力。這樣保證了此次參數優化是完全針對現階段低負載的工況，對機組的其他性能影響降到最低，保證機組安全有效運行。

4 ?安全與經濟效益

由于熱效率的提高，每度電消耗天然氣由0.7328Sm3節省至0.5758Sm3，按平臺現階段1400～180OkW的用電功率，取其中位數1600kW進行計算，每年可節省天然氣

1600×24×365×（0.7328-0.5758）=220萬方

廢熱回收系統在PCD修改之前每月耗氣量為60000Sm3，而在修改之后每月耗氣量為1300Sm3（在工藝上要求乙二醇（MEG）處理量大于4m3/h廢熱回收系統需要額外燃燒天然氣進行補充熱能）。每年可節省天然氣

（60000-1300）×12=70.44萬方

5 ?結語

通過此次參數優化，不僅降低了燃氣輪機軸承的回油溫度，改善其運行條件，增強了機組的運行穩定性，延長機組的使用壽命，而且有著很大的經濟效益。

參考文獻

[1] 秦旋.燃氣輪機紅外輻射測溫系統誤差分析及修正[D].哈爾濱工程大學，2013.

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