微型燃气轮机技术进展及其在海洋石油工程的应用展望

赵 雷

（中国海洋石油总公司，北京 100010）

微型燃气轮机技术进展及其在海洋石油工程的应用展望

赵 雷

（中国海洋石油总公司，北京 100010）

微型燃气轮机是一种新的发动机，功率覆盖在 30kW～300kW 或更小，随着全球范围内能源与动力需求结构以及节能环保要求提高的变化，微型燃气轮机越来越引起人们的关注。本文介绍了国际上先进的微型燃气轮机的技术进展，同时结合海洋石油工程，讨论了海上石油工程中无人驻守平台应用微型燃气轮机的可行性、必要性及其广阔的应用前景。

微型燃气轮机；海洋石油工程；无人驻守平台

0 引言

燃气轮机是一种先进且复杂的成套动力机械装备，它以连续流动的气体作为工质、把热能转换为机械功，具有质量轻、高效率、结构紧凑及灵活机动等优点，自19世纪40年代问世以来，显示出了极强生命力，经几十年发展技术逐步趋于完善，并得到广泛应用。它一方面向大功率发展：如其单机功率由最初的几千千瓦发展到了百万千瓦；另一方面也在向其他方面发展：如设备小型化、燃料的多元化、热电联产高效化、网络智能化、节能环保等。其中微型燃气轮机就属于一类新型的发动机，功率覆盖在 30kW～300kW或更小，其最具代表性的应用是热电联产机组，具有很高经济性和能满足较高的节能环保要求。在1998年底美国能源部门举行了以微型燃气轮机为主题的技术峰会，着重讨论了其技术发展趋势及市场开发推广等内容，预测其市场前景广阔，且竞争将会激烈，能影响未来电力市场供应结构，其廉价高效环保的特点将使其越来越受到更多国家的关注[1]。

1 微型燃气轮机发电机组简介

微型燃气轮机基本与大型燃气轮机相似，主要也由透平、压气机、燃烧室、控制系统及配套发电机等构成。工作原理是高压空气经压气机压缩，在回热器经与透平尾气的换热，然后进入燃烧室与燃料混合、燃烧。多数微燃机直接驱动内置式的高速发电机，压气机、透平与发电机同轴，转子设置为空气轴承上的浮动运行，转速能到达5至12万r/min，发出的高频交流电先转换成高压直流电，再变换为 50(60)Hz、400(480)V交流电，其运行原理请参见图1。

图1 微型燃气轮机运行原理

微型燃气轮机多以天然气、甲烷、柴油等作为燃料，进气压力约在350Kpa (50psig)～380Kpa(55psig)之间，最高一般不超过690Kpa(100psig)，最高进气温度一般为50℃左右。它一般为电池启动。燃料气系统采用数控比例调节阀进行调节，主要组成部分有：电磁切断阀、比例调节阀和保护过滤器。燃料气流量大小由比例调节阀阀位调节，保护过滤器能起到防止杂质对系统部件的破坏作用，结合海洋石油环境恶劣的提点，建议在海上平台使用时在微型燃气轮机外另外安装一个主过滤器。

微型燃气轮机的运动部件相对较少，结构紧凑、简易，所以可靠性好、制造成本与维护费用相对较低。国际上通用的制造指标一般为：

1）运动部分原件寿命要大于等于4万小时；

2）热耗为12000 Btu/kWh～16000Btu/kWh(12660kJ/kwh ～6880kJ/kwh)；

3）污染物NOX等的排放小于9ppm；

4）安装与维护要简单、费用要低廉。

5）与传统柴油发电机组相比，微型燃气轮机有很多先进的技术优点：

6）运动部件少，结构紧凑、简易；质量轻，一般为传统同功率机组的1/4；

7）可使用多种燃料，如沼气等，特别是使用天然气时燃料消耗率、排放率非常低；

8）振动小，噪音低，长寿命，运行费用低；

9）设计相对简单，备品备件少，成本低；

10）转速调节方便，故在非经济负荷运转时效率也非常高；

11）可实现远程遥控、诊断；可实现多台并联增容。

2 微型燃气轮机开发与应用情况

据相关资料统计，全球的微型燃气轮机厂家约50多家，主要分布在北美和欧洲地区。国家以美国、英国、瑞典为主，知名企业有 Capstone公司、Bowman公司和Ingersoll-Rand公司等，在表1中列举了有代表性公司微型燃气轮机的主要技术参数。

表1 有代表性微型燃气轮机主要技术参数

2.1 美国Capstone公司

美国加州的Capstone公司90年代初进行微型燃气轮机发电机元件研发，1994年研制出了24kW样机，约两年后生产了几十台进行现场试验。样机为单轴、空气轴承，转速约 96000r/min。整个机组用圆柱形排气壳包覆，距离10m外噪音能达到60分贝以下。在以天然气为主燃料时，氧化氮排放能低至9ppm，一氧化碳为25ppm，外形请见图2。几年后进行了30kW样机现场试验，内部结构请参见图 3。此后又逐步推出了60kW 发电机组及 45kW 车用机组等，目前已发展到125kW～250kW 规格机组。据记载，欧洲北海某油田的无人平台上C30为主电站运行良好，一般在8000左右更换空气/天然气滤器。

图2 Captsone微型燃气轮机24kW机组外形图(图片出自：www.capstoneturbine.com)

图3 Captsone公司C30微型燃气轮机内部结构示意图(图片出自：www.capstoneturbine.com)

2.2 英国Bowman公司

1994年成立的英国Bowman公司位于南安普顿，专门从事微型燃气轮机发电机研发，设计和制造了高速发电机与调节控制系统。几年以后逐步投放了45、60、80(内部结构参见图4)和200kW机组，下一步将研发500kW机组。

图4 宝曼微型燃气轮机Bowman TG80结构图（图片出自：www.bowmanpower.com）

Bowman公司微燃机采用了无人职守智能化自动控制技术，可实现自动跟踪调节频率，安全运行可靠性高。其中，如选用配置回热器，可实现发电效率为25%～28%，排烟温度能达到300℃以下，热电综合效率能到到75%。不使用回热器时发电效率约14%%～16%，排烟温度为600℃左右。宝曼公司将回热器增加自动调节功能，以控制空气回热交换量适应热量需求的变化的特殊设计，改进了尾气利用，提高了效率，其开发的机组已实现单独运行，多台并联联合运行[2]。

3 微型燃气轮机在海洋平台上应用可行性

我国海域辽阔，沿海大陆架的石油资源中边际油田占了相当部分比重。由于无人驻守平台具有结构简单、建造安装周期短、造价低、操作维修工作量少等特点，降低了初期投资及操作费，被证明是一种经济、高效开发边际油气田的主要模式之一[3]。

在近期几个油气田上应用的无人驻守平台，由于需要解决电负荷和加热负荷等问题，在进行方案研究时大多选用海底复合电缆给无人驻守平台输送电能，并且在无人平台上应用电加热器来防止水化物生成，这样的方案大大增加了油田开发成本。而根据实际电、热负荷选取微型燃气轮机为主电站的无人平台电站方案为高效、低成本开发边际油气田给出了有益探讨。

下面以某中海油海上油田开发应用 Bowman TG80机型为例论述方案可行性。

某无人平台离综合平台7km，电能从综合平台向该无人平台供电，其中无人平台最大工况的电负荷为460kW。该平台为单层甲板，甲板上放置三台电加热器(防止水化物生成，负荷分别为80、80、160kW)、多路阀、电驱动吊机等设备，平台不设消防泵和应急机。

若在该平台上应用Bowman TG80(透平生产水为80℃，其输出热量随回热器关闭程度不同在 155kW～425kW变动)方案可更改如下：

将电加热器更换为换热器，电驱动吊机改为柴油驱动吊机，此方案的电负荷大约为124kW(其中包括电伴热负荷80kW和照明24kW)，那么可在平台上设置3台Bowman TG80透平(2用1备)，取消海底复合电缆。

3台Bowman TG80微型燃气轮机采办、安装、调试服务费用为40万～50万美元，而海底复合电缆的费用在200万美元左右，不考虑电加热器改为换热器(一般电加热器采用进口，而管壳式换热器国产)、海底电缆导致两个平台增加的变压器等输配电设备、保险费等相关费用，工程费将降低至少 150万美元。从连续安全操作上，对于高压多相流加热，管壳式换热器要比电加热器安全得多。并且机组可实现稳定的远程遥控，维护、保养工作量小，能减少登平台次数等。

综上，此油田开发的电站方案比选中，微型燃气轮机方案与常规通过有人平台通过海底复合电缆给无人平台供电的方案相比，无论是从济性还是操作维护工作量等多方面比较，都有很好的优势。

4 结论

经过近些年的技术发展、现场实际验证考验等，微型燃气轮机中的回热器技术方面有了新的突破，回热度能达到 90%以上。另外，常规板翅式回热器上出现的疲劳问题也已基本克服，初始投资成本和全生命周期成本等都越来越具有竞争力。

简易无人平台机械设备包括电站选型中，应尽量选用安全性、稳定性、可靠性高的产品，以降低维护、保养工作量，减少登平台次数；应用中要严格遵守《海上固定平台安全规则》通用机械设备等章节相关规定。要使微型燃气轮机在海上无人平台上得到成功应用，它必须在发电质量、可靠性、可用度、环境可接受性、经济性等方面完全满足平台的要求[4]。

总之，随微型燃气轮机逐步在海上，尤其更多在陆地各类工程上有了大量工程应用业绩，已具备在海洋石油工程尤其是无人驻守平台上应用推广的可行性，具有较广阔的应用前景。

[1] 张文普, 丰镇平. 燃气轮机技术的发展与应用[J].燃气轮机技术, 2002, 15(3): 65-69.

[3] 中华人民共和国经济贸易委员会, 海上固定平台安全规则, 2000年9月.

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

江南造船3万立方米LNG船命名

近日，江南造船（集团）有限责任公司建造的国内首艘3万立方米液化天然气（LNG）船正式命名。该船总长184.7米，型宽28.1米，总吨位为25041吨，设计服务航速为16.5节，航行于无限航区，采用DFDE（双燃料电力推进系统）推进方式，并配有艏侧推，配备两台360°全回转推进器和三台双燃料发电机，拥有四个C型双叶独立液货舱，货物围护系统设计温度为-164℃，主要用于国内LNG二程转运和调峰，兼顾国际间LNG短程运输。该船为环境友好型新型船舶，双燃料设计能够有效减少环境污染，降低燃料损耗。该船型完全满足中国船级社（CCS）Green ShipⅠ船级标准，投入使用后将为我国大力推广LNG清洁能源在交通运输领域的广泛应用起到良好的示范作用。

（余俊伟）

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

赵雷（1980-），男，工程师，硕士学位。研究方向为化工过程机械专业。