微型燃氣輪機技術進展及其在海洋石油工程的應用展望

趙 雷

（中國海洋石油總公司，北京 100010）

微型燃氣輪機技術進展及其在海洋石油工程的應用展望

趙 雷

（中國海洋石油總公司，北京 100010）

微型燃氣輪機是一種新的發動機，功率覆蓋在 30kW～300kW 或更小，隨著全球范圍內能源與動力需求結構以及節能環保要求提高的變化，微型燃氣輪機越來越引起人們的關注。本文介紹了國際上先進的微型燃氣輪機的技術進展，同時結合海洋石油工程，討論了海上石油工程中無人駐守平臺應用微型燃氣輪機的可行性、必要性及其廣闊的應用前景。

微型燃氣輪機；海洋石油工程；無人駐守平臺

0 引言

燃氣輪機是一種先進且復雜的成套動力機械裝備，它以連續流動的氣體作為工質、把熱能轉換為機械功，具有質量輕、高效率、結構緊湊及靈活機動等優點，自19世紀40年代問世以來，顯示出了極強生命力，經幾十年發展技術逐步趨于完善，并得到廣泛應用。它一方面向大功率發展：如其單機功率由最初的幾千千瓦發展到了百萬千瓦；另一方面也在向其他方面發展：如設備小型化、燃料的多元化、熱電聯產高效化、網絡智能化、節能環保等。其中微型燃氣輪機就屬于一類新型的發動機，功率覆蓋在 30kW～300kW或更小，其最具代表性的應用是熱電聯產機組，具有很高經濟性和能滿足較高的節能環保要求。在1998年底美國能源部門舉行了以微型燃氣輪機為主題的技術峰會，著重討論了其技術發展趨勢及市場開發推廣等內容，預測其市場前景廣闊，且競爭將會激烈，能影響未來電力市場供應結構，其廉價高效環保的特點將使其越來越受到更多國家的關注[1]。

1 微型燃氣輪機發電機組簡介

微型燃氣輪機基本與大型燃氣輪機相似，主要也由透平、壓氣機、燃燒室、控制系統及配套發電機等構成。工作原理是高壓空氣經壓氣機壓縮，在回熱器經與透平尾氣的換熱，然后進入燃燒室與燃料混合、燃燒。多數微燃機直接驅動內置式的高速發電機，壓氣機、透平與發電機同軸，轉子設置為空氣軸承上的浮動運行，轉速能到達5至12萬r/min，發出的高頻交流電先轉換成高壓直流電，再變換為 50(60)Hz、400(480)V交流電，其運行原理請參見圖1。

圖1 微型燃氣輪機運行原理

微型燃氣輪機多以天然氣、甲烷、柴油等作為燃料，進氣壓力約在350Kpa (50psig)～380Kpa(55psig)之間，最高一般不超過690Kpa(100psig)，最高進氣溫度一般為50℃左右。它一般為電池啟動。燃料氣系統采用數控比例調節閥進行調節，主要組成部分有：電磁切斷閥、比例調節閥和保護過濾器。燃料氣流量大小由比例調節閥閥位調節，保護過濾器能起到防止雜質對系統部件的破壞作用，結合海洋石油環境惡劣的提點，建議在海上平臺使用時在微型燃氣輪機外另外安裝一個主過濾器。

微型燃氣輪機的運動部件相對較少，結構緊湊、簡易，所以可靠性好、制造成本與維護費用相對較低。國際上通用的制造指標一般為：

1）運動部分原件壽命要大于等于4萬小時；

2）熱耗為12000 Btu/kWh～16000Btu/kWh(12660kJ/kwh ～6880kJ/kwh)；

3）污染物NOX等的排放小于9ppm；

4）安裝與維護要簡單、費用要低廉。

5）與傳統柴油發電機組相比，微型燃氣輪機有很多先進的技術優點：

6）運動部件少，結構緊湊、簡易；質量輕，一般為傳統同功率機組的1/4；

7）可使用多種燃料，如沼氣等，特別是使用天然氣時燃料消耗率、排放率非常低；

8）振動小，噪音低，長壽命，運行費用低；

9）設計相對簡單，備品備件少，成本低；

10）轉速調節方便，故在非經濟負荷運轉時效率也非常高；

11）可實現遠程遙控、診斷；可實現多臺并聯增容。

2 微型燃氣輪機開發與應用情況

據相關資料統計，全球的微型燃氣輪機廠家約50多家，主要分布在北美和歐洲地區。國家以美國、英國、瑞典為主，知名企業有 Capstone公司、Bowman公司和Ingersoll-Rand公司等，在表1中列舉了有代表性公司微型燃氣輪機的主要技術參數。

表1 有代表性微型燃氣輪機主要技術參數

2.1 美國Capstone公司

美國加州的Capstone公司90年代初進行微型燃氣輪機發電機元件研發，1994年研制出了24kW樣機，約兩年后生產了幾十臺進行現場試驗。樣機為單軸、空氣軸承，轉速約 96000r/min。整個機組用圓柱形排氣殼包覆，距離10m外噪音能達到60分貝以下。在以天然氣為主燃料時，氧化氮排放能低至9ppm，一氧化碳為25ppm，外形請見圖2。幾年后進行了30kW樣機現場試驗，內部結構請參見圖 3。此后又逐步推出了60kW 發電機組及 45kW 車用機組等，目前已發展到125kW～250kW 規格機組。據記載，歐洲北海某油田的無人平臺上C30為主電站運行良好，一般在8000左右更換空氣/天然氣濾器。

圖2 Captsone微型燃氣輪機24kW機組外形圖(圖片出自：www.capstoneturbine.com)

圖3 Captsone公司C30微型燃氣輪機內部結構示意圖(圖片出自：www.capstoneturbine.com)

2.2 英國Bowman公司

1994年成立的英國Bowman公司位于南安普頓，專門從事微型燃氣輪機發電機研發，設計和制造了高速發電機與調節控制系統。幾年以后逐步投放了45、60、80(內部結構參見圖4)和200kW機組，下一步將研發500kW機組。

圖4 寶曼微型燃氣輪機Bowman TG80結構圖（圖片出自：www.bowmanpower.com）

Bowman公司微燃機采用了無人職守智能化自動控制技術，可實現自動跟蹤調節頻率，安全運行可靠性高。其中，如選用配置回熱器，可實現發電效率為25%～28%，排煙溫度能達到300℃以下，熱電綜合效率能到到75%。不使用回熱器時發電效率約14%%～16%，排煙溫度為600℃左右。寶曼公司將回熱器增加自動調節功能，以控制空氣回熱交換量適應熱量需求的變化的特殊設計，改進了尾氣利用，提高了效率，其開發的機組已實現單獨運行，多臺并聯聯合運行[2]。

3 微型燃氣輪機在海洋平臺上應用可行性

我國海域遼闊，沿海大陸架的石油資源中邊際油田占了相當部分比重。由于無人駐守平臺具有結構簡單、建造安裝周期短、造價低、操作維修工作量少等特點，降低了初期投資及操作費，被證明是一種經濟、高效開發邊際油氣田的主要模式之一[3]。

在近期幾個油氣田上應用的無人駐守平臺，由于需要解決電負荷和加熱負荷等問題，在進行方案研究時大多選用海底復合電纜給無人駐守平臺輸送電能，并且在無人平臺上應用電加熱器來防止水化物生成，這樣的方案大大增加了油田開發成本。而根據實際電、熱負荷選取微型燃氣輪機為主電站的無人平臺電站方案為高效、低成本開發邊際油氣田給出了有益探討。

下面以某中海油海上油田開發應用 Bowman TG80機型為例論述方案可行性。

某無人平臺離綜合平臺7km，電能從綜合平臺向該無人平臺供電，其中無人平臺最大工況的電負荷為460kW。該平臺為單層甲板，甲板上放置三臺電加熱器(防止水化物生成，負荷分別為80、80、160kW)、多路閥、電驅動吊機等設備，平臺不設消防泵和應急機。

若在該平臺上應用Bowman TG80(透平生產水為80℃，其輸出熱量隨回熱器關閉程度不同在 155kW～425kW變動)方案可更改如下：

將電加熱器更換為換熱器，電驅動吊機改為柴油驅動吊機，此方案的電負荷大約為124kW(其中包括電伴熱負荷80kW和照明24kW)，那么可在平臺上設置3臺Bowman TG80透平(2用1備)，取消海底復合電纜。

3臺Bowman TG80微型燃氣輪機采辦、安裝、調試服務費用為40萬～50萬美元，而海底復合電纜的費用在200萬美元左右，不考慮電加熱器改為換熱器(一般電加熱器采用進口，而管殼式換熱器國產)、海底電纜導致兩個平臺增加的變壓器等輸配電設備、保險費等相關費用，工程費將降低至少 150萬美元。從連續安全操作上，對于高壓多相流加熱，管殼式換熱器要比電加熱器安全得多。并且機組可實現穩定的遠程遙控，維護、保養工作量小，能減少登平臺次數等。

綜上，此油田開發的電站方案比選中，微型燃氣輪機方案與常規通過有人平臺通過海底復合電纜給無人平臺供電的方案相比，無論是從濟性還是操作維護工作量等多方面比較，都有很好的優勢。

4 結論

經過近些年的技術發展、現場實際驗證考驗等，微型燃氣輪機中的回熱器技術方面有了新的突破，回熱度能達到 90%以上。另外，常規板翅式回熱器上出現的疲勞問題也已基本克服，初始投資成本和全生命周期成本等都越來越具有競爭力。

簡易無人平臺機械設備包括電站選型中，應盡量選用安全性、穩定性、可靠性高的產品，以降低維護、保養工作量，減少登平臺次數；應用中要嚴格遵守《海上固定平臺安全規則》通用機械設備等章節相關規定。要使微型燃氣輪機在海上無人平臺上得到成功應用，它必須在發電質量、可靠性、可用度、環境可接受性、經濟性等方面完全滿足平臺的要求[4]。

總之，隨微型燃氣輪機逐步在海上，尤其更多在陸地各類工程上有了大量工程應用業績，已具備在海洋石油工程尤其是無人駐守平臺上應用推廣的可行性，具有較廣闊的應用前景。

[1] 張文普, 豐鎮平. 燃氣輪機技術的發展與應用[J].燃氣輪機技術, 2002, 15(3): 65-69.

[3] 中華人民共和國經濟貿易委員會, 海上固定平臺安全規則, 2000年9月.

[4] Microturbine Conference, Calgary, Alberta,Jan. 21-23, 2003.

江南造船3萬立方米LNG船命名

近日，江南造船（集團）有限責任公司建造的國內首艘3萬立方米液化天然氣（LNG）船正式命名。該船總長184.7米，型寬28.1米，總噸位為25041噸，設計服務航速為16.5節，航行于無限航區，采用DFDE（雙燃料電力推進系統）推進方式，并配有艏側推，配備兩臺360°全回轉推進器和三臺雙燃料發電機，擁有四個C型雙葉獨立液貨艙，貨物圍護系統設計溫度為-164℃，主要用于國內LNG二程轉運和調峰，兼顧國際間LNG短程運輸。該船為環境友好型新型船舶，雙燃料設計能夠有效減少環境污染，降低燃料損耗。該船型完全滿足中國船級社（CCS）Green ShipⅠ船級標準，投入使用后將為我國大力推廣LNG清潔能源在交通運輸領域的廣泛應用起到良好的示范作用。

（余俊偉）

Technical Progress of Microturbine Generator and Application Prospect on Offshore Oil Engineering

ZHAO Lei
(China National Offshore Oil Corporation, Beijing 100010, China)

The microturbine is a new type of engine, power ranging from 30kW to 300kW or less. In recent years, along with the changes in energy and power demand structure and environmental protection requirements in the global scope, the microturbine is highly concerned by people. This paper introduces the progress of advanced microturbine technology international, combining with offshore oil engineering,the feasibility and necessity of utilization of microturbine in offshore oil engineering unmanned platform is discussed. The paper also discusses the board prospects of application.

microturbine generator; offshore oil engineering; unmanned platform

TP212

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.02.009

趙雷（1980-），男，工程師，碩士學位。研究方向為化工過程機械專業。