基于长期低负载运行的T70燃气轮机参数优化

董海亮 叶仕生 孟庆伟 刘向东 林勇涛

摘   要：中海石油某海上作业平台在设计阶段考虑到平台后期的生产能力，选用了功率较大（7250kW）的Solar公司的金牛座（TAURUS）T70燃气轮机，但在平台投产初期，平台产能未能得到充分释放，平台用电设备总功率只有1400～1800kW，仅为额定功率的20%～25%。本文主要介绍燃气轮机长期在低负载工况下，如何通过修改系统参数的控制逻辑，优化机组运行效果，节省系统能耗，延长机组使用寿命。

关键词：燃气轮机  修改系统参数  优化运行效果

中图分类号：TK473                                 文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）02（c）-0099-02

1  系统介绍

燃气轮机是海上作业平台最为关键的动力设备，为整个平台提供电力供应。中海石油某海上作业平台选用的是Solar公司的金牛座（TAURUS）T70燃气轮机，它不仅为平台机械设备提供电力供应，而且充分利用其燃烧废热给平台热媒系统提供热能，系统简图如图1所示。

燃气轮机以空气作为介质，工作时压气机从外界大气中吸入空气，并将其进行压缩，经过压缩的气体一部分进入燃烧室，与喷入的燃料相混合，点火燃烧，产生高温高压的燃气，具有高温高压的燃气进入涡轮膨胀做功;另有一部分作为密封气对轴承进行密封，防止滑油泄露;大部分压缩空气则起冷却的作用，防止机组部件过于高温，直接影响着机组排气（尾气）温度。废热回收系统则主要是利用燃气轮机尾气的热量对导热油进行加热，加热后的导热油主要被用于乙二醇回收再生系统。在乙二醇处理量过大，燃气轮机尾气的热量不足时，则需燃烧额外天然气。

2  设计与实际工作的差异

该平台的主电站由两台美国SOLAR公司生产的Taurus70型双燃料（柴油/天然气）燃气轮机发电机组组成。由于燃气轮机和发电机负载能力是随着环境温度的变化而变化的，而且较为明显，故每种型号的燃气轮机和发电机出力的大小必须与环境条件相对应。Taurus70型燃气轮机在ISO条件下的净输出功率为7250kW，36℃环境条件下净输出功率为5762kW，其配置的发电机的额定功率为6500kW，防止在某一特定温度下出現原动机超载或发电机超载现象的出现。

但由于近年来产能限制，平台用电功率大部分维持1400kW～1800kW，使得燃气轮机长期处于低负荷运行的状态，机组最佳工况与实际工况存在较大差异。

①机组的热效率较低。在低负载的情况下，每度电消耗天然气0.7328Sm3，该平台所产天然气的热值为32.878MJ/m3（20℃）。

故每度电消耗能量，32.878×0.7328=24.093MJ。

机组的热效率仅为3.6/24.093=14.9%

②基本不满足废热回收系统耗能要求。根据最初机组选型时的考虑，如果机组的功率负载约5000kW-5800kW，那么安照机组默认的设置，其尾气温度将在470℃～513℃左右，能满足废热回收系统5m3/h的乙二醇处理量，基本满足平台大部分条件下的乙二醇再生要求。但是海上平台目前低负载的情况下，机组尾气温度只维持在270℃～310℃，基本不满足废热回收系统耗能要求。

3  基于长期低负载运行的燃气轮机参数优化

根据细致的分析研究发现影响上述系统参数的关键因素是PCD（压气机出口的压力）经过压气机压缩后的压缩空气的主要作用有：

（1）进入燃烧室与燃料（天然气＼雾化柴油）混合后燃烧做功。

（2）作为冷却空气保护机组部件并控制尾气温度，但如果冷却量过大，热气（燃烧后的气体）未得到充分的膨胀做功即被冷却，影响机组的热效率。

（3）作为密封气对齿轮箱、轴承等部件进行密封，防止润滑油泄露。

因此PCD（压气机出口的压力）是影响尾气温度和润滑系统轴承回油温度的重要因素。

在满负载的20%～25%，约1400～180OkW的工况下，设备出厂时的PCD默认设置约为1200kPa，此时燃气轮机性能如前面分析，未能很好地达到原设计效果。考虑到机组实际负载较小，参与燃烧的压缩空气裕量较大，可以适当减少PCD值。我们因此添加了PCD限制逻辑器。PCD限制逻辑器的功能如下：

⑴在低负载下，PCD限制逻辑器通过降低进气导叶的开度，把PCD由原来的1200kPa转换成900kPa。减少了冷却空气的流量与压力，使得天然气燃烧后充分地膨胀做功，提高了机组的热效率。

PCD参数优化之后，每度电消耗天然气0.5758Sm3，故每度电消耗能量

32.878×0.5758=18.931MJ

机组的热效率为

3.6/18.931=19.0%

比参数优化前提高4.1个百分点。

此外，经过如此修正，机组尾气温度提高约100°，能满足4m3/h的MEG处理量，基本满足了生产工艺的要求。同时PCD的减小，对轴承进行密封作用的密封气压力也同时减小，高温气体对轴承的影响减小，对轴承油膜的破坏也减小，延长轴承使用寿命。

⑵在负载发生突变或者在大功率负载下，PCD限制逻辑器将不起作用，机组将基于功率或三级透平温度（T5）的控制要求调节进气量、压气机出口压力。这样保证了此次参数优化是完全针对现阶段低负载的工况，对机组的其他性能影响降到最低，保证机组安全有效运行。

4  安全与经济效益

由于热效率的提高，每度电消耗天然气由0.7328Sm3节省至0.5758Sm3，按平台现阶段1400～180OkW的用电功率，取其中位数1600kW进行计算，每年可节省天然气

1600×24×365×（0.7328-0.5758）=220万方

废热回收系统在PCD修改之前每月耗气量为60000Sm3，而在修改之后每月耗气量为1300Sm3（在工艺上要求乙二醇（MEG）处理量大于4m3/h废热回收系统需要额外燃烧天然气进行补充热能）。每年可节省天然气

（60000-1300）×12=70.44万方

5  结语

通过此次参数优化，不仅降低了燃气轮机轴承的回油温度，改善其运行条件，增强了机组的运行稳定性，延长机组的使用寿命，而且有着很大的经济效益。

参考文献

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[2] 王伟影.船用燃气轮机发电机组测控系统研究[D].哈尔滨工程大学，2010.

[3] 尹广增.金牛星T70燃气轮机两类故障综合处理[J].设备管理与维修，2009（3）：25-26.