阅读说明：本技术 海上采油平台透平主机无风机带回热循环余热回收效率优化方法 (Method for optimizing recovery efficiency of offshore oil production platform turbine main engine fan-free backheating circulation waste heat ) 是由 刘向龙 曾智 曾丽萍 李文菁 李小华 文科 于 2019-11-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了海上采油平台透平主机回热循环余热回收效率优化方法,所述方法首先定义透平主机的压比参数θ<Sub>C</Sub>、膨胀比参数θ<Sub>D</Sub>确定透平主机的燃烧过程压力保持系数ρ<Sub>Com</Sub>、热回收过程压力保持系数ρ<Sub>R</Sub>、空气侧压力保持系数ρ<Sub>Rk</Sub>和烟气侧压力保持系数ρ<Sub>Ry</Sub>；再根据上述所得参数确定透平主机各出口工质状态点的燃烧温度、烟气比容和压力；得燃料<Image he="50" wi="51" file="DDA0002287236750000015.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>E、输出电功率<Image he="52" wi="48" file="DDA0002287236750000016.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>E<Sub>P</Sub>和系统输出的热量<Image he="52" wi="50" file="DDA0002287236750000014.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>E<Sub>Q</Sub>,最后得出余热回收系统的<Image he="51" wi="50" file="DDA0002287236750000013.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>效率ε；从而控制余热回收系统的效率。与现有技术相比,本发明提供的优化方法得到透平主机余热回收时系统<Image he="49" wi="49" file="DDA0002287236750000011.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>效率与压比参数及温比参数之间的关系,通过观察各状态点参数,对其压力进行控制,从而使透平主机余热回收时系统<Image he="53" wi="49" file="DDA0002287236750000012.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>效率最高。(The invention discloses a method for optimizing the regenerative cycle waste heat recovery efficiency of a turbine main engine of an offshore oil production platform C Expansion ratio parameter theta D Determining a combustion process pressure maintenance factor ρ for a turbine main unit Com Pressure holding coefficient rho in heat recovery process R Air side pressure retention coefficient ρ Rk And flue gas side pressure retention coefficient ρ Ry (ii) a Determining the combustion temperature, the flue gas specific volume and the pressure of each outlet working medium state point of the turbine main machine according to the obtained parameters; obtaining fuel E. Output electric power E P And heat output by the system E Q And finally obtaining a waste heat recovery system An efficiency ε; thereby controlling the efficiency of the waste heat recovery system. Compared with the prior art, the optimization method provided by the invention obtains the system when the turbine main engine waste heat is recovered The relation between the efficiency and the pressure ratio parameter and the temperature ratio parameter controls the pressure of each state point parameter by observing the parameters of each state point, thereby leading the system to recover the waste heat of the turbine main engine The efficiency is highest.)

海上采油平台透平主机无风机带回热循环余热回收效率优化 方法

技术领域

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。

发明内容

布雷顿循环(Brayton Cycle)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Brayton Cycle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无风机带回热循 环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无风机带回热循环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θ_C和膨胀比参数θ_D；

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ρ_Com、热回收过程压力保持系数ρ_R、空气侧压力保持系数ρ_Rk和烟 气侧压力保持系数ρ_Ry，再根据步骤S1所得膨胀比参数θ_D得出压比参数θ_C和膨胀比参数θ_D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η_C、膨胀效率η_D、回热循环的热损失η_H和排烟温度系数α_P；

步骤S4)根据步骤S1～S3所得参数θ_C、θ_D、η_C、η_D、ρ_Com、ρ_R、ρ_Rk、ρ_Ry、η_H和α_P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θ_C，以压比参数θ_C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θ_C和膨胀比参数θ_D通过公式1和公式2确定：

θ_C＝T_2'/T₁＝(P₂/P₁)^(γ-1)/γ (1)

θ_D＝T₄/T_5'＝(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，T_2’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，T_5’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ρ_Com、热回收过程压力保持系 数ρ_R、空气侧压力保持系数ρ_Rk和烟气侧压力保持系数ρ_Ry通过公式3～6确定：

ρ_Com＝(P₄/P₃)^(γ-1)/γ (3)

ρ_R＝(P₅/P₄)^(γ-1)/γ (4)

ρ_Rk＝(P₃/P₂)^(γ-1)/γ (5)

ρ_Ry＝(P₆/P₅)^(γ-1)/γ (6)

式中，ρ_Com为燃烧过程的压力保持系数，ρ_R为热回收过程的压力保持系数，ρ_Rk为空气侧 的压力保持系数，ρ_Ry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θ_C和膨胀比参数θ_D之间的关系如公式7所示：

θ_D＝θ_Cρ_Rρ_comρ_Rkρ_Ry (7)。

优选地，步骤S3中透平主机效率η_C、膨胀效率η_D、回热循环的热损失η_H和排烟温度系 数α_P通过公式8～11确定：

η_C＝(T_2'-T₁)/(T₂-T₁) (8)

η_D＝(T₄-T₅)/(T₄-T_5') (9)

T₃-T₂＝η_H(T₅-T₆) (10)

α_P＝T₆/T₁ (11)

式中，T₁为有余热回收时状态点1的烟气温度，T_2’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，T_5’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θ_C、θ_D、η_C、η_D、ρ_Com、ρ_R、ρ_Rk、ρ_Ry、 η_H和α_P，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＝(θ_Cρ_Rk)^γ/(γ-1)P₁ (12)

v₂＝[1+(θ_C-1)/η_C](θ_C)^-γ/(γ-1)v₁ (13)

T₂＝[1+(θ_C-1)/η_C]T₁ (14)

3点：

P₃＝(ρ_Comθ_C)^γ/(γ-1)P₁ (15)

v₃ (16)

T₃＝((1+(θ_C-1)/η_C)-α_Pη_H+η_Hα(1-η_D(1-1/(θ_Cρ_Comρ_Rρ_Rkρ_Ry))))T₁ (17)

4点：

P₄＝(θ_Cρ_Rρ_Rkρ_com)^γ/(γ-1)P₁ (18)

v₄＝α(ρ_Rkρ_comθ_C)^-γ/(γ-1)v₁ (19)

T₄＝αT₁ (20)

5点：

P₅＝(ρ_Rρ_Ry)^-γ/(γ-1)P₁ (21)

v₅＝α(ρ_Rρ_Ry)^γ/(γ-1)(1-η_D(1-1/(θ_Cρ_Comρ_Rρ_Ryρ_Rk)))v₁ (22)

T₅＝α(1-η_D(1-1/(θ_Cρ_Comρ_Rρ_Rkρ_Ry)))T₁ (23)

6点：

P₆＝(ρ_R)^-γ/(γ-1)P₁ (24)

v₆ (25)

T₆＝α_PT₁ (26)

7点：

P₇＝P₁

v₇

T₇

8点：

P₈

v₈

T₈＝α_ST₆ (27)

式中，P₁～P₈为带回热循环的透平主机状态点1～8点压力，v₁～v₈为透平主机状态点1～8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，α_S为风阻系数，T₈为有余热回收时状态点 8的烟气温度。状态点8的温度和压力都由透平主机厂家给定，一般来说，透平主机在运行时 尾部烟气将进行回热循环后的烟气排空，如果进行余热回收，也是在此之后进行余热回收。

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E_P：

E_P＝q_mC_Pη_G[(T₄-T₃)-(α_ST₆-T₁)] (29)

式中，假设α为余热回收的温比参数且通过T₃＝αT₁求得，E为燃料

q_m为烟气质量流量，C_P为烟气的定压比热容，η_G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无风机带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θ_C和膨胀比参数θ_D

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θ_C和膨胀比参数θ_D：

θ_C＝T_2'/T₁＝(P₂/P₁)^(γ-1)/γ (1)

θ_D＝T₄/T_5'＝(P₄/P₅)^(γ-1)/γ (2)

式中，γ为烟气比热比，γ＝C_P/C_v，C_P为烟气的定压比热容，本实施例中C_P＝1.004kJ/(kg·K)， C_v为定容比热容，本实施例中C_v＝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θ_C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℃，T_2’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，T_5’为状态点5’温度，通过式2和7计算得T_5’ 为679K(先通过公式7求得θ_C为1.85)。

步骤2：定义压力保持系数ρ_Com、ρ_R、ρ_Rk和ρ_Ry

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ρ_Com和ρ_R，如式3和式4所示：

ρ_Com＝(P₄/P₃)^(γ-1)/γ (3)

ρ_R＝(P₅/P₄)^(γ-1)/γ (4)

式中，ρ_Com为燃烧过程的压力保持系数，ρ_R为热回收过程的压力保持系数(如果没有余热 回收，则ρ_R＝1)，P₃为透平主机状态点3压力，通过式15计算得P₃为9.99bar；ρ_Com＝0.98， ρ_R＝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：

ρ_Rk＝(P₃/P₂)^(γ-1)/γ (5)

ρ_Ry＝(P₆/P₅)^(γ-1)/γ (6)

式中，ρ_Rk为空气侧的压力保持系数，ρ_Ry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：

θ_D＝θ_Cρ_Rρ_comρ_Rkρ_Ry (7)

步骤3-1：定义压气机效率η_C和膨胀效率η_D

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η^C、膨胀效率η_D：

η_C＝(T_2'-T₁)/(T₂-T₁) (8)

η_D＝(T₄-T₅)/(T₄-T_5') (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η_D＝0.8，η_C＝0.8。

步骤3-2：回热循环过程中的回热循环的热损失η_H和排烟温度系数α_P

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η_H，得 出公式10：

T₃-T₂＝η_H(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α_P：

α_P＝T₆/T₁ (11)

步骤4：确定Brayton Cycle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θ_C、θ_D、η_C、η_D、ρ_Com、ρ_R、ρ_Rk、 ρ_Ry、η_H和α_P，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＝(θ_Cρ_Rk)^γ/(γ-1)P₁ (12)

v₂＝[1+(θ_C-1)/η_C](θ_C)^-γ/(γ-1)v₁ (13)

T₂＝[1+(θ_C-1)/η_C]T₁ (14)

3点：

P₃＝(ρ_Comθ_C)^γ/(γ-1)P₁ (15)

v₃ (16)

T₃＝((1+(θ_C-1)/η_C)-α_Pη_H+η_Hα(1-η_D(1-1/(θ_Cρ_Comρ_Rρ_Rkρ_Ry))))T₁ (17)

4点：

P₄＝(θ_Cρ_Rρ_Rkρ_com)^γ/(γ-1)P₁ (18)

v₄＝α(ρ_Rkρ_comθ_C)^-γ/(γ-1)v₁ (19)

T₄＝αT₁ (20)

5点：

P₅＝(ρ_Rρ_Ry)^-γ/(γ-1)P₁ (21)

v₅＝α(ρ_Rρ_Ry)^γ/(γ-1)(1-η_D(1-1/(θ_Cρ_Comρ_Rρ_Ryρ_Rk)))v₁ (22)

T₅＝α(1-η_D(1-1/(θ_Cρ_Comρ_Rρ_Rkρ_Ry)))T₁ (23)

6点：

P₆＝(ρ_R)^-γ/(γ-1)P₁ (24)

v₆ (25)

T₆＝α_PT₁ (26)

7点：

P₇＝P₁

v₇

T₇

海上余热回收时，由于空间限制，一般不会在余热锅炉尾部增设引风机，故余热回收时 的余热锅炉的阻力全部由透平主机承担，这样会引起6点的温度升高，除需确定状态点1～7 的参数外，还需增加一个状态点8点：

P₈

v₈

T₈＝α_ST₆ (27)

式中α_S为风阻系数，当余热锅炉没有引风机时，系统的状态点6的温升为6-10℃。

式中，P₁～P₈为带回热循环的透平主机出口状态点1～8点压力，v₁～v₈为透平主机状态点 1～8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～T ₇为透平主机状态点6～7烟气温度， T₈为有余热回收时状态点8的烟气温度。状态点8的温度和压力都由透平主机厂家给定，一 般来说，透平主机在运行时尾部烟气将进行回热循环后的烟气排空，如果进行余热回收，也 是在此之后进行余热回收。

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

E_P、系统输出的热量

E_Q的 具体的计算公式如下：

式中，E为燃料

q_m为烟气质量流量，本实施例中q_m＝82195kg/hr。

故在进行

效率分析时，输出电功率

E_P(kW)的计算公式为：

E_P＝q_mC_Pη_G[(T₄-T₃)-(α_ST₆-T₁)] (29)

系统输出的热量

E_Q(kW)的计算公式为：

式中，η_G为发电机的效率，一般由厂家给出，本实施例中η_G＝0.97。

将式28～式30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：η_D＝0.8， η_C＝0.8，η_G＝0.97，η_H＝0.98，ρ_Com＝0.98，ρ_R＝1，ρ_Rk＝0.98，ρ_Ry＝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0.387，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1.97，温比参数为 4.08，回热循环温度系数为1.1时统效率出现极大值0.425(这个值很难实现，因为回热循 环时温度进入回热器的温度会比大气温度高得多)，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0.387。此 时，选定ε＝0.387，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0.387， 则可保持系统

效率最高。