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微型燃氣輪機海洋石油工程論文
1微型燃氣輪機發(fā)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(tǒng)及配套發(fā)電機等構(gòu)成。工作原理是高壓空氣經(jīng)壓氣機壓縮，在回?zé)崞鹘?jīng)與透平尾氣的換熱，然后進入燃燒室與燃料混合、燃燒。多數(shù)微燃機直接驅(qū)動內(nèi)置式的高速發(fā)電機，壓氣機、透平與發(fā)電機同軸，轉(zhuǎn)子設(shè)置為空氣軸承上的浮動運行，轉(zhuǎn)速能到達5至12萬r/min，發(fā)出的高頻交流電先轉(zhuǎn)換成高壓直流電，再變換為50（60）Hz、400（480）V交流電，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(tǒng)采用數(shù)控比例調(diào)節(jié)閥進行調(diào)節(jié)，主要組成部分有：電磁切斷閥、比例調(diào)節(jié)閥和保護過濾器。燃料氣流量大小由比例調(diào)節(jié)閥閥位調(diào)節(jié)，保護過濾器能起到防止雜質(zhì)對系統(tǒng)部件的破壞作用，結(jié)合海洋石油環(huán)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(jié)構(gòu)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(biāo)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12000Btu/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(tǒng)柴油發(fā)電機組相比，微型燃氣輪機有很多先進的技術(shù)優(yōu)點：
6）運動部件少，結(jié)構(gòu)緊湊、簡易；質(zhì)量輕，一般為傳統(tǒng)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(shè)計相對簡單，備品備件少，成本低；
10）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方便，故在非經(jīng)濟負荷運轉(zhuǎn)時效率也非常高；
11）可實現(xiàn)遠程遙控、診斷；可實現(xiàn)多臺并聯(lián)增容。
2微型燃氣輪機開發(fā)與應(yīng)用情況
據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)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(qū)。國家以美國、英國、瑞典為主，知名企業(yè)有Capstone公司、Bowman公司和Ingersoll—Rand公司等，
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(fā)電機元件研發(fā)，1994年研制出了24kW樣機，約兩年后生產(chǎn)了幾十臺進行現(xiàn)場試驗。樣機為單軸、空氣軸承，轉(zhuǎn)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。幾年后進行了30kW樣機現(xiàn)場試驗。此后又逐步推出了60kW發(fā)電機組及45kW車用機組等，目前已發(fā)展到125kW～250kW規(guī)格機組。據(jù)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。
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(fā)電機研發(fā)，設(shè)計和制造了高速發(fā)電機與調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。幾年以后逐步投放了45、60、80和200kW機組，下一步將研發(fā)500kW機組。Bowman公司微燃機采用了無人職守智能化自動控制技術(shù)，可實現(xiàn)自動跟蹤調(diào)節(jié)頻率，安全運行可靠性高。其中，如選用配置回?zé)崞鳎蓪崿F(xiàn)發(fā)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?zé)崞鲿r發(fā)電效率約14%%～16%，排煙溫度為600℃左右。寶曼公司將回?zé)崞髟黾幼詣诱{(diào)節(jié)功能，以控制空氣回?zé)峤粨Q量適應(yīng)熱量需求的變化的特殊設(shè)計，改進了尾氣利用，提高了效率，其開發(fā)的機組已實現(xiàn)單獨運行，多臺并聯(lián)聯(lián)合運行。
3微型燃氣輪機在海洋平臺上應(yīng)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(dāng)部分比重。由于無人駐守平臺具有結(jié)構(gòu)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(jīng)濟、高效開發(fā)邊際油氣田的主要模式之一。在近期幾個油氣田上應(yīng)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(fù)合電纜給無人駐守平臺輸送電能，并且在無人平臺上應(yīng)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(fā)成本。而根據(jù)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(fā)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(fā)應(yīng)用BowmanTG80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(qū)動吊機等設(shè)備，平臺不設(shè)消防泵和應(yīng)急機。若在該平臺上應(yīng)用BowmanTG80（透平生產(chǎn)水為80℃，其輸出熱量隨回?zé)崞麝P(guān)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(qū)動吊機改為柴油驅(qū)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(shè)置3臺BowmanTG80透平（2用1備），取消海底復(fù)合電纜。3臺BowmanTG80微型燃氣輪機采辦、安裝、調(diào)試服務(wù)費用為40萬～50萬美元，而海底復(fù)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(chǎn)）、海底電纜導(dǎo)致兩個平臺增加的變壓器等輸配電設(shè)備、保險費等相關(guān)費用，工程費將降低至少150萬美元。從連續(xù)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(xiàn)穩(wěn)定的遠程遙控，維護、保養(yǎng)工作量小，能減少登平臺次數(shù)等。綜上，此油田開發(fā)的電站方案比選中，微型燃氣輪機方案與常規(guī)通過有人平臺通過海底復(fù)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(yōu)勢。
4結(jié)論
經(jīng)過近些年的技術(shù)發(fā)展、現(xiàn)場實際驗證考驗等，微型燃氣輪機中的回?zé)崞骷夹g(shù)方面有了新的突破，回?zé)岫饶苓_到90％以上。另外，常規(guī)板翅式回?zé)崞魃铣霈F(xiàn)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(shè)備包括電站選型中，應(yīng)盡量選用安全性、穩(wěn)定性、可靠性高的產(chǎn)品，以降低維護、保養(yǎng)工作量，減少登平臺次數(shù)；應(yīng)用中要嚴格遵守《海上固定平臺安全規(guī)則》通用機械設(shè)備等章節(jié)相關(guān)規(guī)定。要使微型燃氣輪機在海上無人平臺上得到成功應(yīng)用，它必須在發(fā)電質(zhì)量、可靠性、可用度、環(huán)境可接受性、經(jīng)濟性等方面完全滿足平臺的要求。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(yīng)用業(yè)績，已具備在海洋石油工程尤其是無人駐守平臺上應(yīng)用推廣的可行性，具有較廣闊的應(yīng)用前景。
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