翟洪柱 蔡?hào)|升 尹佳旭 陶軍聯(lián)

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2107-5042-6133

摘? 要：該文以某品牌大功率燃?xì)廨啓C(jī)作為研究對象，建立了適用機(jī)組的性能評估計(jì)算模型，并應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場。通過采集運(yùn)行中機(jī)組的數(shù)據(jù)，生成運(yùn)行曲線與此曲線模型對比分析，通過自動(dòng)計(jì)算軟件，能夠自動(dòng)判斷出運(yùn)行中的機(jī)組性能是否下降，是否需要進(jìn)行洗車操作，有效地降低了機(jī)組因進(jìn)氣污染物造成的壓氣機(jī)效率損失，避免了長期運(yùn)行機(jī)組可能發(fā)生的喘振，對生產(chǎn)現(xiàn)場燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行維保有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C(jī)? ?壓氣機(jī)? ?性能評估? ?參考曲線

中圖分類號(hào)：TK471? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2021）09（a）-0031-04

Establishment and Application of Gas Turbine Performance Evaluation Calculation Model

ZHAI Hongzhu? CAI Dongsheng? YIN Jiaxu? TAO Junlian

（Tianjin Branch， CNOOC（China） Ltd.， Tianjin， 300459 China）

Abstract： this paper takes a brand of high-power gas turbine as the research object， a performance evaluation calculation model suitable for the unit is established and applied to the production site. By collecting the data of the unit in operation， the operation curve is generated. Through the automatic calculation software， it can automatically judge whether the performance of the unit in operation is degraded and whether the car washing operation is required， effectively reduce the compressor efficiency loss caused by the air inlet pollutants of the unit， avoid the possible surge of the unit in long-term operation， and have important guiding significance for the operation and maintenance of gas turbine on the production site.

Key Words： Gas turbine; Compressor; Performance evaluation; Reference curve

目前，燃?xì)廨啓C(jī)廣泛地應(yīng)用到航空、航海、電力、石油化工等各個(gè)領(lǐng)域[1]。燃?xì)廨啓C(jī)在運(yùn)行期間需要消耗大量空氣，其壓氣機(jī)的入口空氣質(zhì)量對運(yùn)行性能有重要影響。在壓氣機(jī)進(jìn)口之前，通常會(huì)設(shè)置多級過濾器來過濾空氣中的灰塵等微顆粒污染物，盡管如此，粒徑小于2 μm的微顆粒污染物依舊能夠進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)。因此，在生產(chǎn)現(xiàn)場我們需要根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行工況來判斷性能[2]，通過性能分析評估是否進(jìn)行洗車、進(jìn)氣濾器更換等[3]。國內(nèi)外學(xué)者對燃?xì)廨啓C(jī)水洗周期展開深入研究，RAO提出機(jī)組的在線和離線水洗周期應(yīng)該依據(jù)現(xiàn)場觀察的實(shí)際壓氣機(jī)機(jī)構(gòu)情況決定。顏學(xué)翔提出了采用壓氣機(jī)壓比作為燃?xì)廨啓C(jī)水洗周期判斷依據(jù)，在不同運(yùn)行工況下機(jī)組采用不同的水洗策略。通過仿真軟件對燃?xì)廨啓C(jī)在不同性能損失情況下討論了離線水洗的成本，得到最佳離線水洗周期。另外，對不同的壓氣機(jī)進(jìn)行不同頻率的水洗，得到了最佳的在線水洗方式。

該文以某品牌大功率燃?xì)廨啓C(jī)作為研究對象，采集了機(jī)組洗車完畢后的某些數(shù)據(jù)信息，建立了適用該機(jī)組的性能評估計(jì)算模型，根據(jù)曲線模型與機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析并應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場[4]。實(shí)踐表明，該性能評估計(jì)算模型能夠判斷出運(yùn)行中的機(jī)組是否需要進(jìn)行洗車操作，有效地降低了因進(jìn)氣污染物造成的壓氣機(jī)效率損失[5]，避免了長期運(yùn)行機(jī)組可能發(fā)生的喘振，保持了機(jī)組正常運(yùn)行的穩(wěn)定性[6]。

1? 性能評估計(jì)算模型的建立

1.1 性能評估計(jì)算模型建立目的

燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)中的透平做功有相當(dāng)大的部分用于壓氣機(jī)壓縮氣體，其余的才作為軸功驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，因此壓氣機(jī)的運(yùn)行效率對燃?xì)廨啓C(jī)具有重大影響。機(jī)組運(yùn)行過程中，需要消耗大量的空氣，由于大量的粉塵和顆粒存在于空氣中，經(jīng)過進(jìn)氣濾器后很容易在壓氣機(jī)葉片上形成沉積物。長期的污垢附著導(dǎo)致進(jìn)氣流量減少，壓氣機(jī)效率損失，嚴(yán)重的污垢甚至?xí)鸫瘛ｋS著沉積物逐漸增多，它們可能會(huì)剝落并導(dǎo)致冷卻通道堵塞。如果它們含有腐蝕性元素，則可能導(dǎo)致燃燒室和渦輪部分發(fā)生高溫腐蝕。此外，嚴(yán)重的壓氣機(jī)污垢會(huì)導(dǎo)致難以令人滿意的清洗效果。因此，根據(jù)需要經(jīng)常清洗壓氣機(jī)來保持壓氣機(jī)的清潔至關(guān)重要。通過建立性能評估計(jì)算模型，能夠有效地判斷出正在運(yùn)行中的機(jī)組是否需要進(jìn)行離線水洗，保障了機(jī)組長時(shí)間運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1.2 性能評估計(jì)算模型建立條件

當(dāng)機(jī)組性能下降時(shí)，主要是由于機(jī)組內(nèi)部長期運(yùn)行累積灰塵臟堵所致，壓氣機(jī)清洗的時(shí)間因現(xiàn)場而異?；谛阅鼙O(jiān)控、壓氣機(jī)進(jìn)口檢查以及對壓氣機(jī)因清洗而排出的液體進(jìn)行的目視檢查。沖洗結(jié)束后，排出的液體應(yīng)看起來清澈，且不應(yīng)起泡。機(jī)組性能下降主要表現(xiàn)為壓氣機(jī)流量降低了3%、多變效率降低了1.5%及無法解釋的振動(dòng)等。

1.3 性能評估計(jì)算模型建立原理

依據(jù)1.2建立條件，得到性能評估計(jì)算模型的建立原理，水洗基線基于燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)時(shí)取得的測量參數(shù)的讀數(shù)，即在徹底的離線清洗后立即測得的讀數(shù)。清潔壓氣機(jī)的基線可能在燃?xì)廨啓C(jī)的使用壽命內(nèi)因性能下降、部件更換以及壓氣機(jī)清洗無法去除的結(jié)垢而發(fā)生變化。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)化氣體發(fā)生器轉(zhuǎn)速高于9 900 rpm時(shí)，即在較低的環(huán)境空氣溫度下，效率監(jiān)測的準(zhǔn)確性較低，因此洗車參考曲線范圍僅考慮在小于9 900 rpm工況下?；€代表最近清洗的壓氣機(jī)，是進(jìn)行性能檢查以跟蹤壓氣機(jī)污垢和退化的參考。在機(jī)組啟動(dòng)運(yùn)行過程中，每4 MW負(fù)載獲取讀數(shù)，從10 MW到基本負(fù)載結(jié)束。在穩(wěn)態(tài)操作期間（同一負(fù)載保持在45 min不變）獲取讀數(shù)，在負(fù)載發(fā)生變化后，則在15 min后以同一負(fù)載獲得穩(wěn)態(tài)。在5～10 min內(nèi)對每個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行3次讀取，并根據(jù)平均值進(jìn)行計(jì)算。測量數(shù)據(jù)如下：

MC=壓氣機(jī)入口質(zhì)量流量（kg/s）

NGG*=標(biāo)準(zhǔn)化氣體發(fā)生器轉(zhuǎn)速（rpm）

P1=壓氣機(jī)入口壓力（bar）

T2=壓氣機(jī)入口溫度（°C）

對于MC、P1、和T2，使用3次測量的平均值，性能參數(shù)按以下公式計(jì)算：

（1）

δ=P1/1.013（2）

θ=（T2+273.15）/288.15（3）

公式（1）處MC向MC*換算的標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)為多次試驗(yàn)后的結(jié)果匯總分析所得，具有指導(dǎo)意義，但不作為唯一條件。

1.4 性能評估計(jì)算模型的建立

依據(jù)1.3性能評估計(jì)算模型的建立原理，進(jìn)行燃?xì)廨啓C(jī)性能評估計(jì)算模型的建立。現(xiàn)場某大型燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組洗車后，在穩(wěn)定運(yùn)行提高負(fù)載過程中，每4 MW負(fù)載獲取讀數(shù)，從10 MW到18 MW結(jié)束。在5～10 min內(nèi)對每個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行3次讀取，從10 MW開始穩(wěn)定計(jì)數(shù)，分別記錄了10 MW、14 MW和18 MW的相關(guān)數(shù)據(jù)，取三組數(shù)的平均值，具體情況見表1。

根據(jù)3個(gè)負(fù)載下轉(zhuǎn)速的平均值為基準(zhǔn)，具體見表2，得出燃?xì)廨啓C(jī)性能評估計(jì)算模型的橫縱坐標(biāo)值。

圖1為數(shù)據(jù)擬合之后的燃?xì)廨啓C(jī)性能評估計(jì)算模型，淺灰線（位置在上的曲線）為基準(zhǔn)曲線，深灰線（位置在下的曲線）為97%的基準(zhǔn)曲線。當(dāng)測量數(shù)據(jù)處于兩條曲線之間，則說明機(jī)組運(yùn)行正常;當(dāng)測量數(shù)據(jù)處于紅線之下（含深灰線），則提示機(jī)組需要進(jìn)行水洗操作。

2? 性能評估計(jì)算模型的應(yīng)用

2.1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

以下為根據(jù)1.4建立燃?xì)廨啓C(jī)性能評估計(jì)算模型后的應(yīng)用，將運(yùn)行一段時(shí)間的機(jī)組進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，記錄MC（kg/s）、T2（℃）、P1（bar）、MC*（kg/s）、NGG*（rpm）這5項(xiàng)數(shù)據(jù)。連續(xù)兩天不同時(shí)間段8次采集的數(shù)據(jù)具體見表3。

應(yīng)用1.4生成洗車參考曲線，從圖2中明顯看出，8個(gè)曲線點(diǎn)均在深灰線（位置在下的曲線）以下（含深灰線），可看出壓氣機(jī)流量已經(jīng)降低了3%。運(yùn)用性能評估計(jì)算模型對比后得出結(jié)論：需要立即進(jìn)行洗車操作。

2.2 對比分析

對已經(jīng)完成洗車操作后的機(jī)組進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，記錄MC（kg/s），T2（℃），P1（bar），MC*（kg/s），NGG*（rpm）這5項(xiàng)數(shù)據(jù)。連續(xù)兩天不同時(shí)間段8次采集的數(shù)據(jù)見表4。

應(yīng)用1.4生成的洗車參考曲線分析，從圖3中明顯看出，8個(gè)曲線點(diǎn)均在淺灰線和深灰線之間，且離淺灰線（位置在上面的曲線）更近，可看出機(jī)組在進(jìn)行洗車操作后，壓氣機(jī)的流量有了顯著提高，機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)變得更加穩(wěn)定良好。

3? 結(jié)語

以某大功率燃?xì)廨啓C(jī)作為研究對象，建立燃?xì)廨啓C(jī)性能評估計(jì)算模型。現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)踐表明，該燃?xì)廨啓C(jī)性能評估計(jì)算模型能夠判斷出運(yùn)行中的機(jī)組是否需要進(jìn)行洗車操作，有效地降低了運(yùn)行中的機(jī)組因進(jìn)氣污染物造成的壓氣機(jī)效率損失，避免了長期運(yùn)行機(jī)組可能發(fā)生的喘振，保證了機(jī)組正常運(yùn)行的穩(wěn)定性，對生產(chǎn)現(xiàn)場燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行維保有重要的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉帥，劉玉春.重型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].電站系統(tǒng)工程，2018，34（5）：61-63.

[2] 孫樹民，顧煜炯，王仲.燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)垢評價(jià)與離線水洗決策研究[J].自動(dòng)化儀表，2020，41（11）：89-92.

[3] srl pignone N.Patent Issued for Integrated Washing System For Gas Turbine Engine （USPTO 10，697，319）[J].Journal of Engineering，2020（7）：13-15.

[4] 姜偉強(qiáng)，孔令海，唐威武，等.水洗對燃?xì)馔钙叫视绊憸\析[J].中國石油石化，2017（4）：12-14.

[5] 王云會(huì).燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行中在線水洗及其效果分析[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017（10）：74-76.

[6] OBEID F，VAN T C，HORCHLER E J，et al.Engine Performance and Emissions of High Nitrogen-Containing Fuels[J].Fuel，2020，264（15）：116805.