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        透平發(fā)電機組應急噴淋降溫系統(tǒng)設計

        2021-12-17 06:39:10龔昌平劉鐵柱任憲濤
        船海工程 2021年6期
        關鍵詞:滑油冷卻器降溫

        龔昌平,劉鐵柱,任憲濤

        (中海石油(中國)有限公司秦皇島32-6/渤中作業(yè)公司,天津 300459)

        某海上浮式生產(chǎn)儲卸油裝置(FPSO)上共配備有4臺(3用1備)完全相同的由美國索拉(SOLAR)公司生產(chǎn)的TITAN130雙燃料透平發(fā)電機組,主要用于為全油田供電。透平發(fā)電機組的滑油冷卻系統(tǒng)作為防止滑油高溫的關鍵設備,其穩(wěn)定性直接關系到透平發(fā)電機組的穩(wěn)定性[1-3]。目前關于運行中的機組當滑油冷卻系統(tǒng)的高溫故障研究報道較少,為此,推出滑油系統(tǒng)因高溫造成關斷故障的應急設計方案。

        1 問題提出及解決方案

        1.1 問題提出

        所述FPSO上每臺機組各配備1臺翅片式風冷滑油冷卻器,散熱器位于主配電間(MCC)頂部,尺寸為2 286 mm×2 273 mm×292 mm。因設備老化、冷卻風扇電機故障、風扇皮帶疲勞斷裂、翅片受雜物附著等因素的影響,導致?lián)Q熱效果不理想,因而頻繁引起滑油系統(tǒng)高溫進而造成機組關斷。分析故障情況發(fā)現(xiàn),當滑油冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,滑油頭溫度上升迅猛,一般在5~8 min就可達到關斷值73.9 ℃,且此時環(huán)境溫度為5 ℃左右(滑油箱溫度約為65 ℃)。因而如何提高故障排除響應時間,以便現(xiàn)場操作及時發(fā)現(xiàn)設備故障,判斷故障根源,并排除故障,這在一定程度上與避免機組關斷成正相關。同時,在夏季高溫環(huán)境下,受陽光直射等因素的影響,滑油冷卻器散熱效果差,滑油箱的溫度高達90 ℃以上,滑油頭經(jīng)常出現(xiàn)高溫報警;尤其是隨著目前油田增儲上產(chǎn)項目的增加,電力負荷日益增高,電站即將接近滿載[4-5],若碰上機組大修,機組故障等情況導致長時間沒有備用機組,滑油冷卻器翅片被毛絮等雜物附著無法進行清潔時,滑油高溫現(xiàn)象更加明顯,嚴重影響油田電站的穩(wěn)定性。

        1.2 解決思路

        根據(jù)工程實踐,對滑油系統(tǒng)進行降溫一般采用風冷或水冷,而風冷對風扇葉片的要求比較大且散熱比較慢,而冷卻噴水降溫系統(tǒng)作為一種常用的冷卻方式,在工程實踐中有著普遍的應用,且能達到快速降溫的目的。通過結合現(xiàn)場實際情況,考慮采用在滑油冷卻器上設計加裝1套自動應急噴淋降溫系統(tǒng)的方法來達到應急降溫的目的。

        應急噴淋降溫系統(tǒng)主要是通過噴淋管線將常溫下的淡水噴到散熱翅片上,通過熱交換和汽化蒸發(fā)的原理,使冷卻水帶走大量的熱量,來降低散熱翅片和滑油的溫度。

        2 自動應急噴淋降溫系統(tǒng)的設計

        因各機組在不同工況下運行時各項參數(shù)均存在一定的差異,分析采用4臺機組的平均參數(shù)。考慮到海水容易對散熱翅片造成腐蝕,結合后期布置噴淋管線的可操作性和經(jīng)濟性,冷流體介質(zhì)選用淡水;熱流體介質(zhì)為潤滑油(型號:BP TURBINOL X32)。

        2.1 物性參數(shù)

        兩流體有關物性參數(shù)見表1[6]。

        淡水出口管線至MCC撬頂?shù)拇怪本嚯x約為33 m,淡水泵的壓頭0.81 MPa,排量16 m3/h,撬下主甲板淡水總管線直徑50 mm;潤滑油盤管在散熱器內(nèi)呈40×5的分布,盤管尺寸為3/4 in。

        2.2 設計計算和分析

        2.2.1 計算公式

        傳熱基本公式[6]

        Q=K·A·Δtm

        (1)

        式中:Q為換熱量,kW;K為總傳熱系數(shù),W/(m2·℃);A為換熱面積,m2;Δtm為平均傳熱溫差,℃。

        為使設計結果滿足不同工況的需要,根據(jù)潤滑油換熱器的經(jīng)驗總傳熱系數(shù)參考值,經(jīng)查表取總傳熱系數(shù)K的下限值為230 W/(m2·K)。

        換熱量計算式[7]

        Q=c·qm·Δt

        (2)

        式中:Q為換熱量,kW;C比熱容,kJ/(kg·℃);qm為質(zhì)量流量,kg/h;Δt為溫差,℃。

        《聯(lián)合國氣候變化框架公約》的近200個締約方2015年12月在巴黎氣候變化大會上達成《巴黎協(xié)定》,鼓勵使用低碳能源來減少溫室氣體排放,長遠目標是確保將全球平均氣溫較工業(yè)化前水平的升高控制在2℃之內(nèi),并為把升溫控制在1.5℃之內(nèi)付出努力。根據(jù)國際能源署(IEA)提供的信息,目前全球約70%的電力來自化石燃料,如果想在2050年實現(xiàn)上述目標,80%的電力需要來自低碳能源。

        平均傳熱溫差Δtm為[8]

        (3)

        式中:thi為熱流體進口溫度,℃;tho為熱流體出口溫度,℃;tci為冷流體進口溫度,℃;tco為冷流體出口溫度,℃。

        2.2.2 理論計算

        將熱流體和冷流體對應的物性參數(shù)值分別代入(1)~(3)式,分析結果見表2。

        表2的計算結果表明換熱面積及噴淋管線內(nèi)淡水流量,均滿足設計要求。并且只需8.96 m3/h淡水,噴淋總管線選用1.5 in,即可滿足實際需求。

        表2 各主要參數(shù)計算結果

        2.3 噴嘴的設計

        從經(jīng)濟成本等多角度出發(fā),通過從撬下主甲板淡水總管線上引出1條管線作為噴淋總管線,再從噴淋總管線上引出4條分管線分別通向4臺滑油冷卻器,最后在滑油冷卻器頂部中線位置設計一根噴淋管線,并在噴淋管線上相應間距切割多個1/3圈(噴淋夾角為120°)相應大小的噴淋口(噴淋口寬度應盡量小,以實現(xiàn)更好的霧化效果),形成噴嘴。同時,為起到節(jié)流增速的目的,使得噴出的水能夠起到良好的霧化效果,設計中選用1 in的管線作為噴淋管線,并根據(jù)現(xiàn)場實際情況,噴淋口子切割寬度為1 mm。

        根據(jù)管線周長計算可得噴淋管線的周長為0.08 m,流經(jīng)每個噴嘴的流量為0.85 m3/h,噴嘴數(shù)目為11個,即噴淋管線上各個噴嘴之間的間距為207.8 mm;噴淋管線至滑油冷卻器頂部的安裝高度為659 mm。

        因此,只需在噴淋管線上每隔207.8 mm共布置11個噴嘴即可滿足現(xiàn)場的實際需求。從而基本實現(xiàn)噴水全覆蓋于散熱翅片上,以實現(xiàn)噴淋降溫。具體流程見圖1。

        圖1 自動應急噴淋降溫系統(tǒng)流程

        3 自動監(jiān)測裝置及現(xiàn)場應用

        3.1 自動監(jiān)測裝置

        圖2 自動應急噴淋降溫系統(tǒng)電磁閥控制程序

        同時,為了防止電磁閥故障或PLC程序故障,導致電磁閥無法自動開啟,在通往每臺滑油冷卻器的支路上再旁通1路手閥,便于應急時直接開閥使用,以實現(xiàn)自動和手動的全方位控制。安裝現(xiàn)場見圖3。

        圖3 國內(nèi)某FPSO實際安裝現(xiàn)場

        3.2 現(xiàn)場應用情況

        手動測試,當應急噴淋降溫系統(tǒng)工作時,滑油系統(tǒng)降溫效果明顯,僅15 min,滑油頭的溫度由接近報警值的70 ℃(報警值71.1 ℃)降至52 ℃,滑油箱的溫度由83 ℃降至71 ℃。兩次階段性的停止噴淋測試,發(fā)現(xiàn)滑油箱的溫度變化基本趨于穩(wěn)定。

        裝機后長時間對滑油冷卻降溫效果進行驗證,由于自動應急噴淋降溫系統(tǒng)實時對機組滑油頭的溫度進行監(jiān)測和調(diào)節(jié),使得滑油頭的溫度即使在夏季高溫環(huán)境時也基本穩(wěn)定在60 ℃左右,滑油箱的溫度基本穩(wěn)定在75 ℃左右,見圖4。

        圖4 應急噴淋降溫系統(tǒng)實施后機組的溫度變化

        4 結論

        1)對于噴嘴而言,適當減小噴淋口子的寬度能有效提高霧化效果,但當噴淋口子過小時會導致噴水量不足達不到應急降溫的目的,因此存在一個合適的噴淋口子寬度值和噴嘴數(shù)量值。

        2)由于自動應急噴淋降溫系統(tǒng)的作用使得機組的滑油溫度一直維持在一個良好的且穩(wěn)定的狀態(tài)下,從而使得滑油的漆膜傾向指數(shù)和抗氧化性能等指標也有了很大的改善,提升了透平發(fā)電機組滑油系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

        3)通過對機組滑油頭的溫度實現(xiàn)自動狀態(tài)監(jiān)測,能有效減少人工緊急操作和故障判斷時所產(chǎn)生的誤差,提高了設備操作的可靈活性和自動化程度,有效降低了透平發(fā)電機組因滑油高溫導致的關斷故障率。

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