海上采油平台透平主机回热循环加余热回收效率优化方法与流程

本发明涉及海上采油能量回收领域，特别涉及一种海上采油平台透平主机的控制系统的优化方法，具体是监测其工作效率并进行微控的方法。

背景技术：

燃气轮机(透平)发电机组功率大、体积小、效率高、排放气体污染小等优势越来越受到大家的关注。在海洋采油设施上，海上采油气平台和大型浮动生产、储存卸货油轮即fpso等，由于其远离陆地，所采用的电力系统，具有它的独立性和特殊性。一般要求海上平台电力系统所选用发电机，调压动作时间短、调节速度快，发电机要有较强励磁能力和过载能力。透平主机发电机组完全符合这些特征，同时具有效率高、启动快、运转平稳等特点。

由于透平主机的排烟温度高达400～600℃，为了充分利用这些废热，可加装透平主机发电机组废热回收装置。所谓“废热回收装置就是在透平主机发电机组排气烟道上加装一套热交换器。即“废气锅炉”与一套“燃油燃气锅炉”组合成一套热油(介质)锅炉。被加热的介质经“废气锅炉”和“燃油燃气锅炉”串联加热。这套装置的排烟出口温度可降到200～300℃。充分和利用了废热，不仅节约了能源，减少了大气污染，同时间接地降低了透平主机使用的成本。

与简单开式brayton联产循环所有所区别的是，我们在回热循环中增加了回热器。经压气机加压之后的空气先进入回热器中，与来自透平的高温排气进行热交换，提高空气温度。经过初步加热的压缩空气进入燃烧室，提高燃烧效率，与燃料混合、燃烧之后，吸收燃料燃烧所放出的热能，使其温度进一步升高。高温烟气进入透平膨胀做功，对外输出电能，一般来说，海上透平主机的排气经回热器释放热能后直接排入大气，实现热电联产循环。

技术实现要素：

布雷顿循环(braytoncycle)是一种定压加热理想循环，亦称焦耳循环或气体制冷机循环。是以气体为工质的制冷循环，其工作过程包括等熵压缩、等压冷却、等熵膨胀及等压吸热四个过程，这与蒸汽压缩式制冷机的四个工作过程相近，两者的区别在于工质在布雷顿循环中不发生集态改变。本申请对几种热力学系统进行了分析，选用了简单开式braytoncycle对余热回收进行分析和优化，将采油平台上透平主机作为brayton系统中的一个关键设备考虑。

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种海上采油平台透平主机回热循环加余热回收效率优化方法，可根据透平主机负荷的变化而调整余热回收设备的工作效率，使余热利用率最大化。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

本发明所提供的海上采油平台透平主机回热循环加余热回收效率优化方法，包括以下步骤：

步骤s1)根据透平主机压气机进出口压力、进出口温度、烟气比热比确定透平主机的压比参数θc和膨胀比参数θd；

步骤s2)根据透平主机压力、燃烧室燃烧过程后的压力和燃烧后的烟气比热比确定透平主机的燃烧过程压力保持系数ρcom、热回收过程压力保持系数ρr、空气侧压力保持系数ρrk和烟气侧压力保持系数ρry，再根据步骤s1所得膨胀比参数θd得出压比参数θc和膨胀比参数θd之间的关系；

步骤s3)根据透平主机压气机实际出口温度、不可逆损失后的出口温度、环境温度确定透平主机效率ηc、膨胀效率ηd、回热循环的热损失ηh和排烟温度系数αp；

步骤s4)根据步骤s1～s3所得参数θc、θd、ηc、ηd、ρcom、ρr、ρrk、ρry、ηh和αp确定透平主机各出口工质状态点状态参数；

步骤s5)根据步骤s1～s4所得各参数确定透平主机不同负荷下余热回收系统的效率ε，调整压比参数与温比参数从而间接保持余热回收系统的效率ε为最高值；

步骤s6)。

优选地，步骤s5调整压比参数与温比参数前，通过选取不同负荷下效率ε的极值确定透平主机的压比参数θc，以压比参数θc和透平主机的透平主机温度控制透平主机的压气机压力，进而间接保持余热回收系统的效率ε为最高值。

优选地，步骤s1中透平主机的压比参数θc和膨胀比参数θd通过公式1和公式2确定：

θc＝t2'/t1＝(p2/p1)^(γ-1)/γ(1)

θd＝t4/t5'＝(p4/p5)^(γ-1)/γ(2)

式中，γ为烟气比热比，p1为透平主机运行时状态点1的压力，p2为透平主机运行时状态点2的压力，t1为有余热回收时状态点1的烟气温度，t2’为有余热回收时状态点2’的烟气温度，p4为透平主机状态点4压力，p5为透平主机状态点5压力，t4为状态点4温度，t5’为状态点5’温度。

优选地，步骤s2中确定透平主机的燃烧过程压力保持系数ρcom、热回收过程压力保持系数ρr、空气侧压力保持系数ρrk和烟气侧压力保持系数ρry通过公式3～6确定：

ρcom＝(p4/p3)^(γ-1)/γ(3)

ρr＝(p5/p4)^(γ-1)/γ(4)

ρrk＝(p3/p2)^(γ-1)/γ(5)

ρry＝(p6/p5)^(γ-1)/γ(6)

式中，ρcom为燃烧过程的压力保持系数，ρr为热回收过程的压力保持系数，ρrk为空气侧的压力保持系数，ρry为烟气侧的压力保持系数，γ为烟气比热比，p2为透平主机运行时状态点2的压力，p3为透平主机状态点3压力，p4为透平主机状态点4压力，p5为透平主机状态点5压力，p6为透平主机运行时状态点6的压力。

优选地，步骤s2中压比参数θc和膨胀比参数θd之间的关系如公式7所示：

θd＝θcρrρcomρrkρry(7)。

优选地，步骤s3中透平主机效率ηc、膨胀效率ηd、回热循环的热损失ηh和排烟温度系数αp通过公式8～11确定：

ηc＝(t2'-t1)/(t2-t1)(8)

ηd＝(t4-t5)/(t4-t5')(9)

t3-t2＝ηh(t5-t6)(10)

αp＝t6/t1(11)

式中，t1为有余热回收时状态点1的烟气温度，t2’为有余热回收时状态点2’的烟气温度，t2为状态点2的温度，t4为状态点4温度，t5为余热锅炉排放温度，t5’为状态点5’温度，t6为主机回热循环后的排烟温度。

优选地，步骤s4为根据步骤s1～s3所得参数θc、θd、ηc、ηd、ρcom、ρr、ρrk、ρry、ηh和αp，通过公式12～式27确定透平主机各出口工质状态点的燃烧温度t、烟气比容v和压力p；

1点：

p1

v1

t1

2点：

p2＝(θcρrk)^γ/(γ-1)p1(12)

v2＝[1+(θc-1)/ηc](θc)^-γ/(γ-1)v1(13)

t2＝[1+(θc-1)/ηc]t1(14)

3点：

p3＝(ρcomθc)^γ/(γ-1)p1(15)

v3(16)

t3＝((1+(θc-1)/ηc)-αpηh+ηhα(1-ηd(1-1/(θcρcomρrρrkρry))))t1(17)

4点：

p4＝(θcρrρrkρcom)^γ/(γ-1)p1(18)

v4＝α(ρrkρcomθc)^-γ/(γ-1)v1(19)

t4＝αt1(20)

5点：

p5＝(ρrρry)^-γ/(γ-1)p1(21)

v5＝α(ρrρry)^γ/(γ-1)(1-ηd(1-1/(θcρcomρrρryρrk)))v1(22)

t5＝α(1-ηd(1-1/(θcρcomρrρrkρry)))t1(23)

6点：

p6＝(ρr)^-γ/(γ-1)p1(24)

v6(25)

t6＝αpt1(26)

7点：

p7＝p1

v7

t7

式中，p1～p7为带回热循环的透平主机状态点1～7点压力，v1～v7为透平主机状态点1～7的烟气比容，t1～t3为透平主机1～3点温度，t4为透平主机排烟温度，t5为余热锅炉排放温度，t6～t7为回热循环后透平主机状态点6～7烟气温度。

优选地，步骤s4中根据步骤s1～s3所得各参数代入公式28～式30确定燃料e、输出电功率ep：

ep＝qmcpηg[(t4-t3)-(t6-t1)](28)

将式27～式29代入公式求得余热回收系统的效率ε：

式中，e为燃料qm为烟气质量流量，cp为烟气的定压比热容，ηg为发电机的效率。

优选地，步骤s5余热回收系统的效率ε和与压比参数和温比参数的换算关系得出其关系图，通过透平主机的自动控制系统计算得出维持余热回收系统的效率ε为最高值时透平主机所需压气机状态点2出口的压力。

与现有技术相比，本发明提供的海上采油平台透平主机余热回收优化方法，对于海上采油平台透平主机进行余热回收过程时，通过计算系统的效率，从而得出透平主机余热回收时系统效率与压比参数及温比参数之间的关系，进而对透平主机余热回收时各状态点进行压力控制，通过观察各状态点的参数，对其压力进行控制，从而使透平主机余热回收时系统效率最高。

附图说明

图1为本发明实施例提供的透平主机余热回收采用的不可逆简单开式brayton联产循环温熵图；

图2为海上透平主机回热循环t-s图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

实施例海上采油平台透平主机回热循环余热回收效率优化

该优化方法步骤具体如下：

步骤1：定义压比参数θc和膨胀比参数θd

在不可逆热电联产循环中，循环的压缩比和活塞的膨胀比是相同的，但是由于不可逆损失的存在，因此定义压气机的压比参数θc和膨胀比参数θd：

θc＝t2'/t1＝(p2/p1)^(γ-1)/γ(1)

θd＝t4/t5'＝(p4/p5)^(γ-1)/γ(2)

式中，γ为烟气比热比，γ＝cp/cv，cp为烟气的定压比热容，本实施例中cp＝1.004kj/(kg·k)，cv为定容比热容，本实施例中cv＝0.718kj/(kg·k)，故γ＝1.4；p1为透平主机运行时状态点1的压力，现场实时测量1个大气压(1bar)，p2为透平主机运行时状态点2的压力，通过主机测试得p2为10.8bar，然后求得压比参数θc为1.97。t1为有主机运行时状态点1的空气温度，现场实时测量，本实施例中t1具体为35℃，t2’为有余热回收时状态点2’的烟气温度，为理论值，不考虑不可逆参数时的值可通过公式1求得608k(335℃)；p4为透平主机状态点4压力，通过式18计算得p4为9.32bar，p5为透平主机状态点5压力，通过式21计算得p5为1bar，t4为状态点4温度，通过式20计算得t4为1257k，t5’为状态点5’温度，通过式2和7计算得t5’为679k(先通过公式7求得θc为1.85)。

步骤2：定义压力保持系数ρcom、ρr、ρrk和ρry

为表征燃烧过程与热回收过程的流动性损失，分别定义燃烧过程和热回收过程的压力保持系数ρcom和ρr，如式3和式4所示：

ρcom＝(p4/p3)^(γ-1)/γ(3)

ρr＝(p5/p4)^(γ-1)/γ(4)

式中，ρcom为燃烧过程的压力保持系数，ρr为热回收过程的压力保持系数(如果没有余热回收，则ρr＝1)，p3为透平主机状态点3压力，通过式15计算得p3为9.99bar；ρcom＝0.98，ρr＝0.98。

在回热开式brayton联产循环中，由于增加了回热器，在空气侧和烟气侧分别增加一流动阻力，为表示这两个流动阻力，这里定义两个压力保持参数为：

ρrk＝(p3/p2)^(γ-1)/γ(5)

ρry＝(p6/p5)^(γ-1)/γ(6)

式中，ρrk为空气侧的压力保持系数，ρry为烟气侧的压力保持系数，p6为透平主机运行时(373℃)状态点6的压力，通过式24计算得p6为1bar。

由此可得步骤1中压比参数和膨胀比参数之间的关系：

θd＝θcρrρcomρrkρry(7)

步骤3-1：定义压气机效率ηc和膨胀效率ηd

为了表征压气机、膨胀和的不可逆损失，以式8、式9定义压气机效率ηc、膨胀效率ηd：

ηc＝(t2'-t1)/(t2-t1)(8)

ηd＝(t4-t5)/(t4-t5')(9)

式中，t2为状态点2的温度，通过式14计算得温度t2为683k；t5为余热锅炉排放温度(一般设定余热锅炉排放温度为520℃)；将上述温度值代入公式8、9可得ηd＝0.8，ηc＝0.8。

步骤3-2：回热循环过程中的回热循环的热损失ηh和排烟温度系数αp

回热循环过程中，假定烟气量与空气量的质量流量相等，考虑回热循环的热损失ηh，得出公式10：

t3-t2＝ηh(t5-t6)(10)

式中，t5为状态点5温度，通过测量得t5为520℃，t6为现场实时测量主机回热循环后的排烟温度，具体为373℃。

取回热循环后的排烟温度系数为αp：

αp＝t6/t1(11)

步骤4：确定braytoncycle各状态点状态参数

定义温比参数α＝t4/t1，根据上述步骤所得参数θc、θd、ηc、ηd、ρcom、ρr、ρrk、ρry、ηh和αp，通过式12～式27确定透平主机各状态点的燃烧温度t、烟气比容v和压力p，使系统效率达到最高值；

1点(现场测定)：

p1

v1

t1

2点：

p2＝(θcρrk)^γ/(γ-1)p1(12)

v2＝[1+(θc-1)/ηc](θc)^-γ/(γ-1)v1(13)

t2＝[1+(θc-1)/ηc]t1(14)

3点：

p3＝(ρcomθc)^γ/(γ-1)p1(15)

v3(16)

t3＝((1+(θc-1)/ηc)-αpηh+ηhα(1-ηd(1-1/(θcρcomρrρrkρry))))t1(17)

4点：

p4＝(θcρrρrkρcom)^γ/(γ-1)p1(18)

v4＝α(ρrkρcomθc)^-γ/(γ-1)v1(19)

t4＝αt1(20)

5点：

p5＝(ρrρry)^-γ/(γ-1)p1(21)

v5＝α(ρrρry)^γ/(γ-1)(1-ηd(1-1/(θcρcomρrρryρrk)))v1(22)

t5＝α(1-ηd(1-1/(θcρcomρrρrkρry)))t1(23)

6点：

p6＝(ρr)^-γ/(γ-1)p1(24)

v6(25)

t6＝αpt1(26)

7点：

p7＝p1

v7

t7

式中，p1～p7为带回热循环的透平主机出口状态点1～7点压力，v1～v7为透平主机状态点1～7的烟气比容，t1～t3为状态透平主机1～3点温度，t4为透平主机排烟温度，t5为余热锅炉排放温度(一般设定余热锅炉排放温度为520℃)，t6～t7为透平主机状态点6～7烟气温度。。

步骤5：效率分析

由于系统效率只考虑了系统的热效率，没有涉及能量的质量问题，能量的质量问题需要进行系统的效率分析，故则燃料e、输出电功率ep、系统输出的热量eq的具体的计算公式如下：

式中，e为燃料qm为烟气质量流量，本实施例中qm＝82195kg/hr。

故在进行效率分析时，输出电功率ep(kw)的计算公式为：

ep＝qmcpηg[(t4-t3)-(t6-t1)](28)

系统输出的热量eq(kw)的计算公式为：

式中，ηg为发电机的效率，一般由厂家给出，本实施例中ηg＝0.97。

将式27～式29代入公式求得余热回收系统的效率ε：

表1为透平发电机基本参数表，在计算各参数之前，取不可逆损失分别为：ηd＝0.8，ηc＝0.8，ηg＝0.97，ηh＝0.98，ρcom＝0.98，ρr＝1，ρrk＝0.98，ρry＝0.98，余热锅炉的排烟温度取180℃，则主机运行参数的计算如表2所示。

表1透平发电机基本参数表

表2主机运行时无量纲参数计算

当系统的功率一定，温比不变时，根据上述各参数计算系统效率ε为0.254，当在温比压比参数都不变的情况下，调整回热循环温度系数可知，当压比参数为2.1，温比参数为4.08，回热循环温度系数为1.1时系统效率出现极大值0.256，当回热循环温度系数为1.6时，系统的效率出现极小值，之后系统的效率随着回热循环温度系数的增加而增加，这说明回热循环温度系数要比回热循环温度系数出现极小值要大，否则会使系统效率降低。本主机的回热循环温度系数为2.1，可适当增大回热循环的温度系数，此时系统效率ε最大，为0.256。此时，选定ε＝0.256，在温比不变的情况下调整压比参数和回热循环温度系数维持ε为0.256，则可保持系统效率最高。