透平發(fā)電機(jī)組應(yīng)急噴淋降溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

龔昌平，劉鐵柱，任憲濤

(中海石油(中國(guó))有限公司秦皇島32-6/渤中作業(yè)公司，天津 300459)

某海上浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置(FPSO)上共配備有4臺(tái)(3用1備)完全相同的由美國(guó)索拉(SOLAR)公司生產(chǎn)的TITAN130雙燃料透平發(fā)電機(jī)組，主要用于為全油田供電。透平發(fā)電機(jī)組的滑油冷卻系統(tǒng)作為防止滑油高溫的關(guān)鍵設(shè)備，其穩(wěn)定性直接關(guān)系到透平發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定性[1-3]。目前關(guān)于運(yùn)行中的機(jī)組當(dāng)滑油冷卻系統(tǒng)的高溫故障研究報(bào)道較少，為此，推出滑油系統(tǒng)因高溫造成關(guān)斷故障的應(yīng)急設(shè)計(jì)方案。

1 問(wèn)題提出及解決方案

1.1 問(wèn)題提出

所述FPSO上每臺(tái)機(jī)組各配備1臺(tái)翅片式風(fēng)冷滑油冷卻器，散熱器位于主配電間(MCC)頂部，尺寸為2 286 mm×2 273 mm×292 mm。因設(shè)備老化、冷卻風(fēng)扇電機(jī)故障、風(fēng)扇皮帶疲勞斷裂、翅片受雜物附著等因素的影響，導(dǎo)致?lián)Q熱效果不理想，因而頻繁引起滑油系統(tǒng)高溫進(jìn)而造成機(jī)組關(guān)斷。分析故障情況發(fā)現(xiàn)，當(dāng)滑油冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，滑油頭溫度上升迅猛，一般在5～8 min就可達(dá)到關(guān)斷值73.9 ℃，且此時(shí)環(huán)境溫度為5 ℃左右(滑油箱溫度約為65 ℃)。因而如何提高故障排除響應(yīng)時(shí)間，以便現(xiàn)場(chǎng)操作及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，判斷故障根源，并排除故障，這在一定程度上與避免機(jī)組關(guān)斷成正相關(guān)。同時(shí)，在夏季高溫環(huán)境下，受陽(yáng)光直射等因素的影響，滑油冷卻器散熱效果差，滑油箱的溫度高達(dá)90 ℃以上，滑油頭經(jīng)常出現(xiàn)高溫報(bào)警；尤其是隨著目前油田增儲(chǔ)上產(chǎn)項(xiàng)目的增加，電力負(fù)荷日益增高，電站即將接近滿(mǎn)載[4-5]，若碰上機(jī)組大修，機(jī)組故障等情況導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有備用機(jī)組，滑油冷卻器翅片被毛絮等雜物附著無(wú)法進(jìn)行清潔時(shí)，滑油高溫現(xiàn)象更加明顯，嚴(yán)重影響油田電站的穩(wěn)定性。

1.2 解決思路

根據(jù)工程實(shí)踐，對(duì)滑油系統(tǒng)進(jìn)行降溫一般采用風(fēng)冷或水冷，而風(fēng)冷對(duì)風(fēng)扇葉片的要求比較大且散熱比較慢，而冷卻噴水降溫系統(tǒng)作為一種常用的冷卻方式，在工程實(shí)踐中有著普遍的應(yīng)用，且能達(dá)到快速降溫的目的。通過(guò)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，考慮采用在滑油冷卻器上設(shè)計(jì)加裝1套自動(dòng)應(yīng)急噴淋降溫系統(tǒng)的方法來(lái)達(dá)到應(yīng)急降溫的目的。

應(yīng)急噴淋降溫系統(tǒng)主要是通過(guò)噴淋管線將常溫下的淡水噴到散熱翅片上，通過(guò)熱交換和汽化蒸發(fā)的原理，使冷卻水帶走大量的熱量，來(lái)降低散熱翅片和滑油的溫度。

2 自動(dòng)應(yīng)急噴淋降溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

因各機(jī)組在不同工況下運(yùn)行時(shí)各項(xiàng)參數(shù)均存在一定的差異，分析采用4臺(tái)機(jī)組的平均參數(shù)?？紤]到海水容易對(duì)散熱翅片造成腐蝕，結(jié)合后期布置噴淋管線的可操作性和經(jīng)濟(jì)性，冷流體介質(zhì)選用淡水；熱流體介質(zhì)為潤(rùn)滑油(型號(hào)：BP TURBINOL X32)。

2.1 物性參數(shù)

兩流體有關(guān)物性參數(shù)見(jiàn)表1[6]。

淡水出口管線至MCC撬頂?shù)拇怪本嚯x約為33 m，淡水泵的壓頭0.81 MPa，排量16 m3/h，撬下主甲板淡水總管線直徑50 mm；潤(rùn)滑油盤(pán)管在散熱器內(nèi)呈40×5的分布，盤(pán)管尺寸為3/4 in。

2.2 設(shè)計(jì)計(jì)算和分析

2.2.1 計(jì)算公式

傳熱基本公式[6]

Q=K·A·Δtm

(1)

式中：Q為換熱量，kW；K為總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；A為換熱面積，m2；Δtm為平均傳熱溫差，℃。

為使設(shè)計(jì)結(jié)果滿(mǎn)足不同工況的需要，根據(jù)潤(rùn)滑油換熱器的經(jīng)驗(yàn)總傳熱系數(shù)參考值，經(jīng)查表取總傳熱系數(shù)K的下限值為230 W/(m2·K)。

換熱量計(jì)算式[7]

Q=c·qm·Δt

(2)

式中：Q為換熱量，kW；C比熱容，kJ/(kg·℃)；qm為質(zhì)量流量，kg/h；Δt為溫差，℃。

《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》的近200個(gè)締約方2015年12月在巴黎氣候變化大會(huì)上達(dá)成《巴黎協(xié)定》，鼓勵(lì)使用低碳能源來(lái)減少溫室氣體排放，長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)是確保將全球平均氣溫較工業(yè)化前水平的升高控制在2℃之內(nèi)，并為把升溫控制在1.5℃之內(nèi)付出努力。根據(jù)國(guó)際能源署(IEA)提供的信息，目前全球約70%的電力來(lái)自化石燃料，如果想在2050年實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，80%的電力需要來(lái)自低碳能源。

平均傳熱溫差Δtm為[8]

(3)

式中：thi為熱流體進(jìn)口溫度，℃；tho為熱流體出口溫度，℃；tci為冷流體進(jìn)口溫度，℃；tco為冷流體出口溫度，℃。

2.2.2 理論計(jì)算

將熱流體和冷流體對(duì)應(yīng)的物性參數(shù)值分別代入(1)～(3)式，分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2的計(jì)算結(jié)果表明換熱面積及噴淋管線內(nèi)淡水流量，均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。并且只需8.96 m3/h淡水，噴淋總管線選用1.5 in，即可滿(mǎn)足實(shí)際需求。

表2 各主要參數(shù)計(jì)算結(jié)果

2.3 噴嘴的設(shè)計(jì)

從經(jīng)濟(jì)成本等多角度出發(fā)，通過(guò)從撬下主甲板淡水總管線上引出1條管線作為噴淋總管線，再?gòu)膰娏芸偣芫€上引出4條分管線分別通向4臺(tái)滑油冷卻器，最后在滑油冷卻器頂部中線位置設(shè)計(jì)一根噴淋管線，并在噴淋管線上相應(yīng)間距切割多個(gè)1/3圈(噴淋夾角為120°)相應(yīng)大小的噴淋口(噴淋口寬度應(yīng)盡量小，以實(shí)現(xiàn)更好的霧化效果)，形成噴嘴。同時(shí)，為起到節(jié)流增速的目的，使得噴出的水能夠起到良好的霧化效果，設(shè)計(jì)中選用1 in的管線作為噴淋管線，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，噴淋口子切割寬度為1 mm。

根據(jù)管線周長(zhǎng)計(jì)算可得噴淋管線的周長(zhǎng)為0.08 m，流經(jīng)每個(gè)噴嘴的流量為0.85 m3/h，噴嘴數(shù)目為11個(gè)，即噴淋管線上各個(gè)噴嘴之間的間距為207.8 mm；噴淋管線至滑油冷卻器頂部的安裝高度為659 mm。

因此，只需在噴淋管線上每隔207.8 mm共布置11個(gè)噴嘴即可滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求。從而基本實(shí)現(xiàn)噴水全覆蓋于散熱翅片上，以實(shí)現(xiàn)噴淋降溫。具體流程見(jiàn)圖1。

圖1 自動(dòng)應(yīng)急噴淋降溫系統(tǒng)流程

3 自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置

圖2 自動(dòng)應(yīng)急噴淋降溫系統(tǒng)電磁閥控制程序

同時(shí)，為了防止電磁閥故障或PLC程序故障，導(dǎo)致電磁閥無(wú)法自動(dòng)開(kāi)啟，在通往每臺(tái)滑油冷卻器的支路上再旁通1路手閥，便于應(yīng)急時(shí)直接開(kāi)閥使用，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和手動(dòng)的全方位控制。安裝現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖3。

圖3 國(guó)內(nèi)某FPSO實(shí)際安裝現(xiàn)場(chǎng)

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

手動(dòng)測(cè)試，當(dāng)應(yīng)急噴淋降溫系統(tǒng)工作時(shí)，滑油系統(tǒng)降溫效果明顯，僅15 min，滑油頭的溫度由接近報(bào)警值的70 ℃(報(bào)警值71.1 ℃)降至52 ℃，滑油箱的溫度由83 ℃降至71 ℃。兩次階段性的停止噴淋測(cè)試，發(fā)現(xiàn)滑油箱的溫度變化基本趨于穩(wěn)定。

裝機(jī)后長(zhǎng)時(shí)間對(duì)滑油冷卻降溫效果進(jìn)行驗(yàn)證，由于自動(dòng)應(yīng)急噴淋降溫系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)機(jī)組滑油頭的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)，使得滑油頭的溫度即使在夏季高溫環(huán)境時(shí)也基本穩(wěn)定在60 ℃左右，滑油箱的溫度基本穩(wěn)定在75 ℃左右，見(jiàn)圖4。

圖4 應(yīng)急噴淋降溫系統(tǒng)實(shí)施后機(jī)組的溫度變化

4 結(jié)論

1)對(duì)于噴嘴而言，適當(dāng)減小噴淋口子的寬度能有效提高霧化效果，但當(dāng)噴淋口子過(guò)小時(shí)會(huì)導(dǎo)致噴水量不足達(dá)不到應(yīng)急降溫的目的，因此存在一個(gè)合適的噴淋口子寬度值和噴嘴數(shù)量值。

2)由于自動(dòng)應(yīng)急噴淋降溫系統(tǒng)的作用使得機(jī)組的滑油溫度一直維持在一個(gè)良好的且穩(wěn)定的狀態(tài)下，從而使得滑油的漆膜傾向指數(shù)和抗氧化性能等指標(biāo)也有了很大的改善，提升了透平發(fā)電機(jī)組滑油系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3)通過(guò)對(duì)機(jī)組滑油頭的溫度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，能有效減少人工緊急操作和故障判斷時(shí)所產(chǎn)生的誤差，提高了設(shè)備操作的可靈活性和自動(dòng)化程度，有效降低了透平發(fā)電機(jī)組因滑油高溫導(dǎo)致的關(guān)斷故障率。