TITAN130透平輔助儀表氣管匯中冷凝水的排放改造

鐘凱誠(chéng)，邱海濱

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司 天津 300459)

透平發(fā)電機(jī)組是海上平臺(tái)主要?jiǎng)恿υO(shè)備，為平臺(tái)生產(chǎn)和生活提供電力，其是否穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)乎油田生產(chǎn)的穩(wěn)定性。油田發(fā)現(xiàn)索拉TITAN130透平經(jīng)常出現(xiàn)柴油啟機(jī)時(shí)點(diǎn)火失敗的現(xiàn)象，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查確認(rèn)，在輔助儀表氣管匯的低點(diǎn)有大量冷凝水，此處的冷凝水在透平機(jī)組燃油啟機(jī)點(diǎn)火時(shí)會(huì)直接噴到點(diǎn)火器和噴嘴上，打濕點(diǎn)火器的火花塞，易造成燃油模式點(diǎn)火失敗，影響透平運(yùn)行穩(wěn)定性。本文通過分析冷凝水形成原因和來源，提出冷凝水排放的改造方案。

1 原因分析

1.1 輔助儀表氣的作用

索拉TITAN130機(jī)組在燃油模式啟機(jī)點(diǎn)火時(shí)，盤車轉(zhuǎn)速僅為20%，壓氣機(jī)出口的壓縮空氣即 PCD壓力小，僅依靠機(jī)組自身的壓氣機(jī)氣流不足以對(duì)高熱值的柴油進(jìn)行霧化，因此燃油啟機(jī)點(diǎn)火時(shí)需要使用外接輔助儀表氣對(duì)柴油進(jìn)行霧化。

從圖1可以看出，儀表氣的去路有兩路，一路是去點(diǎn)火器，另一路是去透平機(jī)組的空氣管匯，對(duì)柴油進(jìn)行霧化。當(dāng)轉(zhuǎn)速＞65%時(shí)，不再用外接的儀表氣，利用機(jī)組本身 PCD氣體即可霧化柴油，維持機(jī)組高速運(yùn)轉(zhuǎn)。從圖2可以看出，燃油模式點(diǎn)火激活并且轉(zhuǎn)速＜65%時(shí)，電磁閥 L350-1(間接控制外接儀表氣的閥門)得電，故機(jī)組在燃油模式點(diǎn)火和 NGP＜65%的爬坡階段利用外接儀表氣對(duì)柴油進(jìn)行霧化。

1.2 冷凝水形成原因分析

輔助儀表氣管匯中的冷凝水主要存在于圖1中的①和②處，尤其是①處的冷凝水較多。透平機(jī)組所用儀表氣為公用氣經(jīng)干燥塔干燥后的氣體，壓力為8bar左右，露點(diǎn)為-70℃，儀表氣較干燥，所以此處的冷凝水并非來自儀表氣。輔助儀表氣管匯中冷凝水是從后方管線及機(jī)組空氣管匯中倒流過來，并聚集在單流閥VCH932前，即圖1中的①處。

圖1 外接儀表氣流程圖[1]Fig.1 External instrument gas flow[1]

圖2 PLC程序中控制L350-1語句Fig.2 L350-1 control statement in PLC program

空氣是由干空氣和一定量的水蒸氣混合而成的，因此也叫做濕空氣，當(dāng)管線表面溫度低于此處氣體的露點(diǎn)溫度時(shí)，水汽凝結(jié)就會(huì)發(fā)生在管壁上，從而產(chǎn)生冷凝水[2]。當(dāng)空氣中水分的含量超過飽和濃度，水就會(huì)冷凝出來，其產(chǎn)生量一般與空氣的含濕量、露點(diǎn)溫度、溫度有關(guān)系。

透平機(jī)組在每次停機(jī)時(shí)，機(jī)組在盤車馬達(dá)的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)速 15%，執(zhí)行 4h的后潤(rùn)滑。由于海上環(huán)境濕度較大，夏天能達(dá)到 60%～80%，機(jī)組逐漸冷卻的過程中，冷凝水開始形成，同時(shí)潮濕空氣經(jīng)機(jī)組壓氣機(jī)的輕微增壓，更容易形成冷凝水。冷凝水沿著內(nèi)壁向下流，并在機(jī)組底部聚集，燃燒室和排氣尾椎的冷凝水可以分別通過其底部的排液管線排掉，而輔助空氣管匯和點(diǎn)火器的空氣管線內(nèi)的冷凝水則沿著管線流至最低點(diǎn)直至有單流閥處，即圖1中的①處。每次透平機(jī)組停機(jī)都會(huì)產(chǎn)生一定量的冷凝水，燃?xì)饽Ｊ绞峭钙綑C(jī)組主要燃料模式，燃?xì)饽Ｊ絾C(jī)時(shí)不使用外接儀表氣，造成輔助儀表氣管匯中的冷凝水越積越多，這樣很容易引起機(jī)組在燃油啟機(jī)時(shí)點(diǎn)火失敗。

2 改造思路及方案分析

2.1 改造思路

經(jīng)過上述分析可知，輔助儀表氣管匯中的冷凝水是從機(jī)組內(nèi)部倒流并匯集在一起的，因此首先考慮能否采取措施從源頭上抑制冷凝水的產(chǎn)生。影響冷凝水形成的因素包括空氣濕度、溫度、壓力。透平吸入的空氣經(jīng)過兩級(jí)濾器過濾，吸入的空氣量很大，最大達(dá)到 14110m3/h[3]，再加上海上空氣濕度較大，在空氣入口處設(shè)法降低空氣的濕度顯然不可行。由于冷凝水是機(jī)組內(nèi)部較熱的氣體在接觸到溫度較低的輔助儀表氣管匯產(chǎn)生，而輔助空氣管匯距離機(jī)組很近，試圖增加儀表氣管匯的溫度也是不可行的。通過分析可知，其他條件不變的情況下，降低壓力能減少冷凝水的形成，但儀表氣管匯內(nèi)的壓力無法改變。因此解決儀表氣管匯中冷凝水的問題，歸結(jié)為如何有效地將冷凝水排放掉。

冷凝水形成后會(huì)沿著管壁向下流動(dòng)，因此在最低點(diǎn)處進(jìn)行收集和排液最有效。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，在單流閥VCH932前增加排液管線(圖3)，此處有單流閥能阻止冷凝水繼續(xù)向前流動(dòng)，而且是管線最低點(diǎn)。排放管線上的排放閥可以選用截止閥手動(dòng)進(jìn)行放液，也可以增加電磁閥自動(dòng)控制放液。根據(jù)排液閥的控制方式不同，探討冷凝水排放改造的不同方案。

圖3中①處位于單流閥前也是管線最低點(diǎn)，該處冷凝水比較多，其來自機(jī)組空氣主環(huán)管；②處的水分相對(duì)較少一些，來自點(diǎn)火器的助燃空氣管線。

2.2 方案探討

方案一：排放管線上增加集液包和手動(dòng)截止閥。

利用現(xiàn)場(chǎng)余料制作集液包，并且使到集液包的管線略微向下傾斜，以利于冷凝水流向集液包。在集液包底部加裝截止閥，可以方便地進(jìn)行手動(dòng)排液，流程圖如圖4所示。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)溫槍測(cè)量，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)輔助儀表氣管匯(圖3中的①處)只有 20℃，因此選用150LB等級(jí)的截止閥即可。

優(yōu)點(diǎn)：只需增加管線、集液包、截止閥，簡(jiǎn)單易行，不改動(dòng)程序。

缺點(diǎn)：需現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)放液，操作不便。

圖3 排液管線增加集液包和截止閥Fig.3 Increased collection package and globe valve

方案二：外接時(shí)間繼電器自動(dòng)控制排液閥。

該方案可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組停機(jī)后，每隔 24h開閥放水一次，每次放水 2min；并設(shè)置手動(dòng)開閥放液開關(guān)。采用 3臺(tái)機(jī)組聯(lián)控控制，共同使用同一套時(shí)間繼電器。如圖5所示，機(jī)組停機(jī)后，手動(dòng)閉合開關(guān)(SB A或SB B或SB C)，時(shí)間繼電器KT1得電，計(jì)時(shí)24h，KT1.0延時(shí)閉合觸點(diǎn)閉合，繼電器 KM 得電，觸點(diǎn)KM.0閉合，電磁閥得電開閥放液；與此同時(shí) KT1.1延時(shí)閉合觸點(diǎn)閉合，延時(shí) 2min后，KT2延時(shí)斷開觸點(diǎn)斷開，時(shí)間繼電器 KT1失電，電磁閥關(guān)閉。通過KT1和 KT2的互鎖，實(shí)現(xiàn)每隔 24h開閥一次，每次只開閥2min。(KT2是為了控制 KT1的延時(shí)閉合觸點(diǎn)閉合2min)。圖5(a)中，SB A/B/C與圖5(b)中的SB A/B/C采用同一個(gè)開關(guān)。在手動(dòng)強(qiáng)制開啟某一臺(tái)機(jī)組(如 A 機(jī))的電磁閥時(shí)，需將手動(dòng)強(qiáng)制開關(guān)和對(duì)應(yīng)機(jī)組的停機(jī)開關(guān)閉合(即SB A)。

圖4 電氣原理Fig.4 Electrical principle

優(yōu)點(diǎn)：能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)組停機(jī)后手自動(dòng)放液。

缺點(diǎn)：所需備件較多，接線復(fù)雜。

方案三：修改SOLOR程序自動(dòng)控制排液閥。

通過 LOGIX5000修改透平控制程序，實(shí)現(xiàn)機(jī)組停機(jī)后，在控制盤上能控制排液閥開啟放液，每次排液 200s。如圖6所示，在排液管線上新增電磁閥L931和氣動(dòng)球閥 V2P931，通過程序控制電磁閥L931的通斷，實(shí)現(xiàn)V2P931控制氣源的通斷，進(jìn)而控制V2P931球閥的開關(guān)，進(jìn)行排液。

新增PLC如圖6所示，程序說明：在控制盤上點(diǎn)擊排液按鈕，程序判斷機(jī)組狀態(tài)(需停機(jī)狀態(tài))，繼電器 L391得電 200s(即連續(xù)排液 200s)，并在控制盤上進(jìn)行狀態(tài)反饋。計(jì)時(shí) 200s后，繼電器L391失電，排液球閥V2P931關(guān)閉。

優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)自動(dòng)放液，所需備件少。

缺點(diǎn)：需要改動(dòng)程序(需SOLAR授權(quán))。

通過綜合評(píng)價(jià) 3種方案，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，確定采用方案一，現(xiàn)場(chǎng)增加冷凝水集液包和放液閥(圖7)。該方案簡(jiǎn)單易行，操作方便，同時(shí)能有效地將輔助儀表氣管匯中的冷凝水收集至集液包中并排放掉。

圖5 方案三改造流程圖Fig.5 Flow chart of retrofit scheme three

圖6 PLC需要新增程序的部分截圖Fig.6 Some screenshots of new program for PLC

圖7 現(xiàn)場(chǎng)增加積液包和截止閥Fig.7 Liquid loading pocket and globe valve added on-site

3 結(jié) 語

通過分析儀表氣管匯冷凝水形成的原因，根據(jù)放液閥不同的控制原理，提出 3種改造方案。創(chuàng)新性提出在輔助儀表氣管匯上新增冷凝水排液管線，現(xiàn)場(chǎng)采用最簡(jiǎn)單有效的方案，即在排液管線上安裝集液包和手動(dòng)排液閥。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，此次改造能高效地將從機(jī)組的輔助空氣管匯倒流回來的冷凝水排放掉，切實(shí)提高了透平燃油啟機(jī)的成功率。