常海軍 吳長春 張曉瑞

摘 要：以天然氣為燃料的燃機作為壓縮機驅(qū)動源在長輸天然氣管道行業(yè)中普遍使用，特別是性價比較高的航改型燃機。燃機的效能作為天然氣管道優(yōu)化運行的重要指標(biāo)之一受到普遍關(guān)注，掌握燃機組在實際運行中的性能對天然氣管道運行人員，特別是運行方案制定人員至關(guān)重要。針對長輸天然氣管道的燃機效能最重要指標(biāo)--熱耗率的計算與校正的一整套方法進行闡述和研究，并與廠家提供的效能圖和實際運行數(shù)據(jù)進行了比較，證明該方法能使燃機的主要效能參數(shù)誤差控制在5%以內(nèi)，滿足了實際生產(chǎn)人員和優(yōu)化仿真人員的工作需要。

關(guān) 鍵 詞：輸氣管道；燃機；熱耗率；最優(yōu)轉(zhuǎn)速；校正

中圖分類號：TE 832 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）04-0759-04

Abstract： The gas turbines fueled with natural gas are widely used in the long-distance natural gas transmission pipeline industry as the drive source of compressors， especially the aero-derivative gas turbines with small volume and high efficiency. The efficiency of the gas turbine is one of important indexes of optimized operation of natural gas pipelines， so it has received a universal attention. It is crucial for the operating personnel of natural gas pipelines， especially the operation scheme preparation personnel to know well the performance of the gas turbine in the actual operation. In this paper， calculation and correction methods of effectiveness index– the heat consumption rate of the gas turbine for long-distance natural gas transmission pipelines were expounded and studied. And comparison with the efficiency chart and actual operating data provided by the manufacturer was carried out. The results show that this method can control the performance parameter error of the gas turbine within 5%， so that the job demands of the actual production personnel and optimization and simulation personnel can be met.

Key words： Gas transmission pipeline； Gas turbine； Heat consumption rate； Optimized rotating speed； Correction

對于社會條件依托差、埋設(shè)于偏遠地區(qū)的長輸天然氣管道，由于沿線缺少穩(wěn)定的供電系統(tǒng)，燃氣機組則是長輸天然氣管道的動力源的必然選擇，以土庫曼斯坦-烏茲別克斯坦-哈薩克斯坦-中國天然氣管道為例，全線8座壓氣站均配備航改型燃驅(qū)離心壓縮機組。該管道設(shè)計輸量300億m3/a，設(shè)計壓力9.81 MPa，管徑1 067 mm，設(shè)計輸量條件下，全線總自耗氣占總輸量比例2.8%～3%，為使保證管道安全、高效運行，掌握壓氣站場燃氣機組的主要效能參數(shù)十分必要。燃機廠家常常通過性能曲線圖的形式提供燃機效能參數(shù)，在實際生產(chǎn)中，僅參考這些性能曲線圖，運行人員特別是仿真優(yōu)化人員很難分析燃機實際運行效能狀態(tài)?，F(xiàn)場燃機組配套的控制系統(tǒng)人機畫面主要顯示保障燃機運行安全控制相關(guān)參數(shù)，如溫度、壓力、壓差、轉(zhuǎn)速等，缺少燃機的關(guān)鍵效能指標(biāo)，如熱耗率、功率、最大功率等。燃機廠家通常以特性曲線圖的形式給出燃機的熱耗率特性。為利用計算機進行仿真計算，需要將特性曲線圖數(shù)據(jù)化，然后建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。另外，由于機組老化、測試條件不準(zhǔn)確等多種原因，廠家提供的燃機性能曲線常常與機組實際性能有所差別。為準(zhǔn)確計算燃機的關(guān)鍵效能指標(biāo)，本文重點研究燃機熱耗率計算模型與相應(yīng)的校正方法。

1 燃機熱耗率計算方法

1.1 燃機熱耗率計算模型

燃機熱耗率受多種因素影響，包括燃氣輸出功率、輸出軸轉(zhuǎn)速、大氣溫度、大氣壓力、進氣壓降、排氣壓降等等。在本文所介紹的燃驅(qū)機組熱耗率模型[1-3]中，首先利用式（1）表示燃機輸出功率、大氣溫度兩個因素對燃機熱耗率的影響。其中：HRsl表示水平海拔下不考慮進氣損失條件下的燃機熱耗率，kJ·kW-1·h-1；HPsl表示水平海拔下不考慮進氣損失條件下的燃氣輸出功率，kW；Tamb表示大氣溫度，℃；H、I、J、K、M表示方程系數(shù)；

利用式（2）～（5）計算式（1）的方程系數(shù)。首先利用式（2）擬合恒定大氣溫度Tamb對應(yīng)的熱耗率，從而計算方程系數(shù)H，I，J。通常，廠家會提供多個大氣溫度下的熱耗率特性數(shù)據(jù)，Tmed為接近這些溫度平均值的大氣溫度，但不必完全相等。利用式（3）擬合恒定功率對應(yīng)的熱耗率，并根據(jù)式（4）～（5）計算方程系數(shù)K，M。

利用式（6）-式（10）回歸燃機最優(yōu)轉(zhuǎn)速特性，其燃機最優(yōu)轉(zhuǎn)速-Nptopt定義為燃機輸出功率一定時最低熱耗率所對應(yīng)的輸出透平轉(zhuǎn)速，如圖 1所示。

進行燃機仿真時，需要聯(lián)立求解式（1）、式（6）與式（11）-式（15）：

其中：HPsite – 燃機實際輸出功率，kW；Fcd – 污染惡化系數(shù)，[0， 0.15]；ηgear – 傳動效率；%inPΔ – 進氣壓降/標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；%exPΔ – 排氣壓降/標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；ηsite – 燃機實際效率；h – 海拔，m；在聯(lián)立求解時，可以假設(shè)Nptopt = Npt，通過迭代即可收斂。

1.2 燃機熱耗率模型改進

使用燃機廠家提供的熱耗率特性曲線圖測試上述仿真模型。燃機熱耗率仿真誤差見圖 2，熱耗率仿真結(jié)果大部分要低于實際值。最優(yōu)轉(zhuǎn)速見圖 3，最優(yōu)轉(zhuǎn)速仿真相對于實際值差別較大。

為降低最優(yōu)轉(zhuǎn)速與熱耗率計算誤差，針對不同大氣溫度分別回歸式（1）與式（6）方程系數(shù)，并根據(jù)具體仿真算例的大氣溫度選擇不同系數(shù)。模型改進后，最優(yōu)轉(zhuǎn)速與熱耗率誤差分別見圖4與圖5，改進效果較好。

2 燃機熱耗率特性曲線校正

由于機組老化、測試條件不準(zhǔn)確等多種原因，廠家提供的性能曲線常常與機組實際性能有所差別。燃機熱耗率特性準(zhǔn)確與否直接影響到自耗氣的計算精度，進而影響管道運行計劃的制定、管道優(yōu)化運行等工作。為此，實際生產(chǎn)中有必要對燃機的熱耗率特性曲線進行校正。

2.1 校正方法

在上述燃機熱耗率模型中引熱耗率校正量HRre、最優(yōu)轉(zhuǎn)速校正量Nptoptre、污染惡化系數(shù)Fcd，共3個變量，將燃機熱耗率計算值與實際值之間的差別最小化作為目標(biāo)函數(shù)，添加校正量后的燃機特性曲線如式（16）與式（17）所示。

以Fcd、HRre、Nptoptre為自變量，求解以式（18）為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化問題。其中N為數(shù)據(jù)點數(shù)目，fuleact為實際自耗氣量，fuelsimu為通過仿真計算得到的燃機自耗氣量，如式（19）所示。其中LHV為燃料低熱值，kJ/m3；η為燃機效率，計算方法見式（20）。

所求解的優(yōu)化問題屬于有范圍約束的連續(xù)優(yōu)化問題，使用快速自適應(yīng)差分進化算法[4，5]可求得最優(yōu)解。文本不再詳細敘述算法流程。

2.2 校正方法驗證

基于中亞天然氣管道運行數(shù)據(jù)，分別選用GE PGT25+SAC機型與RR RB211-G62DLE機型測試校正方法。在進行燃機特性曲線校正測試前，先完成離心壓縮機特性曲線校正[6]，并使用校正后的特性曲線作為離心壓縮機仿真。

進行GE PGT25+SAC機型燃機特性曲線校正的數(shù)據(jù)共112組。首先校正壓縮機壓頭、效率特性曲線[6]，校正后，燃機自耗氣誤差如圖 6所示，計算值相比實際值偏小，需要進行校正。

采用上述方法對燃機特性曲線進行校正。相關(guān)文獻介紹燃機在大修時輸出功率約下降5%～15%，效率約下降2.5%～7.5%，但實際燃驅(qū)機組由于定期保養(yǎng)等因素，其燃機輸出功率與效率下降量極少會達到該值，在計算校正量時設(shè)定污染惡化系數(shù)取值范圍為[0， 0.075]，經(jīng)測試這一上限能夠取得很好的校正效果。同時，為保持機組特性曲線經(jīng)校正后盡可能少地偏離原曲線，設(shè)定轉(zhuǎn)速校正量Nptoptre取值范圍為[-0.05Smax， 0.05Smax]，Smax為機組最高轉(zhuǎn)速，熱耗率校正量HRre取值范圍為[-0.05HRmax， 0.05HRmax]。經(jīng)優(yōu)化計算后，校正量取值為Fcd = 0.075，Nptoptre = -299，HRre = 372.4。校正后的自耗氣量誤差統(tǒng)計見圖 7，大多數(shù)算例誤差在-5%～5%之間，說明校正效果很好。

類似地，對RR RB211-G62DLE機型熱耗率特性進行校正，通過計算得到的校正量為Fcd = 0.054，Nptoptre = -197.5，HRre = -539.9。對于絕大多數(shù)算例，能夠控制在-5%～5%以內(nèi)。

3 結(jié)束語

本文介紹并改進了國外學(xué)者提出的燃機熱耗率仿真模型，經(jīng)過改進后，降低了該模型的計算誤差。本文還提出了一套燃機熱耗率特性曲線的校正方法，并利用兩臺燃驅(qū)離心式壓縮機組實際運行數(shù)據(jù)進行了測試。校正后，燃機自耗氣計算誤差能夠控制在-5%～5%以內(nèi)。這一整套燃機熱耗率仿真與校正方法極大地方便了天然氣管道運行控制人員和模擬仿真人員的工作，利用該套方法使運行人員能夠?qū)θ細鈾C組和管道運行數(shù)據(jù)深入分析和研究。

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