微型燃?xì)廨啓C(jī)海洋石油工程論文
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1微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組簡介
微型燃?xì)廨啓C(jī)基本與大型燃?xì)廨啓C(jī)相似，主要也由透平、壓氣機(jī)、燃燒室、控制系統(tǒng)及配套發(fā)電機(jī)等構(gòu)成。工作原理是高壓空氣經(jīng)壓氣機(jī)壓縮，在回?zé)崞鹘?jīng)與透平尾氣的換熱，然后進(jìn)入燃燒室與燃料混合、燃燒。多數(shù)微燃機(jī)直接驅(qū)動(dòng)內(nèi)置式的高速發(fā)電機(jī)，壓氣機(jī)、透平與發(fā)電機(jī)同軸，轉(zhuǎn)子設(shè)置為空氣軸承上的浮動(dòng)運(yùn)行，轉(zhuǎn)速能到達(dá)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?xì)廨啓C(jī)多以天然氣、甲烷、柴油等作為燃料，進(jìn)氣壓力約在350Kpa(50psig)~380Kpa(55psig)之間，最高一般不超過690Kpa(100psig)，最高進(jìn)氣溫度一般為50℃左右。它一般為電池啟動(dòng)。燃料氣系統(tǒng)采用數(shù)控比例調(diào)節(jié)閥進(jìn)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(hù)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(hù)過濾器能起到防止雜質(zhì)對(duì)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(diǎn)，建議在海上平臺(tái)使用時(shí)在微型燃?xì)廨啓C(jī)外另外安裝一個(gè)主過濾器。微型燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)動(dòng)部件相對(duì)較少，結(jié)構(gòu)緊湊、簡易，所以可靠性好、制造成本與維護(hù)費(fèi)用相對(duì)較低。國際上通用的制造指標(biāo)一般為：
1）運(yùn)動(dòng)部分原件壽命要大于等于4萬小時(shí)：
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(hù)要簡單、費(fèi)用要低廉。
5）與傳統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)組相比，微型燃?xì)廨啓C(jī)有很多先進(jìn)的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：
6）運(yùn)動(dòng)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(jī)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(shí)燃料消耗率、排放率非常低；
8）振動(dòng)小，噪音低，長壽命，運(yùn)行費(fèi)用低；
9）設(shè)計(jì)相對(duì)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(jì)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)效率也非常高；
11）可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控、診斷；可實(shí)現(xiàn)多臺(tái)并聯(lián)增容。
2微型燃?xì)廨啓C(jī)開發(fā)與應(yīng)用情況
據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，全球的微型燃?xì)廨啓C(jī)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(jìn)行微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)元件研發(fā)，1994年研制出了24kW樣機(jī)，約兩年后生產(chǎn)了幾十臺(tái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。樣機(jī)為單軸、空氣軸承，轉(zhuǎn)速約96000r/min。整個(gè)機(jī)組用圓柱形排氣殼包覆，距離10m外噪音能達(dá)到60分貝以下。在以天然氣為主燃料時(shí)，氧化氮排放能低至9ppm，一氧化碳為25ppm。幾年后進(jìn)行了30kW樣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。此后又逐步推出了60kW發(fā)電機(jī)組及45kW車用機(jī)組等，目前已發(fā)展到125kW～250kW規(guī)格機(jī)組。據(jù)記載，歐洲北海某油田的無人平臺(tái)上C30為主電站運(yùn)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?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)研發(fā)，設(shè)計(jì)和制造了高速發(fā)電機(jī)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(jī)組，下一步將研發(fā)500kW機(jī)組。Bowman公司微燃機(jī)采用了無人職守智能化自動(dòng)控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤調(diào)節(jié)頻率，安全運(yùn)行可靠性高。其中，如選用配置回?zé)崞?，可?shí)現(xiàn)發(fā)電效率為25%～28%，排煙溫度能達(dá)到300℃以下，熱電綜合效率能到到75%。不使用回?zé)崞鲿r(shí)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?dòng)調(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(jì)，改進(jìn)了尾氣利用，提高了效率，其開發(fā)的機(jī)組已實(shí)現(xiàn)單獨(dú)運(yùn)行，多臺(tái)并聯(lián)聯(lián)合運(yùn)行。
3微型燃?xì)廨啓C(jī)在海洋平臺(tái)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(tái)具有結(jié)構(gòu)簡單、建造安裝周期短、造價(jià)低、操作維修工作量少等特點(diǎn)，降低了初期投資及操作費(fèi)，被證明是一種經(jīng)濟(jì)、高效開發(fā)邊際油氣田的主要模式之一。在近期幾個(gè)油氣田上應(yīng)用的無人駐守平臺(tái)，由于需要解決電負(fù)荷和加熱負(fù)荷等問題，在進(jìn)行方案研究時(shí)大多選用海底復(fù)合電纜給無人駐守平臺(tái)輸送電能，并且在無人平臺(tái)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(shí)際電、熱負(fù)荷選取微型燃?xì)廨啓C(jī)為主電站的無人平臺(tái)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(jī)型為例論述方案可行性。某無人平臺(tái)離綜合平臺(tái)7km，電能從綜合平臺(tái)向該無人平臺(tái)供電，其中無人平臺(tái)最大工況的電負(fù)荷為460kW。該平臺(tái)為單層甲板，甲板上放置三臺(tái)電加熱器(防止水化物生成，負(fù)荷分別為80、80、160kW)、多路閥、電驅(qū)動(dòng)吊機(jī)等設(shè)備，平臺(tái)不設(shè)消防泵和應(yīng)急機(jī)。若在該平臺(tái)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(dòng))方案可更改如下：將電加熱器更換為換熱器，電驅(qū)動(dòng)吊機(jī)改為柴油驅(qū)動(dòng)吊機(jī)，此方案的電負(fù)荷大約為124kW(其中包括電伴熱負(fù)荷80kW和照明24kW)，那么可在平臺(tái)上設(shè)置3臺(tái)BowmanTG80透平(2用1備)，取消海底復(fù)合電纜。3臺(tái)BowmanTG80微型燃?xì)廨啓C(jī)采辦、安裝、調(diào)試服務(wù)費(fèi)用為40萬～50萬美元，而海底復(fù)合電纜的費(fèi)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(jìn)口，而管殼式換熱器國產(chǎn))、海底電纜導(dǎo)致兩個(gè)平臺(tái)增加的變壓器等輸配電設(shè)備、保險(xiǎn)費(fèi)等相關(guān)費(fèi)用，工程費(fèi)將降低至少150萬美元。從連續(xù)安全操作上，對(duì)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(jī)組可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的遠(yuǎn)程遙控，維護(hù)、保養(yǎng)工作量小，能減少登平臺(tái)次數(shù)等。綜上，此油田開發(fā)的電站方案比選中，微型燃?xì)廨啓C(jī)方案與常規(guī)通過有人平臺(tái)通過海底復(fù)合電纜給無人平臺(tái)供電的方案相比，無論是從濟(jì)性還是操作維護(hù)工作量等多方面比較，都有很好的優(yōu)勢(shì)。
4結(jié)論
經(jīng)過近些年的技術(shù)發(fā)展、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際驗(yàn)證考驗(yàn)等，微型燃?xì)廨啓C(jī)中的回?zé)崞骷夹g(shù)方面有了新的突破，回?zé)岫饶苓_(dá)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(jìng)爭(zhēng)力。簡易無人平臺(tái)機(jī)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(hù)、保養(yǎng)工作量，減少登平臺(tái)次數(shù)；應(yīng)用中要嚴(yán)格遵守《海上固定平臺(tái)安全規(guī)則》通用機(jī)械設(shè)備等章節(jié)相關(guān)規(guī)定。要使微型燃?xì)廨啓C(jī)在海上無人平臺(tái)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(jì)性等方面完全滿足平臺(tái)的要求?？傊?，隨微型燃?xì)廨啓C(jī)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(tái)上應(yīng)用推廣的可行性，具有較廣闊的應(yīng)用前景。
作者：趙雷 單位：中國海洋石油總公司
