长输天然气管道燃机热耗率计算与校正方法研究

常海军 吴长春 张晓瑞

摘 要：以天然气为燃料的燃机作为压缩机驱动源在长输天然气管道行业中普遍使用，特别是性价比较高的航改型燃机。燃机的效能作为天然气管道优化运行的重要指标之一受到普遍关注，掌握燃机组在实际运行中的性能对天然气管道运行人员，特别是运行方案制定人员至关重要。针对长输天然气管道的燃机效能最重要指标--热耗率的计算与校正的一整套方法进行阐述和研究，并与厂家提供的效能图和实际运行数据进行了比较，证明该方法能使燃机的主要效能参数误差控制在5%以内，满足了实际生产人员和优化仿真人员的工作需要。

关 键 词：输气管道；燃机；热耗率；最优转速；校正

中图分类号：TE 832 文献标识码： A 文章编号： 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

对于社会条件依托差、埋设于偏远地区的长输天然气管道，由于沿线缺少稳定的供电系统，燃气机组则是长输天然气管道的动力源的必然选择，以土库曼斯坦-乌兹别克斯坦-哈萨克斯坦-中国天然气管道为例，全线8座压气站均配备航改型燃驱离心压缩机组。该管道设计输量300亿m3/a，设计压力9.81 MPa，管径1 067 mm，设计输量条件下，全线总自耗气占总输量比例2.8%～3%，为使保证管道安全、高效运行，掌握压气站场燃气机组的主要效能参数十分必要。燃机厂家常常通过性能曲线图的形式提供燃机效能参数，在实际生产中，仅参考这些性能曲线图，运行人员特别是仿真优化人员很难分析燃机实际运行效能状态。现场燃机组配套的控制系统人机画面主要显示保障燃机运行安全控制相关参数，如温度、压力、压差、转速等，缺少燃机的关键效能指标，如热耗率、功率、最大功率等。燃机厂家通常以特性曲线图的形式给出燃机的热耗率特性。为利用计算机进行仿真计算，需要将特性曲线图数据化，然后建立相应的数学模型。另外，由于机组老化、测试条件不准确等多种原因，厂家提供的燃机性能曲线常常与机组实际性能有所差别。为准确计算燃机的关键效能指标，本文重点研究燃机热耗率计算模型与相应的校正方法。

1 燃机热耗率计算方法

1.1 燃机热耗率计算模型

燃机热耗率受多种因素影响，包括燃气输出功率、输出轴转速、大气温度、大气压力、进气压降、排气压降等等。在本文所介绍的燃驱机组热耗率模型[1-3]中，首先利用式（1）表示燃机输出功率、大气温度两个因素对燃机热耗率的影响。其中：HRsl表示水平海拔下不考虑进气损失条件下的燃机热耗率，kJ·kW-1·h-1；HPsl表示水平海拔下不考虑进气损失条件下的燃气输出功率，kW；Tamb表示大气温度，℃；H、I、J、K、M表示方程系数；

利用式（2）～（5）计算式（1）的方程系数。首先利用式（2）拟合恒定大气温度Tamb对应的热耗率，从而计算方程系数H，I，J。通常，厂家会提供多个大气温度下的热耗率特性数据，Tmed为接近这些温度平均值的大气温度，但不必完全相等。利用式（3）拟合恒定功率对应的热耗率，并根据式（4）～（5）计算方程系数K，M。

利用式（6）-式（10）回归燃机最优转速特性，其燃机最优转速-Nptopt定义为燃机输出功率一定时最低热耗率所对应的输出透平转速，如图 1所示。

进行燃机仿真时，需要联立求解式（1）、式（6）与式（11）-式（15）：

其中：HPsite – 燃机实际输出功率，kW；Fcd – 污染恶化系数，[0， 0.15]；ηgear – 传动效率；%inPΔ – 进气压降/标准大气压；%exPΔ – 排气压降/标准大气压；ηsite – 燃机实际效率；h – 海拔，m；在联立求解时，可以假设Nptopt = Npt，通过迭代即可收敛。

1.2 燃机热耗率模型改进

使用燃机厂家提供的热耗率特性曲线图测试上述仿真模型。燃机热耗率仿真误差见图 2，热耗率仿真结果大部分要低于实际值。最优转速见图 3，最优转速仿真相对于实际值差别较大。

为降低最优转速与热耗率计算误差，针对不同大气温度分别回归式（1）与式（6）方程系数，并根据具体仿真算例的大气温度选择不同系数。模型改进后，最优转速与热耗率误差分别见图4与图5，改进效果较好。

2 燃机热耗率特性曲线校正

由于机组老化、测试条件不准确等多种原因，厂家提供的性能曲线常常与机组实际性能有所差别。燃机热耗率特性准确与否直接影响到自耗气的计算精度，进而影响管道运行计划的制定、管道优化运行等工作。为此，实际生产中有必要对燃机的热耗率特性曲线进行校正。

2.1 校正方法

在上述燃机热耗率模型中引热耗率校正量HRre、最优转速校正量Nptoptre、污染恶化系数Fcd，共3个变量，将燃机热耗率计算值与实际值之间的差别最小化作为目标函数，添加校正量后的燃机特性曲线如式（16）与式（17）所示。

以Fcd、HRre、Nptoptre为自变量，求解以式（18）为目标函数的优化问题。其中N为数据点数目，fuleact为实际自耗气量，fuelsimu为通过仿真计算得到的燃机自耗气量，如式（19）所示。其中LHV为燃料低热值，kJ/m3；η为燃机效率，计算方法见式（20）。

所求解的优化问题属于有范围约束的连续优化问题，使用快速自适应差分进化算法[4，5]可求得最优解。文本不再详细叙述算法流程。

2.2 校正方法验证

基于中亚天然气管道运行数据，分别选用GE PGT25+SAC机型与RR RB211-G62DLE机型测试校正方法。在进行燃机特性曲线校正测试前，先完成离心压缩机特性曲线校正[6]，并使用校正后的特性曲线作为离心压缩机仿真。

进行GE PGT25+SAC机型燃机特性曲线校正的数据共112组。首先校正压缩机压头、效率特性曲线[6]，校正后，燃机自耗气误差如图 6所示，计算值相比实际值偏小，需要进行校正。

采用上述方法对燃机特性曲线进行校正。相关文献介绍燃机在大修时输出功率约下降5%～15%，效率约下降2.5%～7.5%，但实际燃驱机组由于定期保养等因素，其燃机输出功率与效率下降量极少会达到该值，在计算校正量时设定污染恶化系数取值范围为[0， 0.075]，经测试这一上限能够取得很好的校正效果。同时，为保持机组特性曲线经校正后尽可能少地偏离原曲线，设定转速校正量Nptoptre取值范围为[-0.05Smax， 0.05Smax]，Smax为机组最高转速，热耗率校正量HRre取值范围为[-0.05HRmax， 0.05HRmax]。经优化计算后，校正量取值为Fcd = 0.075，Nptoptre = -299，HRre = 372.4。校正后的自耗气量误差统计见图 7，大多数算例误差在-5%～5%之间，说明校正效果很好。

类似地，对RR RB211-G62DLE机型热耗率特性进行校正，通过计算得到的校正量为Fcd = 0.054，Nptoptre = -197.5，HRre = -539.9。对于绝大多数算例，能够控制在-5%～5%以内。

3 结束语

本文介绍并改进了国外学者提出的燃机热耗率仿真模型，经过改进后，降低了该模型的计算误差。本文还提出了一套燃机热耗率特性曲线的校正方法，并利用两台燃驱离心式压缩机组实际运行数据进行了测试。校正后，燃机自耗气计算误差能够控制在-5%～5%以内。这一整套燃机热耗率仿真与校正方法极大地方便了天然气管道运行控制人员和模拟仿真人员的工作，利用该套方法使运行人员能够对燃气机组和管道运行数据深入分析和研究。

参考文献：

[1]Odom F M， Muster G L. Tutorial on modeling of gas turbine driven centrifugal compressors[C].PSIG Annual Meeting. Pipeline Simulation Interest Group， 2009.

[2]de Marco F C G， Elias G P. Fuel Consumption Model On Natural Gas Compression Stations Driven By Two-Shaft Gas Turbine[C].PSIG Annual Meeting. Pipeline Simulation Interest Group， 2011.

[3]Brown R， Rahman K. Turbine/Compressor performance monitoring software and flow capacity[C].PSIG Annual Meeting. Pipeline Simulation Interest Group， 2002.

[4]王凌， 钱斌. 混合差分进化与调度算法[M]. 北京：清华大学出版社， 2012： 1-3.

[5]吴亮红， 王耀南， 袁小芳， 等. 基于快速自适应差分进化算法的电力系统经济负荷分配 [J]. 控制与决策， 2013， 28（4）： 557-562.

[6]Haijun Chang， Changchun WU， et al. Oil & Gas Journal [J]. Corrected maps narrow compressor performance prediction range， 2015， 113（1）：72-79.