閻奕辰，楊家臣，袁偉亮，黃科馳，曹文剛，杜啟飛

(中海石油(中國)有限公司秦皇島32-6/渤中作業(yè)公司，河北 秦皇島 066099)

0 引言

燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)是平臺生產(chǎn)的心臟，直接為平臺各個系統(tǒng)輸送電能。 透平發(fā)電機(jī)能否正常工作直接關(guān)系到平臺能否正常生產(chǎn)[1]。國產(chǎn)透平CGT25-EA是國內(nèi)首臺自主設(shè)計制造的應(yīng)用于海洋石油平臺的25 MW級雙燃料燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，于2018年12月在渤海某海上平臺正式投用。在機(jī)組設(shè)計、試驗(yàn)及現(xiàn)場調(diào)試過程中，現(xiàn)場操維人員結(jié)合多年的進(jìn)口機(jī)組使用經(jīng)驗(yàn)，對國產(chǎn)透平機(jī)組提出了諸多改進(jìn)意見，奠定了其海上環(huán)境適應(yīng)性、實(shí)用性基礎(chǔ)。而國產(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應(yīng)用，其系統(tǒng)流程、可靠性和實(shí)用性設(shè)計仍存在改進(jìn)空間，較同等級進(jìn)口機(jī)組尚存差距，在海上運(yùn)行期間也遇到了一些問題，包括天然氣排放問題、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)計思路，對國產(chǎn)透平的原設(shè)計和工藝進(jìn)行了技術(shù)革新，以助國產(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“中國心”。文章所述措施意見對處理其他透平發(fā)電機(jī)出現(xiàn)類似的問題具有一定的參考意義。

1 對國產(chǎn)透平機(jī)組的三項(xiàng)提升改造措施

1.1 天然氣排放管線流程改造，保障安全

1.1.1 研究背景

國產(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)計意圖為起機(jī)過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的天然氣溫度到達(dá)國產(chǎn)透平起機(jī)要求時，停止對空排放[2]。但海上平臺未設(shè)計火炬，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)域且在平臺柴吊附近，有人員中毒和設(shè)備燃爆的風(fēng)險。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)計也是引致平臺上二甲板西側(cè)邊緣對空排放，附近為樓梯，離樓梯最近處約2 m，若設(shè)備停機(jī)時，有人員在附近，有人員傷亡的危險。

1.1.2 技術(shù)方案

針對以上情況，與廠家確認(rèn)透平啟停機(jī)過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，硫化氫可能會擴(kuò)散到有人區(qū)域。

高含硫化氫天然氣的對空排放量及硫化氫影響范圍，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際工況及廠家相關(guān)規(guī)范對于目前主機(jī)的排空口方案重新設(shè)計，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 排氣直管段工藝革新，解決管段破裂問題

1.2.1 研究背景

國產(chǎn)透平排氣直管段為國產(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8 MW的廢熱鍋爐。在其連續(xù)帶載運(yùn)行半月時，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)國產(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)計分析問題原因，確認(rèn)了國產(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)計排氣壓力為2.5 kPa，實(shí)際運(yùn)行時排氣壓力為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，對角線已有較大的差值；

1.2.2 技術(shù)方案

針對該問題，重新設(shè)計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)計安裝新的支撐件，并利用仿真軟件對其進(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

2 防冰系統(tǒng)升級，解決防冰閥反復(fù)開關(guān)問題

2.1 研究背景

當(dāng)外界環(huán)境溫度低且濕度大，空氣經(jīng)過濾器室時，進(jìn)氣過濾器濾芯外側(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)霜問題。其防冰系統(tǒng)開關(guān)邏輯取決于大氣溫度和濕度。

國產(chǎn)透平防冰系統(tǒng)投用測試時出現(xiàn)了防冰閥反復(fù)開關(guān)的問題，根據(jù)現(xiàn)場情況和運(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)沒有死區(qū)，導(dǎo)致其在溫度5 ℃或濕度60%左右抖動時，防冰閥出現(xiàn)反復(fù)開關(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)。

2.2 技術(shù)方案

針對這種情況我們與廠家人員及時溝通核實(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，6 ℃關(guān)，濕度設(shè)置為大于60%開，低于55%關(guān)，具體邏輯如下：

當(dāng)防冰系統(tǒng)處于就地自動運(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，關(guān)斷閥打開，溫度調(diào)節(jié)閥受 PLC 控制，開度由0%～100%緩慢調(diào)節(jié)，逐步加大抽氣量，當(dāng)進(jìn)氣過濾室內(nèi)部溫度T1與大氣溫度T0的差值達(dá)到某一設(shè)定值時，調(diào)節(jié)閥維持在該開度不變。

當(dāng)進(jìn)氣溫度T0＞6 ℃，或者進(jìn)氣濕度小于55%時，關(guān)斷閥關(guān)閉。當(dāng)濾芯旁溫度超溫時，調(diào)節(jié)閥和關(guān)斷閥均關(guān)閉，保護(hù)性停機(jī)。

3 可靠性管理“四個一”及三項(xiàng)改造措施效果

3.1 國產(chǎn)石油平臺透平機(jī)組可靠性管理“四個一”

通過國產(chǎn)透平CGT25-EA可靠性管理提升，有效解決了機(jī)組在設(shè)計、建造、運(yùn)行過程中存在的不足，總結(jié)了一套適合海洋石油平臺透平機(jī)組運(yùn)行維護(hù)的創(chuàng)新性管理體系，即“四個一”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、具有記錄價值的都要記錄下來；“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，同時提升現(xiàn)場故障處理能力。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。

3.2 透平機(jī)組三項(xiàng)改造措施效果

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)升級三項(xiàng)改造均已完成，并順利運(yùn)行超過一年，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，未再出現(xiàn)過以上情況。天然氣排放流程改造解決了平臺人員的安全問題，杜絕了意外事故的發(fā)生，其安全價值更遠(yuǎn)超經(jīng)濟(jì)效益。

排氣直管段問題出現(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120萬元。

防冰系統(tǒng)升級后，徹底解決了防冰系統(tǒng)故障問題，一方面提高了防冰閥使用壽命，每個防冰閥4萬元，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)帶來的次生損失。

4 結(jié)語

海洋石油平臺應(yīng)用中國首臺自主設(shè)計制造的25 MW級雙燃料燃?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)備長期依賴進(jìn)口設(shè)備，打破透平機(jī)組被國外設(shè)備壟斷的開局之戰(zhàn)。經(jīng)過對該設(shè)備進(jìn)行必要的革新改進(jìn)，增強(qiáng)了該設(shè)備在海上石油平臺的適用性，降低了維護(hù)保障成本，同時避免了因機(jī)組停運(yùn)影響海上平臺石油生產(chǎn)的間接經(jīng)濟(jì)損失。升級對該大國重器型設(shè)備的運(yùn)維管理和措施水平，對提升國產(chǎn)燃汽輪機(jī)制造和運(yùn)行管理，推進(jìn)中國海上石油戰(zhàn)略和工程建設(shè)具有重大意義。