海上石油平台燃气轮机发电机组带载能力影响因素分析.pdf

第 i I 期 ． 3 3一 海上石油平台燃气轮机发电机组带载能力 影响因素分析 白文柱 ，乔亚军 ，史健超 1 ． 中海石油 中国有限公司天津分公司， 天津 3 0 0 4 5 2 2 ． 中海油能源发展股份有限公司油建分公司，天津 3 0 0 4 5 2 [ 摘 要] 海上石油平台的燃气轮机机组的带载能力直接影响平台的生产状况。本文以旅大1 0 - 1 海上平台燃气轮机机组为 例，对影响机组带载能力的因素进行 了分析，重点阐述了空气温度、机组进排气压力、 机组T 5 温度限制对燃气轮机带载能 力的影响。在此基础上结合燃气轮机 实际工况状态，得 出了该机组最大带载能力区间。 [ 关键词]海上平台；燃气轮机；带载能力；影响因素；分析；应用 海 上石油平台 电站系统 由发 电机组 、控制系 统 、配 电中心及 负载组成 ，为一独立系统 。 目前 渤海湾 的海上平 台电站 系统普遍使用燃气轮机作 为供 电设 备，燃气轮机 的实际带载能 力受 多种 因 素影响，实际带载能力直接关系到海 上平 台的生 产状况 。对燃气轮机 发 电机 组带载 能力影响因素 的分析十分必要。 以中海石油 中国有 限公司天津 分公司旅 大 1 0 ． 1 海上 石油生产平 台索拉T I T AN1 3 0 燃气轮 机发 电机组为例 ，运行原理如下压 气机吸入机 组周 围的空气并将其等熵压缩 至大气压 的1 4 倍左 右 ，压缩后 的空气进入燃烧室与喷入的燃料进行 燃烧 ，燃烧产物进入燃气轮机膨胀做功 ，燃气轮 机发出功率的2 ／ 3 用于驱动压气机，而其余 1 ／ 3 的功 率用于机组发电【 l 】 。 燃气 轮机在运转 过程中，其带载 能力很大程 度上受压气机吸入空气的温度 、压力损失 ，机组 附属传动设备效率等 因素 的影响 ，同时 ，基于机 组 使用 寿命考 虑 ，海上 石油 平 台对 机组T5 温 度 燃气轮机第三级静 叶片处温度 进行 限制 ，此 温度限制也对机组的带载能力有一定影响。 1 空气温度对机组带载能力的影响 燃气轮机标定的带载能力通常是基于I S O标准 状态 ，具体 为环境温度 1 5 ℃，在标准 大气压力 下和6 0 ％的相对湿度【 1 】 。然而 ，海上平 台昼夜温 差在十几 ℃，季节温差达4 0 5 0 ℃，燃 气轮机机 组不可能总在设计工况下运行 。 1 ． 1 空气密度对燃气轮机带载能力的影响 随着 大气温度升高 ，空气密度减小，吸入压 气机空气 的质量流量减 少，这使机组单位时间内 可 以做功 的工质减少，因此燃机 的总带载能力 降 低 。 以下分析计算未考 虑空气湿度 的影响 ，计算 结果有一定误差 。 空气密度计算公式为P P M／R T 1 式中P ． 标准大气压 ，1 0 1 3 2 5 P a ；M． 空气的 摩尔质量，2 9 g ／ mo l ；R一 气体常数，8 ． 3 1 4 J ／ mo l K 1 T - 热力学温度 。 I S O标准 状 态 下 ，即机 组 进气 温 度 为 1 5 ℃ 2 8 8 K1 时，空气密度计算为 1 ． 2 2 7 k g ／ m ，根据海 上平 台夏 季环 境温度 情 况 ，当进气温 度为3 5 ℃ 3 0 8 K 时，空气密度为1 ． 1 4 7 k g ／ m3 。 这说 明，燃气轮机在夏季运转 ，进气温度为 3 5 ℃时，相对于I S O 标准状态 ，单位时间内燃气轮 机机组少吸入 了约6 ． 9 4 ％的工质 ，投入相应 的燃料 后，燃机 的总带载能力将降低6 ． 9 4 ％。 1 ．2空气温度对燃气轮机做功分配的影响 压气机 的耗功量是随吸入空气的热力学温度 成 正比变化 的，即空气温 度升高时，压气机耗功 量增加 ，燃气轮机 的净出力减小[ 4 】 。以有用功系数 Y表示燃机做功能力 ，计算公式为 - - 1 一WJ W, l m／ t 2 作者简介自文柱 1 9 7 8 一，男， 辽宁人，大学本科， 工程师。 中海石油 中国有限公司天津分公司装备经理。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第1 1 期 白文柱等 海上石油平台燃气轮机发电机组带载能力影响因素分析 一 3 一 故机组在正常工作 时，由于机组空气进排气 系统 中存在的压力损失将 引起机组5 ． 8 6 ％～ 7 ． 1 4 ％的 带载能力损失。 3附属设备效率对机组带载能力的影响 燃 气 轮机 机 组 的齿轮 箱 和 发 电机都 具 有一 定 的效率 损失 ，索拉T I T AN1 3 0 机 组齿轮箱效率 为9 8 ． 7 ％，发 电机效 率为9 7 ． 5 ％，同时机组 由齿 轮箱传动 的主滑油泵也消耗一部分原动机输 出的 功率 。如果齿轮箱及发 电机的效率下降或主滑 油 泵 的工况不 良，将会进一步影响机 组的带载 能力 【 1 。 2 1 4正常工作磨损对机组带载能力的影响 随着 运转 时间 的增 加 ，燃 气轮 机机 组 性 能 将随之 降低 。污垢对性能 的影响主要反应在燃气 轮机和压气机 的通道上 。燃料 中含有 的杂质在燃 烧后形成灰垢 ，堆积在燃气轮机的热流通道部件 上 ，空气 中存在 的灰尘经过进气滤 网过滤后仍有 少量进入压气机 ，一部分堆积在压气机流道叶片 上 。污垢堆积后使叶片形状发生变化 ，气流流动 损 失增大 ，从而使压气机耗功增加 ；与此 同时， 由于燃气 中灰分 的冲刷 、高温腐蚀引起 的动、静 叶片 叶型变化 ，气缸老化变形和高温烧蚀引起的 叶片顶部和底部 的间隙变大等 ，也引起燃气轮机 效率下 降，从而表现在机组带载能力降低 1 1 1 4 - 1 5 】 。 根据现场燃气轮机使用情况及机组厂商索拉 公司的总结 ，一般情 况下，一 台寿命为3 0 0 0 0 h 的 机组 ，当机组运转3 0 0 0 0 h 时 ，机 组P CD压力 降低 4 ％，T 5 平均值增加6 ％，带载能力降低5 ％。 5环境因素及附属设备对燃气轮机带载能力的综 合影响 ． 综合考虑燃气轮机机组进气温度 、进排气压 力损 失、机 组附属设备 、发 电机效率损失及机组 磨损情况对其带载能力的影响，可得公式如下 定 [ 1 - △ 温 度 △ 。 △ 。 △ 磨 损 属 发 机 ] 6 根据索拉T I T AN1 3 0 机组性能 曲线 ，综合考虑 上述影响机组带载 能力的因素 ，绘制 出图3 所示 的 旅大 1 0 ． 1 平 台燃气轮机机组 运转时间为8 0 0 0 h 的实际带载能力分布 图。图中较佳工况指燃气轮 机机 组进 气滤器清洁 、排气背压较小 、机组齿轮 箱的效率及主滑 油泵工 况 良好 、机组进行彻底洗 车保养 后的设备工况 ；较 差工况是指机组进气滤 器压差达到报警值 、排气 背压达 到报警值 、机组 运转一段时间而未进行洗车保养所的设备工况。 图3 燃气轮机实际带载能力曲线图 6 T 5 温度 限制对机组带载能力的影响 透平涡轮叶片 的强度和疲劳寿命直接关系到 燃气轮机 在服役 期间的稳定性和可靠性，而涡轮 叶片的温 度对叶片寿命 的影响最直接 。为此综合 考虑T I T AN1 3 0 机组额定工况和旅大 1 0 1 油 田的实 际情况，设定燃机机组达到最大带载能力时 ，T 5 温度不高于7 4 0 ℃。 如 图4 所示 ，随着燃气轮 机机组 的运 转 ，诸 多 因素将导致机组不可恢复性能下降和可恢复 的 机组性 能下 降的情况发生[ 2 1 。不可恢复性能下 降 主要是 由机组物理磨损及 内部机件损伤等原因引 起 的，仅能 由机组大修进行恢复 ；可恢复性 能下 降主要为通过进气 系统 、燃料系统及清洗 系统进 入机组 的污染物引起 ，而 由污染物引起的机组性 能下 降基本上可采取标准 的洗车措施进行性能恢 复 。 从 图4 可明显看出，机组实际温度T 5 由机组物 理磨损和部件损伤引起 的T 5 温度升高及污染物 引 起的T 5 温度升高两部分组成，即 禚蝣 群 出雌 rl 辩站 }； ￡ t 蹦8 图4 燃气轮机性能变化示意图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 一 3 6 一 ■ 技术交流 石 油 和 化工 设备 2 0 1 2 年 第 1 5 卷 根据现场燃气轮机使用情况及机组厂商索拉 公司的总结 ，一般情况下 ，一台寿命为3 0 0 0 0 h 的 机组，当机组运转3 0 0 0 0 h 时，机组P C D压力降低 4 ％，T 5 平均值增 J 1 6 ％，其带载能力降低5 ％。故 T 5 温度变化情况可如下表示 k 1 1 △T5 实 际 0 0 6 丽 丽 5 N o m 8 T5 ．f 可 恢 复 5 。 。 ， 1 △ T 5 9 No mi n a l 是指机组在出厂时，清洁的燃气透平 所预期的平均性能参数 】 。考虑到计算的方便 ，将 燃气轮机机组全寿命期间T 5 温度变化按线性变化 计算。 对于污染物对机组T 5 温度的影 响，通过对旅 大1 0 1 C E P 平台透平机组多次洗车前后情况的统计 分析，海上石油平 台按照标准程序对机组进行洗 车前后 ，机组T 5 降低约3 0 ℃左右。故实际T 5 温度 可表述如下 T5 实际 T5 ．v o i ， 1 A T 5 o - 3 0 1 0 旅 大 1 0． 1 平 台 燃 气 轮 机运 转 时 间 为 8 0 00 h ，经 用 上 述 公 式 计 算 ， T5 。 i l 为 6 9 8 ． 8 ． 7 2 8 ． 3 ℃。据此，考虑T 5 温度的限制 ，旅大 1 0 1 平台燃气轮机机组最大带载能力分布区间如图 5 所示 。 根据 燃 气轮 机机 组 最大 带载 能力 区域 分布 图，结合旅大1 0 ． 1 平 台实际情况，选取8 个环境温 度点，进行 的机组最大带载能力计算结果如表 1 所 示 。 图5 T 5 温度限制下机组带载能力分布区域图 7结论 旅大1 0 ． 1 平台燃气轮机配置的发 电机额定功率 为1 1 5 0 0 k W，综合考虑发 电机功率及透平T 5 温度 限制 、环境因素影 响及 附属设备功效对燃气轮机 机组带载能力影响，根据机组工况状态 ，进行相 应带载能力区间绘制，如图6 所示。 表l 燃气轮机机组最大带载能力对照表 A mb i e n t t e m L 0ad Ca paci tY cu rve bet te r L o a d c a p a c i t y c u r v e p o o r w o r ki n g C ani s te r n um be r p e r a t u r e c w o r k i n g c o n d i t i o n s ／ k W c o n d i t i o n s ／ k W 1 0 1 1 5 0 0 1 1 5 0 0 2 5 1 1 5 0 0 1 1 5 0 0 3 1 O 1 1 5 0 0 1 1 5 0 0 4 1 5 l 1 5 00 l1 5 0 0 5 2 0 1 1 5 0 0 1 1 2 0 0 6 2 5 l 1 5 0 0 1 0 8 0 0 7 30 1 1 05 3 1 0 20 0 8 3 5 1 0 4 2 9 9 6 0 0 燃气轮机在 实际运转中，压气机B L E E D放气 阀应为完全关闭状态 ，压气机可导叶片I G V执行器 角度应为8 1 ． 1 ％，如果B L E E D阀存在 内漏现象，或 者 由于导叶片长期工作而使I G V角度未能达到指令 开度的1 0 0 ％，也会在一定程度上影 响机组的带载 下转4 3 页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 1 期 李家明等无线仪表在海上石油平台采油树上首次应用 ． ． 4 3．． 工作须在海上完成。根据现场调研 ，该平 台中控 系统控制 柜 空间有 限，控制系 统备用I ／ O及底板 卡槽 不足 ，后期增 设电缆通道不够 ，敷设 电缆 困 难 ，施工难度大 ，成本增加较 多。为此 ，对该项 目选用无线仪表方案，即采用 1 台1 4 2 0 无线 网关、 1 4 台3 0 5 l s 无线压力变送器和7 台6 4 8 无线温度变送 器满足改造需求 。 该方案的优 点是无需增 M I ／ O卡件 ，无需铺设 仪表 电缆 ，仪表安装及调试时间短 ，大大降低 了 成本和布线工作量，减少海上施工工时9 0 ％，在满 足需求 的同时取得 了明显 的经济效益 。该项 目自 2 0 1 0 年4 月投运以来 ，无线仪表运行正常 ，数据传 输 可靠 ，维护成本极低 ，增 强了现场维修人 员使 用无线 仪表 的信心，探 索出了无线仪表在海上平 台应用 的一条新路 。 鉴 于在 该 项 目中 ，采 油 树测 量 仪表 首 次 由 常规有线仪表改为无线 仪表获得成功应用 见 图 2 。在 随后新建 的南海北部湾某海上石油平台和 在建的南海某海 上石 油平台项 目中也采用 了无线 仪表技术方案 ，无线仪表的应用得 到了进 一步推 广 。 图2 无线仪表用于采油树测量 6结束语 在海洋 平台上施工 的特殊性 ，给工业无线技 术提供 了广 阔的发展空间 。特 别是在新建海洋平 台采 油树上应用无线仪表 ，可在较短 时间内快速 完成仪表安装及调试工作，节省9 0 ％的施工时间， 达 到节省材料和人工费用 的 目的，为实现项 目工 期及油田投产赢得宝贵时间。 上接3 6 页 能力，同时机组 的废热 回收装置系统 中热介质盘 管及消音器 因长期使用 ，产生 的脏 、堵情况也将 影 响机组排气背压 ，从而对机组带载能力产生不 利影响。 ◆参 考文献 【 1 】S O L AR ． T i t a n 1 3 0 Ga s T u r b i n e - D r i v e n Ge n e r a t o r S e t S y s t e m s Op e r a t o r ’ S Gu i d e ， Vo l u me 1 ,2 0 0 4 ． [ 2 ]S O L AR ． T i t a n T M l 3 0 Ga s T u r b i n e Dr i v e n Ge n e r a t o r S e t S y s t e ms Op e r a t o r ’ S Gu i d e ， Vo l um e2 ， 2 0 04 ． [ 3 ] 焦润平． 燃气轮机机组应用进气冷却技术方案评估[ D] ． 华 北电力大学硕士学位论文，2 0 0 7 ． [ 4 】 胡东． 降低燃机进气温度对燃气轮机出力的影响[ ．『 】 ． 科技创 新导报，2 0 0 9 ， 2 5 ． [ 5 】 S OL AR T i t a n T M 1 3 0 G a s T u r b i n e Dr i v e n Ge n e r a t o r S e t S y s t e ms T r a i n i n gMa n u a l ， 2 0 1 0 ． [ 6 】 张旋洲，雷保明． 从运行实际出发分析燃气轮机性能的影 响因素[ ．I ] ．燃气轮机技术，2 0 0 1 ，1 4 2 ． 【 7 】 郑叔琛． 浅述燃气轮机的进气冷却技术[ J ] ． 南京工程学院学 报 ，2 0 0 2 ， 2 1 1 ． 8 ． [ 8 ] 李辉，付林，朱颖心． 燃气轮机入口空气冷却系统的技术 经济性能[ J ] ． 热能动力工程，2 0 0 6 ，2 1 3 ． [ 9 】 A L H A Z MYMM， N A J J A RYS H． A u g me n t a t i o no f g a s t u r b in e p e r f o r manc e u s ing a ir c o o l e r s [ J 】 ． A p p l i e d T h e r m a l E n g i n e e r in g ， 2 0 04 ， 2 4 4 1 5 - 4 2 9 ． f 1 0 1 ME R C E R M． On e ． s t o p s h o p f o r i n l e t c o o l i n g s y s t e ms ． Di e s e l a n dGa s T u r b ineWo r l d wi d e 。 2 0 0 2 ．6 1 0 1 3 ． 【 1 1 ] 李政 ，王德慧 ，倪维斗． 考虑冷却空气 影响的大 型燃气 轮机性能计算模型【 J ] ． 动力工程，2 0 0 6 ，2 6 2 ． 【 1 2 ] 王树国． 燃气一蒸汽联合循环电站机组运行优化研究[ D 】 ． 华北电力大学硕士学位论文，2 0 0 5 ． [ 1 3 ] 杨洋，付忠广，王树国，靳涛，卞双． 进气冷却技术在 燃气轮机及联合循环中的应用[ J ] ． 动力工程，2 0 0 5 ，2 5 增刊 ． 【 1 4 】 彭立强． 大型燃气轮机涡轮叶片疲劳寿命研究[ D] ． 大连 理工大学 ，2 0 0 8 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m