長輸天然氣管道燃機(jī)熱耗率計算與校正方法研究

常海軍 吳長春 張曉瑞

摘 要：以天然氣為燃料的燃機(jī)作為壓縮機(jī)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(jī)。燃機(jī)的效能作為天然氣管道優(yōu)化運(yùn)行的重要指標(biāo)之一受到普遍關(guān)注，掌握燃機(jī)組在實際運(yùn)行中的性能對天然氣管道運(yùn)行人員，特別是運(yùn)行方案制定人員至關(guān)重要。針對長輸天然氣管道的燃機(jī)效能最重要指標(biāo)--熱耗率的計算與校正的一整套方法進(jìn)行闡述和研究，并與廠家提供的效能圖和實際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，證明該方法能使燃機(jī)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(jī)；熱耗率；最優(yōu)轉(zhuǎn)速；校正

中圖分類號：TE 832 文獻(xiàn)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(yuǎn)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?xì)鈾C(jī)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(jī)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(yùn)行，掌握壓氣站場燃?xì)鈾C(jī)組的主要效能參數(shù)十分必要。燃機(jī)廠家常常通過性能曲線圖的形式提供燃機(jī)效能參數(shù)，在實際生產(chǎn)中，僅參考這些性能曲線圖，運(yùn)行人員特別是仿真優(yōu)化人員很難分析燃機(jī)實際運(yùn)行效能狀態(tài)?，F(xiàn)場燃機(jī)組配套的控制系統(tǒng)人機(jī)畫面主要顯示保障燃機(jī)運(yùn)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(jī)的關(guān)鍵效能指標(biāo)，如熱耗率、功率、最大功率等。燃機(jī)廠家通常以特性曲線圖的形式給出燃機(jī)的熱耗率特性。為利用計算機(jī)進(jìn)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(jī)組老化、測試條件不準(zhǔn)確等多種原因，廠家提供的燃機(jī)性能曲線常常與機(jī)組實際性能有所差別。為準(zhǔn)確計算燃機(jī)的關(guān)鍵效能指標(biāo)，本文重點研究燃機(jī)熱耗率計算模型與相應(yīng)的校正方法。

1 燃機(jī)熱耗率計算方法

1.1 燃機(jī)熱耗率計算模型

燃機(jī)熱耗率受多種因素影響，包括燃?xì)廨敵龉β?、輸出軸轉(zhuǎn)速、大氣溫度、大氣壓力、進(jìn)氣壓降、排氣壓降等等。在本文所介紹的燃驅(qū)機(jī)組熱耗率模型[1-3]中，首先利用式（1）表示燃機(jī)輸出功率、大氣溫度兩個因素對燃機(jī)熱耗率的影響。其中：HRsl表示水平海拔下不考慮進(jìn)氣損失條件下的燃機(jī)熱耗率，kJ·kW-1·h-1；HPsl表示水平海拔下不考慮進(jìn)氣損失條件下的燃?xì)廨敵龉β?，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(jī)最優(yōu)轉(zhuǎn)速特性，其燃機(jī)最優(yōu)轉(zhuǎn)速-Nptopt定義為燃機(jī)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(jìn)行燃機(jī)仿真時，需要聯(lián)立求解式（1）、式（6）與式（11）-式（15）：

其中：HPsite – 燃機(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)熱耗率模型改進(jìn)

使用燃機(jī)廠家提供的熱耗率特性曲線圖測試上述仿真模型。燃機(jī)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(jìn)后，最優(yōu)轉(zhuǎn)速與熱耗率誤差分別見圖4與圖5，改進(jìn)效果較好。

2 燃機(jī)熱耗率特性曲線校正

由于機(jī)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(jī)組實際性能有所差別。燃機(jī)熱耗率特性準(zhǔn)確與否直接影響到自耗氣的計算精度，進(jìn)而影響管道運(yùn)行計劃的制定、管道優(yōu)化運(yùn)行等工作。為此，實際生產(chǎn)中有必要對燃機(jī)的熱耗率特性曲線進(jìn)行校正。

2.1 校正方法

在上述燃機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)自耗氣量，如式（19）所示。其中LHV為燃料低熱值，kJ/m3；η為燃機(jī)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(jìn)化算法[4，5]可求得最優(yōu)解。文本不再詳細(xì)敘述算法流程。

2.2 校正方法驗證

基于中亞天然氣管道運(yùn)行數(shù)據(jù)，分別選用GE PGT25+SAC機(jī)型與RR RB211-G62DLE機(jī)型測試校正方法。在進(jìn)行燃機(jī)特性曲線校正測試前，先完成離心壓縮機(jī)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(jī)仿真。

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

采用上述方法對燃機(jī)特性曲線進(jìn)行校正。相關(guān)文獻(xiàn)介紹燃機(jī)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(jī)組由于定期保養(yǎng)等因素，其燃機(jī)輸出功率與效率下降量極少會達(dá)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(jī)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(jī)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(jī)型熱耗率特性進(jìn)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(jìn)了國外學(xué)者提出的燃機(jī)熱耗率仿真模型，經(jīng)過改進(jìn)后，降低了該模型的計算誤差。本文還提出了一套燃機(jī)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(jī)組實際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了測試。校正后，燃機(jī)自耗氣計算誤差能夠控制在-5%～5%以內(nèi)。這一整套燃機(jī)熱耗率仿真與校正方法極大地方便了天然氣管道運(yùn)行控制人員和模擬仿真人員的工作，利用該套方法使運(yùn)行人員能夠?qū)θ細(xì)鈾C(jī)組和管道運(yùn)行數(shù)據(jù)深入分析和研究。

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