長輸管道燃氣輪機現場運行性能計算及評估

王 瑋 吳江橋 趙忠剛 王福賓 王馨研

1中國石油天然氣管道局

2中國石油天然氣管道科學研究院

3中油管道物資裝備總公司

長輸管道燃氣輪機現場運行性能計算及評估

王 瑋1吳江橋2趙忠剛2王福賓1王馨研3

1中國石油天然氣管道局

2中國石油天然氣管道科學研究院

3中油管道物資裝備總公司

燃氣輪機在天然氣長輸管道上得到越來越多的應用，但燃氣輪機也是輸氣管道耗能的大設備，壓氣站95%以上的電能、天然氣由燃氣輪機消耗。在現場實際運行的過程中，識別出影響燃氣輪機性能的參數，建立一套簡單、科學、有效的性能監測方法，對于燃氣輪機性能評估具有重要意義。以索拉公司大力神130燃氣輪機驅動曼透平公司的RV050/04離心壓縮機為例，進行現場功率計算及評估。結果表明，機組運行工況偏離額定工況較多，尤其是反映壓氣機狀況的排氣壓力pCD偏離較大，另外功率也有較大偏離。因此在確定儀表測量值真實有效的前提下，首先對機組進行水洗清潔，其次要校正壓氣機可調導葉的角度，對燃料氣進行化驗，排除過量的重烴組分。通過對燃氣輪機性能進行評估，可以隨時掌握機組的運行狀態。

燃氣輪機；性能；監測；功率；評估；修正

燃氣輪機是一種先進的成套動力機械裝備，在發電、油氣開采、交通、冶金、化工、艦船動力等領域得到廣泛應用[1]。近年來，隨著天然氣長輸管道的蓬勃發展，燃氣輪機驅動離心式壓縮機（以下簡稱壓縮機組）在天然氣長輸管道上已經得到越來越多的應用。管輸企業的天然氣和電力能源主要消耗在燃氣輪機運行上，約占總消耗量的95%以上[2-3]。因此，如果能夠在現場科學地監測、評估燃氣輪機的性能，就可為后續的視情維護、大修等提供參考，對于節能減排意義重大。

1 性能監測、評估的意義

據統計，在一臺燃氣輪機整個生命周期的總費用中，購買新機組約占7%～10%，維護費用約占15%～20%，而運行費用則占到了70%～80%。因此，性能評估是燃氣輪機日常運行中最重要的工作之一。通過對性能的監測、評估，可對燃氣輪機運行起到以下作用：①保持機組較高的可用率；②延緩機組老化，使運行區域盡可能地接近額定值；③預判故障，避免機組運行在可能導致嚴重故障的區域；④延長保養和大修的周期；⑤降低其生命周期的總成本。

2 影響現場運行性能的參數

在實際運行現場，影響燃氣輪機性能的參數有很多，但是基本上可以分為以下3類。

2.1 主要參數

影響燃氣輪機性能的主要參數包括燃燒空氣進口溫度、燃燒空氣進口壓力損失、大氣壓力（海拔）、煙囪排氣壓力損失、動力透平速度、齒輪箱損失。

在天然氣管輸行業，一般不采用齒輪箱調速，因此齒輪箱損失不再考慮。動力透平高于或低于最優轉速都會造成功率的下降，轉速與功率呈拋物線關系；因此在現場進行性能測試時，最好能保證動力透平轉速處于最優值，如果無法滿足，則需要對轉速進行修正。

2.2 次要參數

除主要因素外，還有一些其他的參數也會對機組性能造成一定的影響，如相對濕度、燃料類型、燃料熱值、進口注水量等，但這些參數的影響微乎其微，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，燃氣輪機的燃料就地取材，采用天然氣，正常情況下輸送天然氣的組分不會突變，因此其低熱值也很穩定，對功率的影響可以忽略。

2.3 機組退化

通常，當燃氣輪機運行80 h之后機組就開始退化，功率就開始下降[4]。退化分兩種情況，一種是可恢復的退化，如因壓氣機污染導致的效率下降，可以通過水洗恢復；另一種是不可恢復的退化，即老化，這主要是由于磨損、熱疲勞等機械原因導致的，正常的老化都遵循一定的規律，是點火時間的函數，不會突變[5]。如GE公司給出的老化系數是總點火小時數的對數函數，即

實際使用中，公式較復雜，可采用經驗數值。在機組運行10 000 h以內，每多運行1 h，輸出功率下降0.000 34%；10 000 h以后，每多運行1 h，輸出功率下降0.000 03%。

3 現場運行性能測試工況及參數

3.1 運行工況

在測試過程中應力求保持各種運行參數的穩定，并接近規定的數值，因此在測試開始前應盡可能讓機組多運行一段時間，在正式測試開始前應至少運行45 min。在測試期間參數平均值的偏差不超過表1所列數據時，認為機組運行工況處于穩定狀態。

表1 測試期間參數最大允許偏差

3.2 測量參數

以提高運行效率為目的的性能測試首先關注反映機組整體狀態的參數，即功率；然后再關注壓氣機排氣壓力（pCD）和動力透平入口初始溫度（T5），這兩個參數可分別反映壓氣機及燃燒室這兩個重要部件的狀況。

性能測試穩定運行30 min，在此期間讀取3～4次數據。測試所用的儀表主要是燃氣輪機在運行中使用的監測儀表，部分機組控制系統未監測的參數則需額外增加測量儀表。需測量的數據及相關要求見表2。

表2 性能測試所需測量的參數

4 現場運行性能計算及評估

以一臺索拉公司大力神130燃氣輪機驅動曼透平公司RV050/04離心壓縮機為例，進行現場功率計算及評估。該壓縮機組應用于青海某壓氣站，以天然氣為燃料。

4.1 燃氣輪機現場運行功率的計算

對于壓縮機組來說，獲得輸出功率有3種方法，第一種是在聯軸器上安裝力矩測量裝置直接測量，這種方法精度最高、不確定性最小，也是實驗室采用的方法。然而在現場實際運行中，很難采用這種方法，多數情況下只能采取其余兩種精度差、不確定性高的計算方法。

（1）用壓縮機吸收的功率來反推燃氣輪機輸出功率，見式（2）、式（3）。

式中Pg為壓縮機施加給工藝氣的功率；ηm為壓縮機的機械效率，由壓縮機廠家給定，取值0.86；ρs為壓縮機進口氣體密度，取值0.689 1 kg/m3；Qs為壓縮機進口氣體體積流量，取值473 115 m3/h（標況）；H為壓縮機壓頭，取值80 072 J/kg。

經式（2）計算，可得P=8 432 kW。

（2）用熱平衡法來計算。該方法需要測量的參數更多，因此也更復雜，一般可作為上一種方法的驗證補充，本文不再贅述。

4.2 功率的修正

燃氣輪機的額定性能是在指定的燃料、ISO標準狀態、機組帶滿負荷、動力透平進氣初始溫度控制以及無進排氣損失運行時的性能指標。為了排除環境因素、進氣和排氣壓力損失、機組老化等因素的影響，必須把實測數值修正到ISO標準狀態下，以便對機組性能進行比較，作為鑒定性能的依據。

計算出的功率P可按照式（4）進行修正。

式中Pcorr為修正后的功率；CTa為對大氣溫度（即進口溫度）的修正系數；CPa為對大氣壓力的修正系數，主要是海拔影響；Cd為機組隨時間老化的修正系數；CpI為進口壓力損失的修正系數；CpE為燃氣透平出口（煙囪排氣）壓力損失的修正系數。

以上系數均可以從設備廠家提供的相應修正曲線上獲得。

4.3 性能評價

（1）功率。對現場機組功率進行修正以后，將修正值與同樣轉速下的出廠性能數值（也即新機組的性能數值）進行比較，修正值如果低于額定值5%以上，則說明機組狀況較差。本例中，實際功率為8 432 kW，經式（4）修正后，功率達到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pCD進行評價，首先從廠家提供的出廠性能曲線上讀取同樣轉速和進口溫度下的pCD值，記為pCDcorr，按照式（5）進行修正，得到修正后的pCDcorr。

式中δ為海拔修正系數，δ=現場大氣壓力（kPa）/101.35；Δpin為進口壓力損失（in H2O）。

pCDcorr與現場實測pCD進行比較，如果實測值比修正值低2.5%以上，則說明壓氣機狀況較差。

（3）動力透平初始溫度T5。T5評價相對簡單些，首先從廠家提供的出廠性能曲線上讀取同樣轉速和進口溫度下的T5值，記為T5orig，然后與現場實測T5進行比較，如果實測值比初始值高15℉以上，則說明機組狀況較差。

根據以上3個評價指標，對本例中的壓縮機組進行性能評估，結果見表3。從表3可知，機組運行工況偏離額定工況較多，尤其是反映壓氣機狀況的pCD偏離較大，另外功率也有較大偏離。因此在確定儀表測量值真實有效的前提下，首先對機組進行水洗清潔，其次要校正壓氣機可調導葉的角度，對燃料氣進行化驗，排除過量的重烴組分。經過這3步后，pCD和T5的偏離如果還在正常范圍外，則要對機組機械部分進行更詳細的診斷；如果pCD和 T5回歸到正常范圍內，而功率仍然偏離較大，則說明壓縮機效率低下，需要進行檢查。

表3 某壓縮機組性能實評情況

5 結論

通過對現場實際運行中機組進行性能評估，并與機組出廠時同等條件下的相關參數進行比較，就可得知機組的運行狀態。雖然現場所采用的計算方法有較大的誤差，但是可以通過與采用同一標準、方法所得的計算值進行趨勢分析，用于指導預防性維護，甚至可預知機組故障的發生。此外，燃氣輪機性能測算和評估，對于壓氣站的經濟運行也至關重要。

[1]趙國輝，王輝，孫明周，等．燃氣輪機與壓縮機組操作維護手冊[M]．北京：石油工業出版社，2009：20-22.

[2]陳瑞成，王輝．索拉壓縮機組常見故障處理[J]．燃氣輪機技術，2014（3）：66-68.

[3]宋明智，程鳳亭．陜京天然氣管網系統的節能措施[J]．油氣儲運，2012（11）：841-844.

[4]林舒公，楊道剛．現代大功率發電用燃氣輪機[M]．北京：機械工業出版社，2007：6.

[5]周會芳．燃氣輪機運行中的性能監測[J]．燃氣輪機技術，2004（1）：61-64.

（欄目主持 關梅君）

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