海上油田概念設(shè)計階段主電站設(shè)計及原動機選型

海上油田概念設(shè)計階段主電站設(shè)計及原動機選型

1運行維護(hù)及技術(shù)要求作為海洋石油工程（科學(xué)研究和概念設(shè)計階段）上部裝置的核心，該裝置應(yīng)首先考慮并解決第一個問題。首先,主電站設(shè)計和原動機選型應(yīng)安全可靠,保證整個油(氣)田安全、正常的生產(chǎn);其次,主發(fā)電機組的技術(shù)性能要求嚴(yán)格;第三,主發(fā)電機組投資費用和操作維修費用將會影響整個油(氣)田開發(fā)生產(chǎn)效益;因此,從安全和經(jīng)濟(jì)角度考慮,動力方案研究在海洋石油工程前期研究階段占有不可低估的地位。2主要電壓機的選擇原則在海洋石油工程前期研究階段,為了合理地進(jìn)行主電站設(shè)計及原動機選型,設(shè)計人員在設(shè)計過程中應(yīng)遵循四大選型原則。(1)油氣田停工作為海上油(氣)田惟一主動力來源,主電站發(fā)電機組在油(氣)田生產(chǎn)期間一旦出現(xiàn)故障,會直接導(dǎo)致油(氣)田停產(chǎn);加上主發(fā)電機組處于潮濕和腐蝕的海洋大氣環(huán)境中;因此不僅要求主發(fā)電機組運行可靠、性能良好,而且應(yīng)能長期安全地運轉(zhuǎn),保證整個油(氣)田安全、正常生產(chǎn)。(2)cyctorcott主電站設(shè)計及機組選型要求主發(fā)電機組的生命周期費用(Life-CycleCost)是最低的。機組的生命周期費用是指機組自投入運行至停止使用全過程所發(fā)生的費用,包括機組的初始投資、安裝調(diào)試費、生產(chǎn)期間的操作費(包括燃料費)、維修費等所有費用。(3)機組負(fù)荷增長影響因素主電站設(shè)計和原動機機組選型主要技術(shù)性能應(yīng)考慮下列因素:機組功率大小、燃料要求及可利用性、機組負(fù)荷特性、初始投資、備用量/備用系數(shù)、效率/操作費/維修費、質(zhì)量和尺寸、振動、噪音限制、排氣污染等。(4)發(fā)電機的保護(hù)由于海上平臺操作環(huán)境和空間相對狹窄,應(yīng)選用可靠性高、操作性好、易于維修的主發(fā)電機組。此外原動機維修時還應(yīng)考慮國內(nèi)的實際情況,往復(fù)式發(fā)動機大修時可以在現(xiàn)場進(jìn)行,但用于大修的時間長,為3～4周,而燃?xì)廨啓C大修時既可在現(xiàn)場進(jìn)行,也可交換機組。在國外進(jìn)行大修,替換機組所需時間短,為2～3d。3主電站的設(shè)計步驟在海上油(氣)田開發(fā)工程前期研究階段,為了滿足主電站設(shè)計的安全、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)先進(jìn)可靠、易于操作維修的要求,總結(jié)在歧口17-2、秦皇島32-6項目海上油田開發(fā)工程前期研究階段主電站設(shè)計過程采用的設(shè)計方法和思路,歸納出主電站設(shè)計及原動機選型的四大設(shè)計步驟:——根據(jù)油(氣)田用電負(fù)荷,選取適當(dāng)?shù)臋C組負(fù)荷系數(shù),確定主電站設(shè)計電負(fù)荷。——主發(fā)電機組的燃料可利用性分析?！麟娬驹O(shè)計及原動機選型:①考慮備用機組,確定主發(fā)電機組臺數(shù)及主發(fā)電機組單機功率;②根據(jù)主發(fā)電機組單機功率,并結(jié)合熱站設(shè)計要求,最終確定主發(fā)電機組的原動機型式?！麟娬救剂舷挠嬎?。下面分別說明各步驟的關(guān)鍵點。3.1機組負(fù)荷系數(shù)按照油(氣)田的開采年限,統(tǒng)計逐年(或間隔幾年)的總用電負(fù)荷,并繪制電負(fù)荷逐年(或間隔幾年)變化曲線,由此掌握油(氣)田的用電負(fù)荷變化狀況,重點掌握最大/最小用電負(fù)荷,冬/夏季用電負(fù)荷和投產(chǎn)前幾年、正常生產(chǎn)年、后續(xù)生產(chǎn)年的用電負(fù)荷,對于浮式生產(chǎn)船還需掌握正常工況和外輸工況用電負(fù)荷。根據(jù)上述數(shù)據(jù)考慮機組的負(fù)荷系數(shù)。在海洋石油開發(fā)工程前期研究階段,主電站發(fā)電機組的負(fù)荷系數(shù)宜取在80%～85%之間。機組負(fù)荷系數(shù)包含2方面內(nèi)容:(1)從工程設(shè)計階段考慮,由于概念設(shè)計處于工程前期研究階段,在后續(xù)階段設(shè)計過程中可能會存在諸多變化因素,因此概念設(shè)計階段的主電站設(shè)計電負(fù)荷應(yīng)有一定的富余量,盡可能包容基本設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計的電負(fù)荷的變化量。(2)不論燃?xì)廨啓C組還是往復(fù)式發(fā)動機組在油(氣)田生產(chǎn)末期,由于運行時間較長及經(jīng)過幾次大修后,原動機發(fā)出的功率會自然衰減,因此工程前期研究階段的主電站設(shè)計電負(fù)荷也應(yīng)留有一定的富余量。秦皇島2-6油田總用電負(fù)荷(按半海半陸方案考慮)和熱站負(fù)荷逐年變化曲線見圖1。由圖1可知,該油田海上工程電負(fù)荷投產(chǎn)前2年需求量較少,后續(xù)生產(chǎn)年限電負(fù)荷需求量較大且比較穩(wěn)定,因此主電站應(yīng)設(shè)置備用機組。根據(jù)圖1確定該油田主電站設(shè)計電負(fù)荷如下:最大用電負(fù)荷按2007年19220kW計,取主電站機組負(fù)荷系數(shù)為80%,因此主電站設(shè)計電負(fù)荷為24000kW。3.2燃料費用的影響海上油(氣)田主發(fā)電機組所利用的燃料有3種:天然氣、柴油、原油。一般情況下,首先選用天然氣作為主發(fā)電機組燃料;其次選用原油作為主發(fā)電機組燃料,但需要增設(shè)一定規(guī)模的原油處理裝置和原油儲存設(shè)施;最后選用柴油作主發(fā)電機組燃料。由于柴油需要全部外購、輸送到平臺,并要在平臺上貯存,因此燃料費用高,這就是柴油機僅作為應(yīng)急和備用原動機的主要原因之一。以上順序是從燃料費角度考慮的。針對不同的工程項目,主發(fā)電機組燃料可采用單一燃料方式,也可采用一主一輔的雙燃料方式。有關(guān)油田伴生氣的利用問題,它會影響原動機的選型。(1)油田伴生氣毫無經(jīng)濟(jì)價值時,原動機宜傾向于選用燃?xì)廨啓C,如渤中28-1、渤中34、潿11-4海上油田均選用燃?xì)廨啓C作為主發(fā)電機組原動機;(2)油田伴生氣具有經(jīng)濟(jì)價值,原動機選型需要根據(jù)主發(fā)電機組單機功率大小確定。如果伴生氣產(chǎn)能不足時可考慮利用油田生產(chǎn)的原油作為主發(fā)電機組的燃料,如流花11-1油田和陸豐22-1油田均選用原油發(fā)動機作為主發(fā)電機組原動機。3.3主供電線路的設(shè)計和改造3.3.1油氣田立地條件在確定主電站備用機組臺數(shù)時,要考慮以下2個關(guān)鍵因素:①油(氣)田若為邊際油田,為了提高開發(fā)效益,可不設(shè)置備用機組,如歧口18-1、歧口17-3、歧口17-2;②油(氣)田若為大型油(氣)田,宜設(shè)置備用機組。在確定主發(fā)電機組臺數(shù)和單機功率時,要考慮以下主要因素:①主電站設(shè)計電負(fù)荷;②油(氣)田電負(fù)荷逐年變化曲線;③主發(fā)電機組的備用臺數(shù);④供貨廠商數(shù)量及產(chǎn)品型號匹配;⑤電氣系統(tǒng)要求。這一步設(shè)計工作是靈活多變的,根據(jù)上述因素優(yōu)化比較后大致確定主發(fā)電機組臺數(shù)和單機功率大小,為下一步機組選型服務(wù)。3.3.2發(fā)電機的特性目前在國內(nèi)外海上油(氣)田工程中,蒸汽輪機、燃?xì)廨啓C、往復(fù)式發(fā)動機常用為主發(fā)電機組原動機。蒸汽輪機發(fā)電機組具有造價低、設(shè)備可國產(chǎn)化等優(yōu)點,但不足之處是:機組熱效率低導(dǎo)致操作費用高;設(shè)備重、尺寸大,對基礎(chǔ)安裝要求高,輔助設(shè)備多,占用面積大,造成支撐結(jié)構(gòu)造價高。而燃?xì)廨啓C發(fā)電機組和往復(fù)式發(fā)動機發(fā)電機組具有安全可靠、技術(shù)成熟、機組熱效率較高、質(zhì)量大小及尺寸能為海上平臺所接受等優(yōu)點,因此燃?xì)廨啓C和往復(fù)式發(fā)機常用為國內(nèi)外海上油(氣)田工程主發(fā)電機組的原動機,它們分類及應(yīng)用情況見表1。當(dāng)主電站的燃料以天然氣為主時,原動機可選用燃?xì)廨啓C、柴油/天然氣雙燃料機、天然氣發(fā)動機。當(dāng)主發(fā)電機組單機功率較大時原動機宜傾向選用燃?xì)廨啓C,如錦州20-2、綏中36-1油氣田均選用燃?xì)廨啓C作為主電站原動機,還可以考慮燃?xì)廨啓C的廢熱回收;當(dāng)主發(fā)電機組單機功偏小時原動機宜傾向于選用往復(fù)式發(fā)動機(包括雙燃料機和天然氣發(fā)動機),如渤西油田的歧口18-1、歧口17-3、潿西南等均選用雙燃料機作為主電站原動機。目前天然氣發(fā)動機沒有在我國海上平臺使用的實例,因此其選型問題有待于今后作進(jìn)一步探討。如果主發(fā)電機組單機功率不大也不小,原動機既可選用燃?xì)廨啓C也可選用雙燃料機,又如何選型呢?首先著重介紹燃?xì)廨啓C和雙燃料機在技術(shù)方面、經(jīng)濟(jì)方面的差異。(1)初始投資。對于小型功率的電站而言,燃?xì)廨啓C組的初始投資均高于雙燃料機組,但對于大、中型電站,隨著燃?xì)廨啓C組輸出功率的增大,單位功率的初臺投資價格越來越低,見圖2。(2)環(huán)境條件對發(fā)動機輸出功率和效率的影響。由于燃?xì)廨啓C的額定功率和效率按ISO狀態(tài)標(biāo)定,因此燃?xì)廨啓C對海洋平臺上環(huán)境條件比較敏感。對于額定功率小于10MW的燃?xì)廨啓C,環(huán)境溫度每升高1℃,其輸出功率大約下降0.8%,而雙燃料往復(fù)式發(fā)動機額定工況按ISO3046標(biāo)定,因此往復(fù)式發(fā)動機對環(huán)境條件不敏感。另外,燃?xì)廨啓C進(jìn)、排氣管路損失也會引起發(fā)動機輸出功率下降3%～4%。(3)熱效率。用于海上油(氣)田工程的燃?xì)廨啓C熱力循環(huán)方式多為開式簡單循環(huán),因此熱效率較低,通常在20%～40%之間,并隨著燃?xì)廨啓C輸出功率的增大而增大,如圖3。而雙燃料機熱效率較高,通常為36%～43%。(4)經(jīng)濟(jì)工況。燃?xì)廨啓C的經(jīng)濟(jì)工況一般為70%～100%額定負(fù)荷,變化范圍窄;而雙燃料機經(jīng)濟(jì)工況一般為50%～100%額定負(fù)荷,變化范圍稍寬。根據(jù)海上油(氣)田在不同生產(chǎn)時期負(fù)荷的變化情況,應(yīng)選擇變化范圍較寬的主發(fā)電機組。(5)燃料費用。燃?xì)廨啓C和雙燃料機的熱效率和經(jīng)濟(jì)工況不同而造成燃料消耗量也不同,在燃用有商業(yè)價值的燃料時,這2種機型的燃料費用差別較大。(6)起動可靠性。根據(jù)美國核條約委員會公布的資料,燃?xì)廨啓C起動可靠性為99.35%,往復(fù)式發(fā)動機的起動可靠性為91.2%。這主要考慮到燃?xì)廨啓C為連續(xù)工作,進(jìn)氣燃料、燃燒、做功連續(xù)完成,因而起動失敗率很低,尤其是在環(huán)境溫度低的情況下:而往復(fù)式發(fā)動機的起動受氣溫影響很大,所以在平臺上使用的往復(fù)式發(fā)動機通常采用缸套水加熱器來保證冷機起動。(7)雙燃料切換性能。雙燃料燃?xì)廨啓C燃料切換性能好,而雙燃料機從液體狀態(tài)燃料(如柴油)切換到氣體燃料時是有條件限制的,如機組負(fù)荷率、燃料氣壓力、恒速運轉(zhuǎn)以及缸套水溫度和空氣(后冷卻器)溫度等多項要求。(8)電氣性能。這2種原動機有關(guān)電氣性能的比較如表2所列。(9)維修性能。這2種原動機維修性能比較詳見表3。(10)質(zhì)量及尺寸。一般來說,功率一定時(特別是在大功率情況下),燃?xì)廨啓C質(zhì)量、尺寸均小于內(nèi)燃機,也就是說燃?xì)廨啓C的單位功率質(zhì)量低于雙燃料機。(11)振動/噪音/排氣污染。燃?xì)廨啓C振動小,大約為±0.0254mm;噪音屬于高頻噪音,需加隔音罩;排氣污染小。而雙燃料機振動大,大約為±0.2286mm,需要隔振、防振措施;噪音屬于低頻噪音,通常放置在機艙內(nèi);排氣污染大。(12)廢熱利用。由于燃?xì)廨啓C熱效率低于雙燃料機,故其余熱回收量比雙燃料機高,因此燃?xì)廨啓C可配備余熱回收熱介質(zhì)鍋爐;而雙燃料機缸套水可作為造淡機熱源,高溫?zé)煔饪捎糜趶U熱蒸汽鍋爐。根據(jù)燃?xì)廨啓C和雙燃料機的比較以及多年的海洋石油開發(fā)工程設(shè)計經(jīng)驗和使用實例,總結(jié)出利用主發(fā)電機組單機功率大小作為燃?xì)廨啓C和雙燃料機選型衡量標(biāo)準(zhǔn):若主發(fā)電機組單機功率(現(xiàn)場功率,以下略同)小于1500kW時,原動機宜選用雙燃料機;若主發(fā)電機組單機功率大于3000kW時,原動機宜選用燃?xì)廨啓C;若主發(fā)電機組單機功率介于1500～3000kW之間時,需對這2種機型作必要的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)分析,然后再確定原動機型式。這條衡量標(biāo)準(zhǔn)綜合考慮了原動機型的初始投資,質(zhì)量、尺寸大小,熱效率,操作維修費用和生產(chǎn)廠商供貨能力等諸多因素。此外,根據(jù)《Diesel&GasTurbineWorld》(1997)對世界燃?xì)廨啓C在1996年6月至1997年5月期間訂貨情況統(tǒng)計數(shù)據(jù),當(dāng)燃?xì)廨啓CISO額定功率小于3500kW時,用于連續(xù)工況的燃?xì)廨啓C僅占總定貨數(shù)的30%;當(dāng)燃?xì)廨啓CISO額定功率大于3500kW時,用于連續(xù)工況的燃?xì)廨啓C占總定貨數(shù)的91%(見表4);因此,從燃?xì)廨啓C訂貨情況也佐證了以主發(fā)電機組單機功率大小作為燃?xì)廨啓C和雙燃料機選型衡量標(biāo)準(zhǔn)這一觀點。3.4主電源的燃料消耗計算根據(jù)選定的主發(fā)電機組原動機型式及相