于昊成，張紅武，劉曉亮，王 昆，張?jiān)藕?/p>

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司 天津300459)

0 引 言

透平發(fā)電機(jī)組是一種高功率密度、將燃料燃燒后把熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的旋轉(zhuǎn)式動(dòng)力設(shè)備，目前用于發(fā)電的燃?xì)廨啓C(jī)簡(jiǎn)單循環(huán)效率一般在 32%～40%之間，聯(lián)合循環(huán)效率最高可達(dá)到 60%左右[1]，是海洋油氣開(kāi)采平臺(tái)電站的“心臟”。近年來(lái)，隨著海洋油氣勘探技術(shù)的發(fā)展，油田群開(kāi)發(fā)越來(lái)越多采用區(qū)域開(kāi)發(fā)的方式，這些油田群在電力供應(yīng)上多采取電力組網(wǎng)模式，并利用中心平臺(tái)上的發(fā)電機(jī)組集中供電管理。渤海灣某海上油田的2臺(tái)透平發(fā)電機(jī)組進(jìn)氣系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中遇到陰雨天、大雪天等潮濕環(huán)境時(shí)，初級(jí)過(guò)濾器后端的濾器室通道內(nèi)就有明顯積水，第二級(jí)和第三級(jí)過(guò)濾器在濕度大的環(huán)境下，過(guò)濾器壓差急劇上升，多次達(dá)到壓差報(bào)警值，影響機(jī)組正常運(yùn)行。本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)研究歸納出了產(chǎn)生以上問(wèn)題的原因，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪、改造該透平進(jìn)氣濾器室內(nèi)部結(jié)構(gòu)等措施解決了上述問(wèn)題。

1 故障原因分析

透平發(fā)電機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程中存在擋雨罩防雨效果差、折流板除水能力弱、濾器除水能力差等問(wèn)題，造成空氣中的水分過(guò)多的進(jìn)入二、三級(jí)濾芯，從而引發(fā)濾器濕堵，進(jìn)而導(dǎo)致壓差大、機(jī)組的進(jìn)氣量遞減、濾器室內(nèi)存在大量積水，影響透平的負(fù)載能力和穩(wěn)定運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起喘振損壞機(jī)組，對(duì)整個(gè)電網(wǎng)而言也是較大的風(fēng)險(xiǎn)和隱患。油田電網(wǎng)的穩(wěn)定性與否直接關(guān)系到油田生產(chǎn)運(yùn)行是否穩(wěn)定。渤海灣油氣田所搭載的燃?xì)馔钙降倪\(yùn)行環(huán)境很多是在潮濕天氣中，如海邊或湖邊的霧氣，而濾器在潮濕和干燥環(huán)境中運(yùn)行是有顯著不同的。當(dāng)潮濕的空氣進(jìn)入濾器系統(tǒng)后，部分纖維材質(zhì)濾器將會(huì)吸濕膨脹，造成壓降顯著升高。鹽含量對(duì)于燃?xì)馔钙降膲勖灿兄苯佑绊?，濾器系統(tǒng)如果未能有效除鹽，它就會(huì)進(jìn)入壓縮機(jī)和透平的熱段，進(jìn)而導(dǎo)致積垢和腐蝕，壓縮機(jī)葉片上的鹽必須通過(guò)水洗或直接清洗葉片進(jìn)行去除。燃?xì)馔钙街圃焐掏ǔ?yán)格要求控制透平進(jìn)氣中的鹽含量，一般為＜0.01mg/L，而沿海岸基安裝的燃?xì)馔钙剿蟮倪M(jìn)氣鹽含量可達(dá)0.05～0.5mg/L[2]。

鑒于以上情形，我們對(duì)該透平機(jī)組進(jìn)氣濾器系統(tǒng)進(jìn)行了改造，以保證透平的安全穩(wěn)定運(yùn)行，力爭(zhēng)確保電站和生產(chǎn)流程的穩(wěn)定運(yùn)行。針對(duì)該透平進(jìn)氣濾器室存在的問(wèn)題，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)深入的研究歸納出問(wèn)題存在的原因，分析主要有如下4項(xiàng)：

①原裝擋雨罩存在設(shè)計(jì)缺陷，設(shè)計(jì)上斜角度過(guò)大，大風(fēng)天氣下，雨雪可直接進(jìn)入濾器室內(nèi)，不能起到可靠的阻擋作用；

②原裝折流板選材及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不夠合理，除水效果差；

③原裝濾器選型不夠合理，其一級(jí)濾器不適用于海上潮濕環(huán)境，除水效果較差；

④濾器室內(nèi)排水流道設(shè)計(jì)不夠合理，排水不暢，通道內(nèi)積水積存在低洼處，無(wú)法排出。

2 方案研究與實(shí)施

2臺(tái)進(jìn)口機(jī)組型號(hào)相同、設(shè)計(jì)相同，所以同一套改造方案適用于2臺(tái)機(jī)組，依據(jù)海上實(shí)際情況和機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，針對(duì)該透平機(jī)組的故障問(wèn)題對(duì)其進(jìn)氣濾器室進(jìn)行改造。

2.1 擋雨罩結(jié)構(gòu)升級(jí)，保證擋雨效果

原裝擋雨罩上斜角度過(guò)大，惡劣天氣下，雨雪可直接被吹入擋雨罩內(nèi)，不能起到很好的遮擋效果，同時(shí)增大了折流板和濾器的工作壓力，如圖1所示。因此，施工過(guò)程中，在原有的基礎(chǔ)上增加配有人孔的結(jié)構(gòu)框架及新設(shè)計(jì)的擋雨罩。新型擋雨罩將折流板安裝位置前移，以方便一、二級(jí)濾器對(duì)裝在一級(jí)濾器框架上。冬季嚴(yán)寒天氣下，原裝擋雨罩防鳥(niǎo)網(wǎng)表面會(huì)覆蓋一層冰，影響透平進(jìn)氣量，新型的擋雨罩有著上斜面的遮擋，水滴順著擋雨罩上表面前方的導(dǎo)水槽聚集后導(dǎo)流至擋雨罩兩側(cè)排出，防止水滴在防鳥(niǎo)網(wǎng)表面聚集，從而起到一定的防冰作用。改造后的現(xiàn)場(chǎng)效果如圖2所示。

圖1 原裝擋雨罩Fig.1 Original rain shield

圖2 新型擋雨罩Fig.2 New rain shield

2.2 重新設(shè)計(jì)折流板結(jié)構(gòu)，提高除水能力

原裝折流板為鋁型材料，結(jié)構(gòu)上僅有 1道折流翼，只改變 3次空氣流向，除霧水效果較差。新的折流板為不銹鋼材料，結(jié)構(gòu)優(yōu)化為 3道折流翼，可多次改變空氣流向，并且在設(shè)計(jì)上也更加合理。鑒于折流板的除霧器效率與液滴直徑、氣體流速成正比，與轉(zhuǎn)折角度成反比。故當(dāng)除霧器角度為 30°時(shí)，除霧器對(duì)液滴的捕集效果要明顯高于其他角度的除霧器，并且對(duì)直徑在 10μm 以下的液滴捕集作用要明顯高于其他角度的除霧器；當(dāng)氣體流速在 2～6m/s，除霧器角度＞30°時(shí)，除霧器的角度和氣體流速對(duì) 10μm 以下液滴的捕集效率影響較小，對(duì)直徑大于 10μm 的液滴，隨著流速和角度的增加，捕集效率有較好提升。這主要是因?yàn)樾∫旱巫陨響T性較小，對(duì)氣流的跟隨性較強(qiáng)，很難從氣流中分離出來(lái)，而大液滴的慣性較大，維持原有狀態(tài)的能力較強(qiáng)，因此更易從氣流中分離出來(lái)[3]。綜上，新設(shè)計(jì)的折流板角度接近 90°，并經(jīng)過(guò)3次方向轉(zhuǎn)變，可以有效地使其上面聚結(jié)的水珠在折流翼中被充分阻攔下來(lái)，從而有效去除空氣中的水分及雜物，減輕下游濾器的工作壓力，能起到一定的保護(hù)作用和延長(zhǎng)濾器的使用壽命。新舊折流板其結(jié)構(gòu)圖如圖3、4所示。

圖3 原裝折流板Fig.3 Original baffle

圖4 新型折流板Fig.4 New baffle

2.3 濾器系統(tǒng)方案升級(jí)，有效防止濾器濕堵

原裝濾器系統(tǒng)采用三級(jí)配置：一級(jí)濾器F7(V型盒濾)從后往前單獨(dú)安裝在第 1道框架上，二級(jí)濾器F9和三級(jí)濾器 E12(V型盒濾)正反扣在一起，安裝在第 2道框架上。機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，惡劣天氣下，一級(jí)濾器除水效果較差，使得進(jìn)入二、三級(jí)濾器的空氣濕度較大，造成二、三級(jí)濾器濕堵，濾器室總壓差頻繁達(dá)到報(bào)警值，影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

在現(xiàn)有框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，新的改造方案中濾器仍采用三級(jí)配置。考慮到海上陰雨大霧等高濕度環(huán)境，選用除游離水、除鹽霧過(guò)濾器HydroMaxx作為第1道過(guò)濾器；為了更好地保護(hù)第3道過(guò)濾器，選用F8級(jí)別的 MX95作為第 2道過(guò)濾器；鑒于 eMaxxE11過(guò)濾器在其他項(xiàng)目中表現(xiàn)較好，選用其作為第3道過(guò)濾器。第 1、2道過(guò)濾器采用二合一背靠背的方式安裝在第1道框架上，第3道過(guò)濾器單獨(dú)安裝在第2道框架上。

這3款濾器的框架的主要材質(zhì)采用了PET、PE、PP等材料，均無(wú)金屬配件，抗腐蝕能力較強(qiáng)，并且濾芯的抗?jié)裥阅芫m用于海上潮濕的環(huán)境。實(shí)測(cè)一級(jí)濾器還能有效地除去空氣中的游離水和鹽霧，二、三級(jí)濾器設(shè)有專門的擋水板和排水槽，能夠有效地阻攔和排出水滴，從而起到良好的過(guò)濾效果。相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 新濾器相關(guān)參數(shù)Tab.1 Relevant technical parameters of new filter

除此之外，新過(guò)濾器的額定風(fēng)量大約為原裝的1.2倍，高額定風(fēng)量可以保證燃機(jī)在滿負(fù)荷甚至超負(fù)荷的條件下長(zhǎng)時(shí)間安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.4 改造排水系統(tǒng)，保證排水暢通

原濾器室內(nèi)只在折流板下方設(shè)置了排水槽，濾器室通道內(nèi)的積水通過(guò)一級(jí)濾器框架下方的孔洞和縫隙排入水槽內(nèi)。由于排水槽并非濾器室內(nèi)最低點(diǎn)，潮濕天氣下濾器室內(nèi)便會(huì)存在一定積水，無(wú)法徹底排出，如圖5所示。當(dāng)風(fēng)雨較大時(shí)，甚至?xí)霈F(xiàn)排水槽積水反灌的現(xiàn)象，造成濾器室通道內(nèi)存在大量積水，引發(fā)進(jìn)入撬塊的風(fēng)險(xiǎn)，影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖5 原濾器室內(nèi)積水情況Fig.5 Water accumulation in original filter room

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況需要，改造過(guò)程中在濾器室通道內(nèi)地板上的最低點(diǎn)增加排水孔，每層 3個(gè)，如圖6所示。預(yù)制安裝新的排水管線，增加排水管坡度和集水箱。集水箱的位置設(shè)計(jì)在透平進(jìn)氣濾器室下層甲板低點(diǎn)位置，其作用有 2個(gè)：一是收集濾器室排出的殘水，由于存在高度差，故即便集水箱裝滿后溢出來(lái)的的積水也可以順利從箱體上方開(kāi)口排出；二是由于其內(nèi)部日常充滿水，透平進(jìn)氣濾器的排水管插到水箱靠近底部位置，從而形成良好水封，防止由于負(fù)壓效應(yīng)導(dǎo)致積水沿著排水管倒流回進(jìn)氣濾器室。

圖6 濾器室內(nèi)新增排水孔Fig.6 Newly added drainage holes in filter room

2.5 安裝直梯及撬塊頂部維修平臺(tái)，方便運(yùn)維

透平的進(jìn)氣濾器室為了防止冬天進(jìn)氣溫度低而出現(xiàn)結(jié)冰的情況，多數(shù)會(huì)設(shè)置防冰系統(tǒng)，尤其是我國(guó)北方海域的油田，當(dāng)空氣的相對(duì)濕度大、晝夜溫差變化較大時(shí)，空氣中的一部分水蒸氣會(huì)析出，造成過(guò)濾器濾芯的膨脹，從而導(dǎo)致過(guò)濾器濾芯內(nèi)外兩側(cè)壓差增大，濾芯表面會(huì)形成結(jié)霜。這種現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致燃機(jī)壓氣機(jī)進(jìn)氣壓差變大、進(jìn)氣量不足，進(jìn)而造成燃機(jī)的報(bào)警甚至停車。如果結(jié)霜不及時(shí)清除，過(guò)濾器濾芯內(nèi)外兩側(cè)氣體壓力急速升高，過(guò)濾器將會(huì)結(jié)冰，整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)將被冰塊所堵塞，最終導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)停車甚至損壞進(jìn)氣系統(tǒng)[4]。

由于原濾器室結(jié)構(gòu)中未設(shè)計(jì)頂部維修平臺(tái)和直梯，故當(dāng)防冰加熱器出現(xiàn)故障時(shí)，必須現(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)腳手架后才能進(jìn)行維修，導(dǎo)致機(jī)組排障時(shí)間增長(zhǎng)，影響平臺(tái)電站的及時(shí)恢復(fù)。為有效降低排障時(shí)長(zhǎng)、提高設(shè)備可靠性，在濾器室中部南側(cè)安裝高度為 8.5m的不銹鋼直梯，并在濾器室頂部搭建一個(gè)維修平臺(tái)，周邊安裝護(hù)欄，方便日后工作人員對(duì)防冰系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)維護(hù)。同時(shí)，對(duì)防冰管路整體進(jìn)行保溫，提高防冰系統(tǒng)的工作效率，保證機(jī)組在環(huán)境溫度較低的情況下可以穩(wěn)定運(yùn)行。其安裝后的效果如圖7所示。

圖7 進(jìn)氣濾器室安裝直梯及撬塊頂部維修平臺(tái)Fig.7 Vertical ladder and maintenance platform at top of skid

3 優(yōu)化改造效果

改造項(xiàng)目結(jié)束后，截至目前，機(jī)組已穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò) 1年，此次改造取得良好效果。以往風(fēng)雨天氣情況下，通道內(nèi)很容易積水，濾器也會(huì)特別潮濕，影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，自投產(chǎn)至改造前，透平在潮濕天氣因?yàn)V器壓差高頻繁出現(xiàn)壓差高報(bào)警，尤其是在雨季，空氣濕度較大，壓差一直居高不下。這也給油田的安全穩(wěn)定生產(chǎn)帶來(lái)了一定的隱患，并且縮短了透平濾器的使用壽命，增加了運(yùn)維成本。改造后透平運(yùn)行過(guò)程中，通道無(wú)積水，濾器表面清潔干燥，壓差也始終穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。

4 總 結(jié)

本文以海洋石油平臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組進(jìn)氣濾器室的改造項(xiàng)目為背景，分析了導(dǎo)致透平進(jìn)氣壓差高的原因，提出了通過(guò)改造進(jìn)氣濾器室前端擋雨罩、折流板的構(gòu)造，以減少大霧和暴雨等極端天氣雨雪進(jìn)入濾器室的方法。同時(shí)通過(guò)重新對(duì)其中的三級(jí)過(guò)濾器的濾芯進(jìn)行分析選型，使其更有利于水汽在濾器上游析出，增加了過(guò)濾效果，保證了透平進(jìn)氣濕度要求。此外，增設(shè)的排水孔有效將濾器室內(nèi)殘余的積水排出，改造的防冰裝置維修平臺(tái)為后續(xù)防冰系統(tǒng)檢修提供了便利。以上舉措有效地提高了透平運(yùn)行的穩(wěn)定性，解決了油田電網(wǎng)存在的隱患，提升了電站運(yùn)行的可靠性。