微型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)進(jìn)展及其在海洋石油工程的應(yīng)用展望

趙 雷

（中國(guó)海洋石油總公司，北京 100010）

微型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)進(jìn)展及其在海洋石油工程的應(yīng)用展望

趙 雷

（中國(guó)海洋石油總公司，北京 100010）

微型燃?xì)廨啓C(jī)是一種新的發(fā)動(dòng)機(jī)，功率覆蓋在 30kW～300kW 或更小，隨著全球范圍內(nèi)能源與動(dòng)力需求結(jié)構(gòu)以及節(jié)能環(huán)保要求提高的變化，微型燃?xì)廨啓C(jī)越來(lái)越引起人們的關(guān)注。本文介紹了國(guó)際上先進(jìn)的微型燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)進(jìn)展，同時(shí)結(jié)合海洋石油工程，討論了海上石油工程中無(wú)人駐守平臺(tái)應(yīng)用微型燃?xì)廨啓C(jī)的可行性、必要性及其廣闊的應(yīng)用前景。

微型燃?xì)廨啓C(jī)；海洋石油工程；無(wú)人駐守平臺(tái)

0 引言

燃?xì)廨啓C(jī)是一種先進(jìn)且復(fù)雜的成套動(dòng)力機(jī)械裝備，它以連續(xù)流動(dòng)的氣體作為工質(zhì)、把熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功，具有質(zhì)量輕、高效率、結(jié)構(gòu)緊湊及靈活機(jī)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，自19世紀(jì)40年代問(wèn)世以來(lái)，顯示出了極強(qiáng)生命力，經(jīng)幾十年發(fā)展技術(shù)逐步趨于完善，并得到廣泛應(yīng)用。它一方面向大功率發(fā)展：如其單機(jī)功率由最初的幾千千瓦發(fā)展到了百萬(wàn)千瓦；另一方面也在向其他方面發(fā)展：如設(shè)備小型化、燃料的多元化、熱電聯(lián)產(chǎn)高效化、網(wǎng)絡(luò)智能化、節(jié)能環(huán)保等。其中微型燃?xì)廨啓C(jī)就屬于一類新型的發(fā)動(dòng)機(jī)，功率覆蓋在 30kW～300kW或更小，其最具代表性的應(yīng)用是熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，具有很高經(jīng)濟(jì)性和能滿足較高的節(jié)能環(huán)保要求。在1998年底美國(guó)能源部門(mén)舉行了以微型燃?xì)廨啓C(jī)為主題的技術(shù)峰會(huì)，著重討論了其技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及市場(chǎng)開(kāi)發(fā)推廣等內(nèi)容，預(yù)測(cè)其市場(chǎng)前景廣闊，且競(jìng)爭(zhēng)將會(huì)激烈，能影響未來(lái)電力市場(chǎng)供應(yīng)結(jié)構(gòu)，其廉價(jià)高效環(huán)保的特點(diǎn)將使其越來(lái)越受到更多國(guó)家的關(guān)注[1]。

1 微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組簡(jiǎn)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(wàn)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，其運(yùn)行原理請(qǐng)參見(jiàn)圖1。

圖1 微型燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行原理

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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiǎn)易，所以可靠性好、制造成本與維護(hù)費(fèi)用相對(duì)較低。國(guó)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(wàn)小時(shí)；

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(hù)要簡(jiǎn)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(jiǎn)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(zhǎng)壽命，運(yùn)行費(fèi)用低；

9）設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)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(kāi)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(guó)家以美國(guó)、英國(guó)、瑞典為主，知名企業(yè)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?xì)廨啓C(jī)的主要技術(shù)參數(shù)。

表1 有代表性微型燃?xì)廨啓C(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2.1 美國(guó)Capstone公司

美國(guó)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，外形請(qǐng)見(jiàn)圖2。幾年后進(jìn)行了30kW樣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)請(qǐng)參見(jiàn)圖 3。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(wú)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。

圖2 Captsone微型燃?xì)廨啓C(jī)24kW機(jī)組外形圖(圖片出自：www.capstoneturbine.com)

圖3 Captsone公司C30微型燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖(圖片出自：www.capstoneturbine.com)

2.2 英國(guó)Bowman公司

1994年成立的英國(guó)Bowman公司位于南安普頓，專門(mén)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(內(nèi)部結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖4)和200kW機(jī)組，下一步將研發(fā)500kW機(jī)組。

圖4 寶曼微型燃?xì)廨啓C(jī)Bowman TG80結(jié)構(gòu)圖（圖片出自：www.bowmanpower.com）

Bowman公司微燃機(jī)采用了無(wú)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(kāi)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[2]。

3 微型燃?xì)廨啓C(jī)在海洋平臺(tái)上應(yīng)用可行性

我國(guó)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(wú)人駐守平臺(tái)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(kāi)發(fā)邊際油氣田的主要模式之一[3]。

在近期幾個(gè)油氣田上應(yīng)用的無(wú)人駐守平臺(tái)，由于需要解決電負(fù)荷和加熱負(fù)荷等問(wèn)題，在進(jìn)行方案研究時(shí)大多選用海底復(fù)合電纜給無(wú)人駐守平臺(tái)輸送電能，并且在無(wú)人平臺(tái)上應(yīng)用電加熱器來(lái)防止水化物生成，這樣的方案大大增加了油田開(kāi)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(wú)人平臺(tái)電站方案為高效、低成本開(kāi)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(kāi)發(fā)應(yīng)用 Bowman TG80機(jī)型為例論述方案可行性。

某無(wú)人平臺(tái)離綜合平臺(tái)7km，電能從綜合平臺(tái)向該無(wú)人平臺(tái)供電，其中無(wú)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Bowman TG80(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)Bowman TG80透平(2用1備)，取消海底復(fù)合電纜。

3臺(tái)Bowman TG80微型燃?xì)廨啓C(jī)采辦、安裝、調(diào)試服務(wù)費(fèi)用為40萬(wàn)～50萬(wàn)美元，而海底復(fù)合電纜的費(fèi)用在200萬(wàn)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(guó)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(wàn)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(kāi)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(guò)有人平臺(tái)通過(guò)海底復(fù)合電纜給無(wú)人平臺(tái)供電的方案相比，無(wú)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(guò)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(wèn)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(lái)越具有競(jìng)爭(zhēng)力。

簡(jiǎn)易無(wú)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(wú)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[4]。

總之，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(jī)，已具備在海洋石油工程尤其是無(wú)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。

[1] 張文普, 豐鎮(zhèn)平. 燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù), 2002, 15(3): 65-69.

[3] 中華人民共和國(guó)經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì), 海上固定平臺(tái)安全規(guī)則, 2000年9月.

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

江南造船3萬(wàn)立方米LNG船命名

近日，江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司建造的國(guó)內(nèi)首艘3萬(wàn)立方米液化天然氣（LNG）船正式命名。該船總長(zhǎng)184.7米，型寬28.1米，總噸位為25041噸，設(shè)計(jì)服務(wù)航速為16.5節(jié)，航行于無(wú)限航區(qū)，采用DFDE（雙燃料電力推進(jìn)系統(tǒng)）推進(jìn)方式，并配有艏側(cè)推，配備兩臺(tái)360°全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器和三臺(tái)雙燃料發(fā)電機(jī)，擁有四個(gè)C型雙葉獨(dú)立液貨艙，貨物圍護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫度為-164℃，主要用于國(guó)內(nèi)LNG二程轉(zhuǎn)運(yùn)和調(diào)峰，兼顧國(guó)際間LNG短程運(yùn)輸。該船為環(huán)境友好型新型船舶，雙燃料設(shè)計(jì)能夠有效減少環(huán)境污染，降低燃料損耗。該船型完全滿足中國(guó)船級(jí)社（CCS）Green ShipⅠ船級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，投入使用后將為我國(guó)大力推廣LNG清潔能源在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的廣泛應(yīng)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(xué)位。研究方向?yàn)榛み^(guò)程機(jī)械專業(yè)。