閻奕辰,楊家臣,袁偉亮,黃科馳,曹文剛,杜啟飛
(中海石油(中國(guó))有限公司秦皇島32-6/渤中作業(yè)公司,河北 秦皇島 066099)
燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)是平臺(tái)生產(chǎn)的心臟,直接為平臺(tái)各個(gè)系統(tǒng)輸送電能。 透平發(fā)電機(jī)能否正常工作直接關(guān)系到平臺(tái)能否正常生產(chǎn)[1]。國(guó)產(chǎn)透平CGT25-EA是國(guó)內(nèi)首臺(tái)自主設(shè)計(jì)制造的應(yīng)用于海洋石油平臺(tái)的25 MW級(jí)雙燃料燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組,于2018年12月在渤海某海上平臺(tái)正式投用。在機(jī)組設(shè)計(jì)、試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過(guò)程中,現(xiàn)場(chǎng)操維人員結(jié)合多年的進(jìn)口機(jī)組使用經(jīng)驗(yàn),對(duì)國(guó)產(chǎn)透平機(jī)組提出了諸多改進(jìn)意見(jiàn),奠定了其海上環(huán)境適應(yīng)性、實(shí)用性基礎(chǔ)。而國(guó)產(chǎn)機(jī)組的階段性成果,也意味著海洋石油系統(tǒng)電力供應(yīng)核心設(shè)備供貨及維保服務(wù)長(zhǎng)期被進(jìn)口透平機(jī)組所壟斷的局面被逐漸打破。但是,由于其為首次在海上平臺(tái)應(yīng)用,其系統(tǒng)流程、可靠性和實(shí)用性設(shè)計(jì)仍存在改進(jìn)空間,較同等級(jí)進(jìn)口機(jī)組尚存差距,在海上運(yùn)行期間也遇到了一些問(wèn)題,包括天然氣排放問(wèn)題、排氣直管段破裂、防冰系統(tǒng)故障等。因此,我們結(jié)合海上實(shí)際情況,利用其他機(jī)型的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)思路,對(duì)國(guó)產(chǎn)透平的原設(shè)計(jì)和工藝進(jìn)行了技術(shù)革新,以助國(guó)產(chǎn)燃?xì)馔钙綑C(jī)組不斷成熟,有效提高了設(shè)備可靠性,使其在海上平臺(tái)平穩(wěn)運(yùn)行,成為中海油“三新三化”戰(zhàn)略中強(qiáng)而有力的海上“中國(guó)心”。文章所述措施意見(jiàn)對(duì)處理其他透平發(fā)電機(jī)出現(xiàn)類似的問(wèn)題具有一定的參考意義。
1.1.1 研究背景
國(guó)產(chǎn)透平天然氣排放管線共有4根,其中2根為撬外天然氣排放管線,設(shè)計(jì)意圖為起機(jī)過(guò)程中先行將天然氣加熱器出口至透平關(guān)斷閥間管路中的低溫天然氣排放至大氣中,待經(jīng)天然氣加熱器加熱過(guò)的天然氣溫度到達(dá)國(guó)產(chǎn)透平起機(jī)要求時(shí),停止對(duì)空排放[2]。但海上平臺(tái)未設(shè)計(jì)火炬,因此排放均引致甲板邊緣排放,但是由于油田自產(chǎn)氣中含高濃度硫化氫,且排放口位于人員日常巡檢區(qū)域且在平臺(tái)柴吊附近,有人員中毒和設(shè)備燃爆的風(fēng)險(xiǎn)。其余2根為撬內(nèi)關(guān)斷閥之間的氣和高溫閥組吹掃氣,原設(shè)計(jì)也是引致平臺(tái)上二甲板西側(cè)邊緣對(duì)空排放,附近為樓梯,離樓梯最近處約2 m,若設(shè)備停機(jī)時(shí),有人員在附近,有人員傷亡的危險(xiǎn)。
1.1.2 技術(shù)方案
針對(duì)以上情況,與廠家確認(rèn)透平啟停機(jī)過(guò)程中天然氣排放量和硫化氫含量,并利用PHAST軟件分析硫化氫的危害范圍。撬外單臺(tái)排放量3 s 150 m3即50 m3/s,排放量很大,確認(rèn)接入閉排;撬內(nèi)單臺(tái)排放氣量為1.5 kg/s,1.75 Sm3,硫化氫含量1 000 mg/L。
如果維持原排放位置、氣源,硫化氫1 000 mg/L濃度以及頂風(fēng)條件下,硫化氫可能會(huì)擴(kuò)散到有人區(qū)域。
高含硫化氫天然氣的對(duì)空排放量及硫化氫影響范圍,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況及廠家相關(guān)規(guī)范對(duì)于目前主機(jī)的排空口方案重新設(shè)計(jì),下圖為確定的最終方案,其中:(1) 2根透平撬外排空口全部接入閉排系統(tǒng),通往RUP火炬系統(tǒng)燃燒;(2) 2根透平撬內(nèi)排空口,分別單獨(dú)引至下甲板以下,垂直向下排放。
1.2.1 研究背景
國(guó)產(chǎn)透平排氣直管段為國(guó)產(chǎn)透平燃燒的尾氣排放管路中的一段,排氣溫度420 ℃左右,其后連接一臺(tái)8 MW的廢熱鍋爐。在其連續(xù)帶載運(yùn)行半月時(shí),現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)透平排氣直管段保溫及部分鐵板掉落,停機(jī)發(fā)現(xiàn)排氣直管段已部分損壞。
與廠家設(shè)計(jì)分析問(wèn)題原因,確認(rèn)了國(guó)產(chǎn)透平排氣直管段破碎的原因有以下4點(diǎn):(1)原排氣直管段設(shè)計(jì)排氣壓力為2.5 kPa,實(shí)際運(yùn)行時(shí)排氣壓力為3.5 kPa;(2)原排氣直管段位置有較多的焊縫聚集,焊接及加工工藝有待改進(jìn);(3)保溫安裝方式直接焊接在排氣直管段本體上,導(dǎo)致焊接應(yīng)力集中;(4)原支撐法蘭面受熱不均導(dǎo)致的法蘭受力不一,對(duì)角線已有較大的差值;
1.2.2 技術(shù)方案
針對(duì)該問(wèn)題,重新設(shè)計(jì)加工了新的排氣直管段和支撐結(jié)構(gòu),具體技術(shù)措施如下:將板材厚度由原來(lái)的3 mm改為6 mm厚,增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;改進(jìn)直管段加工和焊接工藝,減少焊接應(yīng)力集中;將保溫集成安裝在原直管段上,減少因安裝保溫產(chǎn)生的焊接應(yīng)力;設(shè)計(jì)安裝新的支撐件,并利用仿真軟件對(duì)其進(jìn)行受力分析。排氣直管段結(jié)構(gòu)三維圖如圖1所示,支架受力分析圖如2所示。
圖1 排氣直管段結(jié)構(gòu)三維圖
圖2 支架受力分析圖
當(dāng)外界環(huán)境溫度低且濕度大,空氣經(jīng)過(guò)濾器室時(shí),進(jìn)氣過(guò)濾器濾芯外側(cè)易出現(xiàn)結(jié)冰、結(jié)霜現(xiàn)象,冰霜輕則直接影響燃機(jī)的正常運(yùn)行,重則造成燃機(jī)的惡性機(jī)械事故[3]。國(guó)產(chǎn)透平防冰系統(tǒng)利用低壓壓氣機(jī)排氣引至進(jìn)氣濾器前,給濾芯外側(cè)的冷濕空氣進(jìn)行加熱,使得濕空氣的濕球溫度遠(yuǎn)離露點(diǎn)溫度3 ℃以上,有效解決濾芯結(jié)冰結(jié)霜問(wèn)題。其防冰系統(tǒng)開(kāi)關(guān)邏輯取決于大氣溫度和濕度。
國(guó)產(chǎn)透平防冰系統(tǒng)投用測(cè)試時(shí)出現(xiàn)了防冰閥反復(fù)開(kāi)關(guān)的問(wèn)題,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)分析得出是其邏輯設(shè)點(diǎn)中,溫度和濕度的設(shè)點(diǎn)沒(méi)有死區(qū),導(dǎo)致其在溫度5 ℃或濕度60%左右抖動(dòng)時(shí),防冰閥出現(xiàn)反復(fù)開(kāi)關(guān)的情況,輕則導(dǎo)致防冰閥使用壽命縮短或卡滯,重則導(dǎo)致防冰系統(tǒng)失效,濾器前結(jié)冰,進(jìn)一步導(dǎo)致意外停機(jī)或機(jī)組損傷,影響油田電站穩(wěn)定和正常生產(chǎn)。
針對(duì)這種情況我們與廠家人員及時(shí)溝通核實(shí)溫度和濕度設(shè)點(diǎn)是否設(shè)置有死區(qū),確認(rèn)缺少死區(qū)后,判斷其為導(dǎo)致該問(wèn)題的根本原因,故借鑒進(jìn)口機(jī)組控制邏輯,建議廠家更改溫度設(shè)置為低于4 ℃開(kāi),6 ℃關(guān),濕度設(shè)置為大于60%開(kāi),低于55%關(guān),具體邏輯如下:
當(dāng)防冰系統(tǒng)處于就地自動(dòng)運(yùn)行模式,且燃機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)(抽氣壓力大于0.06 MPa),且大氣溫度(T0)-40 ℃≤T0≤4 ℃,且大氣濕度大于60%時(shí),關(guān)斷閥打開(kāi),溫度調(diào)節(jié)閥受 PLC 控制,開(kāi)度由0%~100%緩慢調(diào)節(jié),逐步加大抽氣量,當(dāng)進(jìn)氣過(guò)濾室內(nèi)部溫度T1與大氣溫度T0的差值達(dá)到某一設(shè)定值時(shí),調(diào)節(jié)閥維持在該開(kāi)度不變。
當(dāng)進(jìn)氣溫度T0>6 ℃,或者進(jìn)氣濕度小于55%時(shí),關(guān)斷閥關(guān)閉。當(dāng)濾芯旁溫度超溫時(shí),調(diào)節(jié)閥和關(guān)斷閥均關(guān)閉,保護(hù)性停機(jī)。
通過(guò)國(guó)產(chǎn)透平CGT25-EA可靠性管理提升,有效解決了機(jī)組在設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行過(guò)程中存在的不足,總結(jié)了一套適合海洋石油平臺(tái)透平機(jī)組運(yùn)行維護(hù)的創(chuàng)新性管理體系,即“四個(gè)一”模式:每發(fā)生1次故障,進(jìn)行1次故障分析總結(jié),進(jìn)行1次全面排查,進(jìn)行1次培訓(xùn)分享?!?次故障”不限于某一專業(yè),某一系統(tǒng),只要是典型的、具有記錄價(jià)值的都要記錄下來(lái);“1次故障分析總結(jié)”要力求記錄全面、剖析深入,要有存檔、學(xué)習(xí)參考價(jià)值;“1次全面排查”意思是每次故障都要做到舉一反三,觸類旁通,全面檢查機(jī)組潛在的同類問(wèn)題;“1次培訓(xùn)分享”要覆蓋所有相關(guān)崗位人員,做到人人清楚,同時(shí)提升現(xiàn)場(chǎng)故障處理能力。為該類型機(jī)組操作維護(hù)工作提供了完善的管理經(jīng)驗(yàn)示范。
目前,天然氣排放流程改造、排氣直管段工藝革新、防冰系統(tǒng)升級(jí)三項(xiàng)改造均已完成,并順利運(yùn)行超過(guò)一年,機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn),未再出現(xiàn)過(guò)以上情況。天然氣排放流程改造解決了平臺(tái)人員的安全問(wèn)題,杜絕了意外事故的發(fā)生,其安全價(jià)值更遠(yuǎn)超經(jīng)濟(jì)效益。
排氣直管段問(wèn)題出現(xiàn)后,機(jī)組停機(jī)維修所需30天,期間油田電站穩(wěn)定性降低,每次排氣直管段維修費(fèi)用約120萬(wàn)元。排氣直管段工藝革新以后,機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定提升,未再次發(fā)生過(guò)類似事件,減少了機(jī)組意外停機(jī)和可能因此導(dǎo)致的油田減產(chǎn),且減少維修所需直接費(fèi)用120萬(wàn)元。
防冰系統(tǒng)升級(jí)后,徹底解決了防冰系統(tǒng)故障問(wèn)題,一方面提高了防冰閥使用壽命,每個(gè)防冰閥4萬(wàn)元,避免其異常損耗。另一方面,提高了機(jī)組穩(wěn)定性,避免因進(jìn)氣濾器前結(jié)冰導(dǎo)致機(jī)組機(jī)械損傷,從而避免意外停機(jī)帶來(lái)的次生損失。
海洋石油平臺(tái)應(yīng)用中國(guó)首臺(tái)自主設(shè)計(jì)制造的25 MW級(jí)雙燃料燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組CGT25-EA,是海洋石油系統(tǒng)打破電力供應(yīng)核心設(shè)備長(zhǎng)期依賴進(jìn)口設(shè)備,打破透平機(jī)組被國(guó)外設(shè)備壟斷的開(kāi)局之戰(zhàn)。經(jīng)過(guò)對(duì)該設(shè)備進(jìn)行必要的革新改進(jìn),增強(qiáng)了該設(shè)備在海上石油平臺(tái)的適用性,降低了維護(hù)保障成本,同時(shí)避免了因機(jī)組停運(yùn)影響海上平臺(tái)石油生產(chǎn)的間接經(jīng)濟(jì)損失。升級(jí)對(duì)該大國(guó)重器型設(shè)備的運(yùn)維管理和措施水平,對(duì)提升國(guó)產(chǎn)燃汽輪機(jī)制造和運(yùn)行管理,推進(jìn)中國(guó)海上石油戰(zhàn)略和工程建設(shè)具有重大意義。