大功率燃氣輪機軸承密封氣冷卻系統(tǒng)優(yōu)化

宮有志 蔡東升

摘要：大功率燃氣輪機關(guān)鍵軸承采用壓縮氣體輔助密封，密封氣冷卻器使用海水作為冷卻介質(zhì)，在某些特定工況有海水滲漏進入滑油系統(tǒng)進而損傷核心機的風險。本文針對上述隱患提出優(yōu)化改造，并系統(tǒng)闡述將密封氣海水冷卻改造為風冷的技術(shù)方案：利用風冷器、變頻器、中央控制系統(tǒng)等設(shè)備，借助原有通訊經(jīng)PID調(diào)節(jié)控制，實現(xiàn)空氣冷卻器風機的自動變頻控制和溫度保護啟停，解決環(huán)境溫度和機組負載對冷卻器溫度控制的波動影響，最終實現(xiàn)對燃氣輪機軸承密封氣風冷系統(tǒng)恒溫控制，解決限制其穩(wěn)定運行的關(guān)鍵難題。

關(guān)鍵詞：軸承密封氣冷卻器;變頻器;PID控制;溫度控制;燃氣輪機

中圖分類號：TM62;TK473? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）02-0061-02

1? 背景簡介

海上采油平臺多采用燃氣輪機作為電站為其生產(chǎn)活動提供電源，渤海某平臺電站配置了3臺25MW西門子SGT-700型工業(yè)燃氣輪機發(fā)電機組。這種燃氣輪機的2#軸承采用密封氣輔助密封，密封氣源為輪機前端壓氣機產(chǎn)生的高溫壓縮空氣，經(jīng)過外置的海水冷卻器換熱降低溫度后進行軸承密封。因海水具有高腐蝕性，盡管冷卻器芯子的材質(zhì)考慮了耐腐蝕要求，實際運行中仍有腐蝕沖蝕導(dǎo)致?lián)Q熱器穿孔泄露的風險。機組在運行狀態(tài)下，壓縮空氣壓力高于海水壓力，使得冷卻器泄露有很強的隱蔽性，在機組降速或者報警關(guān)停時，海水就會大量泄漏至機組內(nèi)部，導(dǎo)致污染滑油，甚至損傷軸承、腐蝕燃燒室及動力渦輪等核心部件。一旦發(fā)生上述情況，該燃氣輪機往往需要返廠大修，產(chǎn)生高昂的維修成本，并會進一步影響油田的穩(wěn)定生產(chǎn)。

某機組在正常停機后發(fā)現(xiàn)滑油箱體液位有上升趨勢，經(jīng)排查確認為上述故障情況，工況相同的其它機組也存在類似風險。為了從根源上消除隱患，保障燃氣輪機本質(zhì)運行安全，需要對密封氣冷器系統(tǒng)進行故障處理或優(yōu)化改造。

技術(shù)人員與工廠協(xié)商，擬定解決方案如下：

①工廠發(fā)送新的冷卻器芯替換安裝，并對泄露產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)故障進行排查處理。因不能從本質(zhì)上消除隱患，予以否定;

②工廠按換熱量提供風冷式換熱器，替換安裝;

③仍然使用原型號冷卻器，額外加裝一套淡水循環(huán)系統(tǒng)，采用海水冷卻淡水、淡水冷卻密封氣。

由于第二方案時效性較高，且能相對徹底的解決潛在風險，成為首選方案。但冷卻方式的調(diào)整會導(dǎo)致新的技術(shù)問題，以下具體介紹風冷換熱器的改造實施方案。

2? 技術(shù)方案的確定

空冷器替換水冷安裝完畢后，啟動燃機進行測試，發(fā)現(xiàn)密封氣溫度大幅波動：在不啟動風機的情況下，上升較快，很快接近燃機密封氣高溫報警/關(guān)斷設(shè)定值，啟動單臺風機工頻運行時，溫度又急速下降，低于工廠推薦的允許值。糾其原因，相較換熱量穩(wěn)定的水冷裝置，風冷裝置對環(huán)境條件更加敏感，燃機負載變化、環(huán)境溫度變化需要的換熱量變化劇烈，不能滿足燃機穩(wěn)定運轉(zhuǎn)需求。

燃機廠家提出將兩臺風機調(diào)整為自動啟?？刂疲蜃詣訂⑼７绞街荒芴峁╇A梯式的風量調(diào)節(jié)，且環(huán)境溫度低時最低階的風量仍大于換熱需求，技術(shù)人員基于海上平臺的資源條件，自主實施以下的優(yōu)化改造方案：

冷卻風機電機是可以變頻運行的，最低運行頻率5Hz。利用MM420小型變頻器可實現(xiàn)對風機進行轉(zhuǎn)速控制，實測密封氣溫度可以暫時穩(wěn)定，變頻器頻率需要根據(jù)環(huán)境溫度、機組負載等情況實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。西門子透平與平臺中央控制系統(tǒng)（后續(xù)簡稱：中控）存在485通訊，通過中控可以實時監(jiān)控透平部分數(shù)據(jù)，通過該通訊鏈路可以實現(xiàn)對密封氣溫度監(jiān)控，再由中控系統(tǒng)組態(tài)PID控制回路，輸出對變頻器的模擬量和開關(guān)量控制，從而實現(xiàn)密封氣溫度的恒溫控制。

本改造方案整體結(jié)構(gòu)如圖1。

3? 恒溫控制方案的設(shè)計與實施

3.1 PID變頻器恒溫系統(tǒng)總體方案設(shè)計

燃氣輪機密封氣溫度恒定控制的實現(xiàn)主要通過動力系統(tǒng)與儀控系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合實現(xiàn)，主要有變頻器、溫度傳感器、中央控制器和變頻風機組成。動力系統(tǒng)主要包括風機與變頻器，儀控系統(tǒng)主要包括溫度變送器、中央控制器等。本次改造的特點在于利用透平現(xiàn)有控制系統(tǒng)并不做改變，通過平臺中控系統(tǒng)系統(tǒng)實現(xiàn)中央控制器和溫度控制的功能。

3.2 動力系統(tǒng)

動力系統(tǒng)配置主要包括電纜敷設(shè)與接線、變頻器安裝、變頻器設(shè)置與空載調(diào)試。電氣施工對空閑配電柜進行改造，拆除原內(nèi)部器件，重新安裝固定MM420變頻器。鋪設(shè)通訊電纜，使變頻器與中控系統(tǒng)建立聯(lián)系。通過對變頻器的參數(shù)設(shè)置，實現(xiàn)中控系統(tǒng)通過模擬量進行調(diào)速控制功能、中控遠程啟動與停止風機功能，同時主開關(guān)間變頻柜處可實現(xiàn)就地啟停與BOP面板調(diào)速功能。通過模擬量信號整定與頻率上下限設(shè)置，可實現(xiàn)4—20mA電流信號對應(yīng)5—50Hz頻率調(diào)節(jié)。

3.3 儀控系統(tǒng)

3.3.1 儀控系統(tǒng)設(shè)計

儀表施工涉及中控系統(tǒng)組態(tài)，中控系統(tǒng)接線箱至變頻器電纜敷設(shè)和PID回路調(diào)試。利用通訊點進行PID控制在中控系統(tǒng)中并不常應(yīng)用，為保證密封氣溫度的可靠性，在保證PID可以手自動控制的前提下，增加開關(guān)量邏輯啟動停止變頻器，即可以在中控設(shè)定變頻器的啟動和停止溫度。恒溫控制系統(tǒng)框圖如圖2。

在溫度控制中普遍存在參數(shù)時變、大滯后、非線性等特點，透平運行情況負責，密封氣的溫度又與機組的帶載有一定關(guān)系，并且受環(huán)境溫度變化影響較大，為保持密封氣溫度穩(wěn)定和變頻風機運行頻率平穩(wěn)，PID各參數(shù)的設(shè)置要反復(fù)調(diào)試和校準。

3.3.2 溫度PID控制

這是一個典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)，用于控制加密封氣的溫度（PV）保持在恒定的溫度目標值（SV）。系統(tǒng)通過西門子透平本機溫度采集單元反饋回來的實時溫度信號通過485通訊傳至EMERSON Deltav 系統(tǒng)中，獲取偏差值（EV），偏差值經(jīng)過 PID 調(diào)節(jié)器運算輸出，控制風機變頻器的頻率，以克服偏差，促使偏差趨近于零。

溫度控制系統(tǒng)是一個慣性較大的系統(tǒng)，也就是說，當給冷卻器開始降溫之后，并不能立即觀察得到溫區(qū)溫度的明顯上升;同樣的，當關(guān)閉風機之后，溫區(qū)的溫度仍然有一定程度的下降。另外，熱電偶對溫度的檢測，與實際的溫區(qū)溫度相比較，也存在一定的滯后效應(yīng)。這給溫度的控制帶來了困難。因此，如果在溫度檢測值（PV）到達設(shè)定值時才關(guān)斷輸出，可能因溫度的滯后效應(yīng)而長時間超出設(shè)定值，需要較長時間才能回到設(shè)定值;如果在溫度檢測值（PV）未到設(shè)定值時即關(guān)斷輸出，則可能因關(guān)斷較早而導(dǎo)致溫度難以達到設(shè)定值。同時現(xiàn)場冷卻器分為兩組，前段為溫度高熱端冷卻器，后端為冷端冷卻器，密封氣的溫度受兩個冷卻器的狀態(tài)影響，同時受環(huán)境溫度和透平帶載都有一定影響，這給密封氣的恒溫控制帶來了很大的難度，為了合理地處理系統(tǒng)響應(yīng)速度與系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的矛盾，需要反復(fù)調(diào)試PID參數(shù)的設(shè)置和整體控制邏輯。

在實際調(diào)試過程中，由于機組負載和環(huán)境溫度等多重影響的變化，造成了整體系統(tǒng)很難達到穩(wěn)態(tài)，運用典型PID控制原理及其算法，根據(jù)調(diào)解得到曲線將OP值的低限根據(jù)負載和環(huán)境溫度的變化做設(shè)定，在低限到10%時，整體溫度波動基本處于長期穩(wěn)定狀態(tài)。實施恒溫改造前后，燃氣輪機軸承密封氣溫度變化趨勢如圖3。

4? 效果與總結(jié)

在密封氣溫度高于55℃時現(xiàn)場風機自動啟動，溫度低于40℃時現(xiàn)場風機自動停止，實現(xiàn)冷卻風機的自動啟停功能和保護。根據(jù)實際溫度，中控系統(tǒng)PID控制有效調(diào)節(jié)冷卻風機運行頻率，密封氣溫度基本恒定在工廠推薦值60℃左右，穩(wěn)定后現(xiàn)場冷卻風機保持穩(wěn)定頻率運行。在發(fā)電機組帶載變化、環(huán)境溫度變化等干擾出現(xiàn)后，能夠自動調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速，穩(wěn)定后能使溫度有效回歸并保持在60℃左右。

變頻器停機報警、燃氣輪機密封氣高溫報警為觸發(fā)條件，可設(shè)置備用冷卻風機的啟停邏輯，進而總體上實現(xiàn)密封氣冷卻系統(tǒng)的安全可靠，獨立的控制單元沒有對燃氣輪機的控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾和影響。在冬季降溫、氣候回暖、負載波動或劇烈變化、晝夜溫度變化等情況下，均能實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)透平燃氣輪機密封氣溫度并保持穩(wěn)定。

對于西門子工業(yè)機型的燃氣輪機，說服廠家主動做出調(diào)整十分困難。上述改造在實施初期，服務(wù)工程師以種種理由說明對控制系統(tǒng)的改動權(quán)限非常高，成本高并且具有其他風險。我們采用變頻器和工業(yè)系統(tǒng)PID控制這種非常成熟的工業(yè)技術(shù)，獨立于燃氣輪機控制系統(tǒng)本身，實現(xiàn)了密封氣溫度的跟隨控制，最終獲得其現(xiàn)場服務(wù)工程師的高度評價。在防控新型冠狀病毒肺炎時期，動員國外人員、物資非常困難，依托現(xiàn)有資源，及時處理燃機運行的關(guān)鍵性問題，也給企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益。

參考文獻：

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