浅论西气东输燃压机组的选型及改造

浅论西气东输燃压机组的选型及改造0概述据不完全统计，目前西气东输一线、二线已有各种型号的燃压机组116台套，并且还有快速增长的趋势。提高燃压机组综合热效率是降低管输能耗的重要途径。某公司一再宣称:每提高燃机热效率1%，每台机组每年可以为用户节约运行成本12.5万美元。但是，仅靠提高燃机热效率一项技术是远远不够的，因为燃机单循环热效率每提高1%不仅十分困难，而且代价十分高昂。如果设备选型及配套不当，每台机组热效率损失近10个百分是常常不为人们所知道的。对于这一重大课题，我们在2000～2012年，曾在《石油规划设计》《中国能源》《热能动力工程》等学术期刋，陆续发表了针对西气东输燃压机组设备选型、新技术应用等方面的学术论文共8篇。笔者的绝大多数观点、论点不仅被西气东输的生产实践所证实，而且也被SIEMENS等国际大公司所采用，为节能減排做出了一定的贡献。

这些文章是:“燃气轮机在天然气输气管道上的选用”《中国能源》2OO0年第4期陈仁贵“输气管道压气站装机功率及备用系数的选择”《石油规划设计》2000年第6期陈仁贵

“喷雾蒸发冷却器在燃气轮机上的应用”

《2001年亚太地区燃机大会(ASME)特约征文》第一作者陈仁贵“论喷雾蒸发冷却技术在西气东输工程上的应用”《石油规划设计》2002年陈仁贵“燃气轮机机进气系统结霜分析及对策”《热能动力工程》2005年4期陈仁责“论天然气长输管道机组功率选择及配置”《热能动力工程》2010年4期高顺华陈仁贵“再论喷雾蒸发冷却技术在西气东输工程上的应用”

2011年石油学会储运专委会陈仁贵

“喷雾蒸发冷却技术在西气东输燃压机组上应用的可行性研究”

《热能动力工程》2012年第4期郭刚宋志刚陈仁贵合著根据我们的理论和实践:在具备一定条件的站场，如果采用国内已有的一系列新技术、新设备，可以用不太多的投入，使西气东输某些已建燃压机组燃气消耗量降低15%以上，这不仅完全有可能，而且用3～4年的时间就可以收回全部投资。我们可以通过以下4个方面的技术措施来实现上述目标。1选择功率合适的燃压机组笔者于2012年9月8日从西部管道公司了解到:该公司燃压站燃气自耗量的费用已占其总运营成本的90%以上，这引起公司领导们的高度重视。笔者初步认为:这主要是机组功率配置不合理的原因所造成。任何一条输气管线，从投产初期到满负荷运行都有一个时间过程;即使在达到设计能力后，每年不同时节的输气量也不尽相同。由于燃机和压缩机的固有特性，只有多台小机组或大/小功率机组组合才能满足在各种输量条件下达到经济运行的目的。1.1离心式压缩机的固有特性，它的流量调范围和高效区范围都十分窄小。图1某压缩机工作特性图图1是某站配置的某型燃驱压缩机的工作特性图。它能满足输气量10.48～17.5亿/年的设计要求，共有六个设计工况点。从图2看：1.2.3工况点是在燃机的高效区，但在压缩机的低效区；4.5.6工况点是在燃机的低效区，但在压缩机的高效区。在比较大的流量范围内，要同时满足都在高效区一般较难。对该机型而言，6号工况点的喘振余量已接近设计极限值的10%。结合文字说明:它的输量范围仅为最大输量的40.1%。当输量从17.5～10.48亿/年变化时，由于机组在夏季出力受限制，这时机组的总效率为22.81%～18.77%，十分低下。1.2燃机的负荷/效率特性对管输运营成本影响极大从图2可以看到，在ISO状态，当燃机负荷为50%额定时，热耗将增加到125%;实际上，在实际工况时，热耗增加为130%。如果负荷再低,效率将更低。图2某燃机ISO状态负荷/热耗曲线表1是孔雀河站设计计算的实际燃机负荷率。它即使在各工况满输时，机组负荷率也仅为44.1～85.7%。机组总效率仅为26.57～31.18%。实际上它们至今都没有达到过满负荷运行，燃气轮机的实际效率很低。据调查:

盐池站的实际负荷率仅为27～80%，燃机的效率更低。西气东输管道公司正在研讨解决方案，准备通过更换压缩机大流量机芯来提高燃气轮机的效率，减少站场双机运行的时间，从而降低燃料气的消耗。工况代号进气温度单台燃机运行参数机组总效率环境温度有效功率负荷率108Nm³/a℃℃kW%%XD170KQH-170S22.040.019，95085．730.81KQH-170S22.026.324，08771.031.18KQH-170W14.0-8.530，66250.031.08KQH-170A18.011.627，16660.031.13XD150KQH-150S-W24.028.322，86744.126.57表1某机组在孔雀河站各种工况下的运行参数笔者也研究分析了西二线某燃机公司对洛宁--南昌4个燃驱站的投标文件。以南昌站为例:看上表所示:在21个设计工况中,机组所需功率仅为燃机能够输出功率的22.6～80%，其中有13个工况点的负荷率都不足50%。这就是说，燃机在绝大部分时间都是处于“大马拉小车”的工作状态，热效率将极低。若此表负荷预测和功率计算都是正确的，笔者认为该站应配3×(10～12)MW机组，而不应配3×30MW机组。虽然某些大机组在ISO工况下比某些小机组的热效率要高一些，但是如果设计不当，将造成大机组长期运行在低负荷。这时大机组的实际热效率将比小机组接近满负荷时的热效率要低许多。

另外，由于压缩机的特性所决定，为满足投产初期输量要求，在西一线沿线共设计配套了16种不同型号的压缩机机芯，巳更换了14次，目前还有进一步更换大机芯的计划。人们可能只是看到设备投资上所造成的浪费，没有看到“大马拉小车”造成燃料气的更大的浪费。这也是笔者从2000年起就一直坚持推荐采用多台小机组组合或大/小功率机组兼容配置的主要原因。西气东输目前选用的确实都是世界顶级的燃压机组，我们也知道西气东输当初决定统一选择30MW级燃机的初衷。但是，可能是我们过份相信了供应商的片面宣传(如大修周期5万小时等)，也可能是我们没有考虑到“大马拉小车”有如此重大的不利影响。选择大/小机组是各有利弊，但“两弊相权取其轻”。我们应该重新审视这个选择大/小机组的重大问题。对已建的大机组，我建议可以采取以下的二个解决办法来提高机组效率:A长痛不如短痛，拆迁1～2台30MW机组到新站，换上2～1台15～20MW的小机组;B采取其他技术措施，加大30MW机组在现场的实际出力，更换大机芯，辅以调节上下游的运行参数，减少燃压机组的运行台数,尽量让机组带大负荷。此举能节燃料气8%以上。

2改造现有机组的进气防冰系统

大庆油田、塔里木油田多年的实际情况告诉我们:在高寒高湿地区燃机进气系统在冬季会发生如下图所示的结冰堵塞现象，直接影响到燃机的正常运行，2003年，中石化塔河油田就与国外某燃机公司和国内某著名大学合作，但都没有能解决这个世界级难题。根据我国《轻型燃气轮机进气过滤器》HB7257--2005标准5.5.1.e和西气东输燃压机组招标文件要求，明确要求燃压机组都要带有燃机进气防冰系统。但是，通过7个冬季的实际运行，已经证明:现有的燃压机组进气防冰系统不仅不能防冰，而且能耗极高，有时还造成防冰保护停机。事实巳经证明:他们的防冰理论和实际都是错误的。2.1某公司防冰理论错误之一某公司在西气东输上的防冰设计下图所示。很显然，这种进气加热是不能防止进气滤芯的结冰的。但某公司却坚持认为:高效滤芯的结冰是由于滤芯“挡住了”雨雪中的冰霜，“靠空气过滤器自带的脉冲反冲洗很容易清除掉滤芯上的冰霜”。我们则认为:滤芯中冰霜的大部分是由于滤芯本身的节流降温效应而形成，它会牢牢地冻结在滤芯上，靠“脉冲反冲洗”是不能清除掉这些冰霜的。无数的实践已经证明了这一点，SIEMENS公司也不认同这些厂商的这种“理论”。2.2某防冰理论错误之二某公司的防冰设计理论曲线如下图所示。经分析研究，这是一条航空发动机的进气防冰设计曲线，它并不适合陆用燃机。根据这条曲线，某机组是当环境T1＞4.4℃，and相对湿度Ǿ1＞67%RH时，燃机进气系统就从高压压气机16级抽气向进气道喷洒热气流;而另一公司机组是只要当环境T1＞4.4℃，不论相对湿度高低，就从低压压气机5级抽气向进气道喷洒热气流。它们的加热温升最大都是5.6℃。加热需要热功率为550～600KW，这需要消耗大量的天然气。根据孔雀河站2010.12.23运行报表显示:机组防冰系統投运,机组要增加127m3/h的天然气耗量。占整个燃机耗气量的3.3%。这主要是要对大量的进气加热，同时由于进气温度的提高又会降低燃机的热效率。(附件1)依据工程热力学第一定律，气流的速度、压降、温降的计算公式为:…….式中:Cp=0.2422

KCaL/kg·℃n=1.4R=287

J/Kg·k

T为Kg=9.8

m/s2A=1/427

Kcal/kg.m

理论分析表明:燃机进气系统结冰的机理是燃机进气气流速度的变化引起进气气流温度的变化;这会使进气气流的干球温度Ta≤露点温度Td，在一定的湿度条件下，空气中的水蒸气会冰凝成水，造成进气系统的结冰。它的成果条件与气候和燃机结构参数均有关。经计算，某机组滤芯处温降为为0.80℃左右，进气喇叭口处的温降为2.0℃左右，而喇叭口喉口处温降达8.5℃。理论计算和实测结果已经证明:陆用燃机进气速度的增加在喇叭口前使温度降低最多不超过3℃，远远小于5.6℃。所以，某公司的防冰理论值和设定值并不正确，这让用户白白消耗大量的天然气。除此以外，某公司机组冬天还经常发生“防冰保护高偏离”，使燃压机组保护停机，严重影响西气东输冬季的正常生产。(附件2、附件3)我们也找出了某公司防冰保护停机的原因。因时间关系关系，这里不作介绍。

西气东输已有燃机进气防冰装置人机界面2.3西气东输的防冰理论及实践针对以上问题，2009年，西气东输(管道)公司与三元燃机公司合作，已经很好地解决2种进口机组5台燃机的进气系统冬季防冰问题。它的设计及控制原理如下图所示。这种防冰理论和实践，不仅解决了燃机进气系统的防冰问题，而且实现防冰能耗不足原配置系统的5%。它的基本原理是:A加热温度只需增加3℃左右，就能有效防止整个进气系统的结冰;B燃机进气系统只有在T1＞4.4℃andǾ1＞90%RH时才会结冰，这与T1＞4.4℃andǾ1＞67%RH条件相比，同时满足这二个条件的时间几率仅为某公司设计条件的5%。所以能节能95%以上。国内进气防冰技术的效果如下图所示。(附件4)

目前，三元公司利用该项技术还成功改造了塔里木油田、山东金能2种型号8台进口机组。以一台RB211燃机为例，一个冬季至少消耗天然气120天×24h×120Nm3/h=34.56×104方，占机组耗气量的3.3%。若将现有的116台进口机组都改成国内公司研制的防冰系统，以节气95%计，每年可为中石油节约天然气约4000×104Nm3，用1～2年的时间即可收回全部投资。目前，中油股份公司已获得该项技术的专利。专利号分别为ZL201020696884.6。3尽量降低燃机的进气温度3.1进气温度对燃机运行的影响西气东输的燃压机组大部分安装在我国西部地区，如下图所示。这些地区不仅海拔高，而且夏季干燥炎热。这些特殊的自然条件对燃压机组的运行带来一系列不利影响。我们认为:在有条件的站场，采用“喷雾蒸发冷却技术”对燃机进气进行降温,这对提高燃机的出力、降低燃机的燃耗、减少NOX排放、延长机组使用寿命等都是十分有益的。这是由于燃机是以空气为工质，大气温度的高低和相对湿度的大小对燃机的工作特性有一系列不利影响。◆燃机进气温度愈高，燃机的输出功率愈低一般情况是:进气温度每升高10℃,机组功率下降10﹪。某燃机的功率-温度特性曲线如图8所示。◆燃机进气温度愈高，燃机的燃料消耗愈高一般情况是:进气温度每升高10℃，燃机的燃耗增加1.5.～2.0﹪。某燃机的燃耗-温度特性曲线如图9所示。图9某燃机燃耗-温度曲线图10某燃机进气温度-湿度-NOX排放曲线◆空气的相对湿度愈低，燃机的NOX排放愈高某燃机的温度-湿度-NOX排放特性曲线如图10所示。进气温度愈高、相对湿度愈低，NOX排放愈高。我们认为，这些问题通过“喷雾蒸发冷却”的技术改造，是可以十分经济合理地解决这个问题。3.2

蒸发冷却技术简介水在空气中自然蒸发时，会吸收空气中的显热转变成水蒸气的潜热，从而起到空气的冷却降温作用。这就是“湿球温度Ta”≤“干球温度Tw”的原因。通过计算可知，1Kg的水在空气中完全蒸发时，会吸收空气中2550KJ左右的热量。这是一种取之不尽用之不竭的绿色能源。水蒸气的干球温度-湿球温度-相对湿度关系曲线如图10所示。我们可以看到：空气温度愈高，相对湿度愈低，蒸发冷却效果愈好。例如：孔雀河站当地大气压为90.2KPa，相对湿度为10%，通过蒸发冷器将湿度提高至85%时，空气的温度可以从40℃降到19℃，降幅达21℃。特别是它仅消耗少量的水，几乎不消耗其他能量，其优点是显而易见的。图11空气干球温度Ta

湿球温度TW相对湿度Ǿ%RH的关系由于这种技术的特点,所以西方许多国家已经强制立法:在需要空气降温的场合,只要条件许可,应该优先采用蒸发冷却技术。图11是国外常用的蒸发冷却器结构原理图。图12是克拉玛依电厂为GE6111FA燃机配套的蒸发冷却器。但是，传统的蒸发冷却器体积庞大，不便进行技术改造；蒸发效率较低；系统阻力大，不用时燃机出力有影响。尽管如此，它在燃机上应用仍很普遍。图12湿膜介质式蒸发冷却器

图13克拉玛依电厂配套的蒸发冷却器

塔里木油田拥有各种燃气轮发电机组30台套。在时任塔里木油田总经理廖永远的大力支持下，塔里木油田公司与中船重工703所合作，研制成功了具有自主知识产权的“喷雾蒸发冷却器”，首批6台喷雾蒸发冷却器在轮南燃机电站已成功运行了12年。图14与SOLAR机组配套的喷雾蒸发冷却器3.3工作原理喷雾蒸发冷却器工作原理如下图所示。1--排污水2—液位控制阀3—排污阀4—给水泵5—调节阀6—放大器7—PLC控制8—喷嘴9—进气道10—气压计11—温度计12—前湿度计13—流量计14—后温度计15—后湿度计16—水雾分离器它的工作原理是：将一定技术要求的水经中压水泵4增压到2.5Mpa以上，由特制喷嘴8将水喷入进气道，雾化水在极短的时间(＜0.5S）内快速蒸发，将空气的显热转变成水蒸气的潜热，从而达到蒸发冷却的目的。喷水量由燃机进气量Qy、空气干球温度ta、空气相对湿度Ǿ1所决定，它受PLC控制。未被蒸发的水经过水雾分离器分离后回到水箱1。水的快速蒸发技术和水雾分离技术是该项技术的核心。它的最大特点是体积较小、蒸发效率高、使用寿命长、利于工程改造。3.4技术优势专家们曾对轮南一台喷雾蒸发冷却器进行过现场测试,测试结果如表2所示。测试表明:在新疆轮南地区，当ta=38.9℃，相对湿度=15.4%时，使用喷雾蒸发冷却技术，能使燃机进气温度降低20.1,℃功率净增20.84%,效率增加1.16～5.63%。效果十分显著。试验日期大气温度ta℃大气相对湿度φ1%喷水后进气温△t℃功率增加值（净）%效率增加值（净）%T5温度℃2000.08.0938.915.420.120.845.63683表2等温运行测试结果数据表3.5改造方案我们暂以孔雀河站PGT25+机组为例进行方案论证。

设计依据GE相关技术资料年最高气温40℃夏季相对湿度(平均)20%（左右）海拔1077.52m3.5.1运行参数分析图15是PGT25+燃机在某站进口温度40℃时的转速-功率-热耗曲线，图16是PCL802压缩机的特性曲线，表3是该站在各种设计工况下温度-输量-功率-热耗的理论计算值。图15PGT25+燃机转速-功率-热耗曲线（压气机进口温度40.℃）

图16PCL802压缩机特性曲线大气温度℃-505.010152025303540输出功率kW3293231364l2995328541272572603024859237402267221652热耗kJ/kWh86018754890690619219937995439709987810049排气温度℃495499505511518524531539548557从上述曲线和列表可以看到：对于PGT25+燃机，在满工况时，进气温度每升高10℃，其输出功率会下降10%左右，热耗上升3.5%左右；而且随着燃机负荷的降低，其热耗上升更快:当功率降至55%时，它的热耗上升至130%左右。

当燃机因海抜、温度等原因出力不够，又不得不开双机时,就会出现上图所示的极端情况。温度变化对燃机性能的影响，如下表所示：特别是在KQH-150S-W工况，由于燃机和压缩机的联合特性的限制，当输量为4433×104Nm3/d时，压缩机总功率为24MW，而燃机在40℃时输出功率为21.652MW，28℃时输出功率为24.4MW，考虑到效率折减等原因，所以只要环境温度高于28.3℃，就必须开双机，这时机组的负荷率仅44.1%，总效率26.57%。我们认为:在夏季高温时期，只要把燃机进气温度降至28℃以下,当日输量小于4433×104Nm3/d(184.72×104Nm3/y)，燃机仍有足够的功率输出，完全可以不开双机。这能大幅降低燃机的燃料消耗。即使是单机运行，也能提高燃机效率5%左右。如果将压缩机换成大机芯，节能效果将更好。5%10%l20%25%30%35%45℃19.3621.9424.3026.4628.4630.3232.0640℃17.0719.2521.2723.1524.9126.5628.1135℃14.7116.5318.2419.8621.3822.8224.2030℃12.2713.7815.2116.5717.8719.1220.3125℃9.7310.9512.1413.2714.3715.4216.4420℃7.058.049.009.9310.8411.7212.58从表4中可以看出，当大气温度为40℃，相对湿度为5～35%RH时，只要蒸发冷却器使空气相对湿度加湿到85%RH，空气的温度就能降至17.07～28.11℃，降温幅度为22.93～11.89℃。同时还看出，只要相对湿度低于25%RH,即使环境温度达到45℃，燃机进气温度也能降至28.46℃以下。而库尔勒地区夏季的相对湿度＜20%RH，这是西部地区采用该项技术的自然优势。表4不同干球温度和相对湿度下的蒸发冷却器出口温度值(Ǿ2=85%RH)喷雾蒸发冷却器工作时要消耗一定量的水。GE/PGT25+滿负荷时实际耗水量与干球温度--相对湿度和进气量有关,它们的关系曲线如图17所示。根据以上分析比较，我们认为在孔雀河燃压站采用蒸发冷却方案合理可行的。图17PGT25+燃机耗水量-温度-湿度的关系曲线3.5.2实施方案由于西气东输1设计时未给蒸发冷却器改造预留空间位置，这给改造带来一定的困难。但是，我们认为还是有办法进行改造:把空气过滤器四周沿立柱用双层隔热彩钢板隔离，在机组进气前侧增设1台喷雾蒸发冷却器，两侧装设钢制密封门，以有效地防止无组织的进风，如图18所示。在蒸发冷却器不投运时打开二侧密封门，利于脉冲自清式空气过滤器自动清灰。图18

进气系统改造及蒸发冷却器布置方案3.5.3经济效益预测以孔雀河站改造为例，总投资约400万元，效益在以下5个方面：

1)提高燃气轮机出力某机组价格约1355万美元，平均出力25000kW，考虑机组的其它建设费用，折算成单位功率造价约650美元/kW。应用蒸发冷却器，按平均提高功率18%计算，增加功率约4500KW，投入资金63.5万美元，折算成单位功率造价141.1美元/kW，单位功率造价不到新购机组单位功率造价的22%。

2)节约能源该项改造能使燃气轮机进气温度降低16.8～22.9℃（以最大相对湿度30%RH计），即燃气轮机出力能提高17～23%，这样可以避免夏季开双机，极大地降低燃料消耗，综合热效率能平均提高10%左右，节约天然气量1.0×104Nm3/d。目前极限情况是:在相同输量的情况下，夏季比冬季多耗气8～9×104Nm3/d。若将压缩机机芯换大，节能效果更好。即使不开双机，若单机消耗天然气10×104Nm3/d，夏季平均降温15℃，热效率提高5%，日节约天然气10×104Nm3/d×0.05=5000Nm3/d。若更换成大机芯，节能效果将更好。3)延长机组使用寿命降低了燃机的进口温度，也就直接降低了燃机的初温，而燃机的使用寿命主要由燃机初温的高低所决定。毫无疑问，采用喷雾蒸发冷却，能够有效地延长机组使用寿命。考虑到可以避免开双机，减少机组的运行小时，因此，每年节约约10万美元的机组大修费用。4)利于环保由于降低了进气温度，提高了相对湿度，燃机NOx排放能降低40％以上，即单台机组降低NOX排放约800Kg/d。若按国外以排污数量计价收费，则价格不裴，意义重大。很显然，这是一个典型的节能环保项目。即使不计环保收益，1～2年就可以收回全部投资。该项成果于2002年6月通过了中船重工的科技成果鉴定并获国家专利，专利号ZL00207392.7。该项技术被业内专家学者评为“处于国际领先水平”。

4采用联合循环技术4.1简述

目前，最为先进的30MW级燃气轮机简单循环热效率在40%～41％之间。如果将燃机500℃左右的排气后配余热锅炉，产生蒸汽驱动汽轮机组成的燃－蒸联合循环，综合热效率可以达到50％～55％，热效率提高10～15个百分点。若采用热电联供，热效率可达80%以上。

塔里木油田现有各种燃机24台，其中有12台是热—电—冷—动各种型式的联合循环，有的综合热效率达83%。

考虑到西气东输所有站场大都采用“2＋1”或“2＋0”配置，不少机组常年处于“大马拉小车”的运行状态，实际运行工况点大都不在设计的高效区内。若将蒸汽轮机驱动1～2台20～10MW左右的小压缩机，则运行方式更灵活，综合热效率会更高。

4.2燃－蒸联合循环方案

暂以玛纳斯站为例，1台燃机后配1台余热锅炉，2台余热锅炉配1台或2台蒸汽轮机。根据计算，在年平均温度时，单台燃气轮机排气余热可产生32.6t/h中温（450℃）中压（3.82MPa）过热蒸汽，2台余热锅炉产生的蒸汽(66t/h)，使汽轮机总出力为15800Kw。若增加补燃装置，补燃实耗天然气757Nm3/h，在年平均温度时，单台燃机可产生43t/h中温（450℃）中压（3.82MPa）过热蒸汽，2台余热锅炉产生的蒸汽（86t/h），使汽轮机出力达到21000KW。

这样可以配置一台20MW级或二台10MW级天然气压缩机，运行调节更为方便，节能更显著。序号名称单位无补燃方案补燃方案设计工况校核工况设计工况校核工况1环境温度℃6.639.66.639.62燃机燃料天然气天然气天然气天然气3燃机出口烟温℃4965324965324锅炉进口烟温℃493529565.4660.75燃机烟气重量流量t/h2