某天然氣處理終端Titan250 燃氣透平置換技術創(chuàng)新實踐

曾 強 周桂鋒 辛江華

（中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東 深圳 518000）

索拉透平公司總部位于美國加利福尼亞州圣迭哥市，是卡特彼勒公司的子公司。索拉是全球領先的工業(yè)燃氣輪機制造商，目前已有超過15000 余臺套輪機在100多個國家運轉超過25 億小時。索拉產品在全球范圍的石油、天然氣及發(fā)電項目的開發(fā)中扮演著重要角色。

中海石油某天然氣處理終端選用索拉Titan250 燃氣透平機組，直接驅動筒式壓縮機，為天然氣增壓外輸提供動力。Titan250 是索拉全球范圍內最大機型，其壓氣機16級，透平渦輪4 級，為雙軸燃氣輪機，前兩級渦輪驅動GP軸，后兩級渦輪驅動PT 軸，通過聯(lián)軸器直接驅動索拉C611 筒式壓縮機。依據(jù)索拉透平維護手冊[1]，燃氣透平每運行30000h 需進行大修置換機芯，以確保機組在下一個大修周期內平穩(wěn)運行。

1 燃氣透平置換技術

透平是以連續(xù)流動的氣體為工質的旋轉熱力機械，是由壓氣機、燃燒室和透平渦輪三大部分及相應輔助系統(tǒng)設備組成的成套動力裝備。其工作原理為一個熱力學循環(huán)：進氣- 壓縮- 燃燒- 膨脹- 做功- 排氣。燃氣輪機以空氣為工作介質，壓氣機從外界大氣中吸入空氣，并將空氣進行壓縮，經過壓縮的氣體一部分進入燃燒室，與噴入的燃料相混合，點火燃燒，產生高溫高壓高速的燃氣，具有高溫高壓高速的燃氣進入透平渦輪膨脹做功，使渦輪高速旋轉，并推動壓氣機轉子以及驅動負載一起高速旋轉[2]。

索拉燃氣透平置換技術牢牢掌握在廠家手里，屬于卡脖子關鍵核心技術。索拉公司向客戶提供一臺翻新的燃氣透平機芯用于置換，并將置換下來的舊機芯返回美國拆解，檢查更換壓氣機葉片、動力渦輪、軸承、密封等易損部件。Titan250 全亞洲僅有8 臺，而中海石油某公司在南海東部就擁有其中的5 臺，自2014 年投產以來，還未進行過大修置換，此次置換也是全亞洲首臺Titan250 置換。受疫情影響，原計劃索拉美國廠家無法到現(xiàn)場開展置換工作，只能由生產方組織技術力量開展攻關，攻堅置換難題。

2 透平置換技術難點分析

2.1 置換對中效率低、精準度不夠

透平壓縮機為高速旋轉機械，轉速高達10000rpm，定位尺寸精密，安裝配合精度高，對中工藝要求極高。并且機芯重量超過22 噸，體積龐大，由數(shù)千個零部件組成，置換對中作業(yè)復雜。索拉公司置換對中使用其具有自主知識產權的對中軟件，但不提供給現(xiàn)場使用，如何保證對中精準度，這是擺在眼前不可逾越的一個難關。傳統(tǒng)對中方法對于超大型機組來說，對中效率低、精準度不夠。

2.2 置換技術要點多，創(chuàng)新要求高

此次置換需要移除的機組附屬系統(tǒng)設備有數(shù)百項，涉及機械、電氣、儀表等多個專業(yè)領域，步驟復雜、工程量大。譬如進氣蝸殼回裝時，常常由于體積大、剛度不夠，造成前后法蘭面裝配不到位，損壞密封圈、造成蝸殼變形等情況發(fā)生。針對置換中遇到的難題，現(xiàn)場對照廠家完工文件，并查閱相關參考文獻[3]，逐個分析討論，開展技術創(chuàng)新，開發(fā)軟件，設計工裝，最終一一攻克難題。

3 透平置換技術創(chuàng)新總結

3.1 基于雙表法的對中計算軟件

透平置換對中是保證機組穩(wěn)定運行的關鍵條件。索拉公司置換對中使用其具有自主知識產權的對中軟件，無法提供給現(xiàn)場使用，這對于現(xiàn)場自主置換來說，是不可逾越的關鍵一環(huán)。為突破這一瓶頸，置換團隊從雙表法機械對中原理出發(fā)，構建數(shù)學模型，推導計算公式，并利用實際對中數(shù)據(jù)進行試驗校正，最終實現(xiàn)了雙表法中四種模式調整值的精確計算。然后按照計算邏輯，編寫代碼，匯編成軟件，成功完成了基于雙表法的對中計算軟件開發(fā)。經過數(shù)次對中實踐驗證，軟件計算結果精確有效，打破索拉對中軟件的封鎖。該軟件已經取得了國家計算機軟件著作權，證書編號：軟著登字第8165996 號。

3.1.1 構件數(shù)學模型，推導計算公式

雙表法對中是用兩個百分表檢查聯(lián)軸器輪轂和端面，并根據(jù)百分表數(shù)值，判斷機組是否滿足對中標準的機械對中方法。當對中結果不滿足要求時，利用偏差值和標準值進行比對，通過逐步換算和調整，最終達到對中標準。

通過對測得的數(shù)值進行計算分析，確定兩軸在空間的相對位置，最后得出調整值和調整方向，達到較為精確的軸對中。根據(jù)架表和打表位置的不同，雙表法有四種模式，分別是表架于固定端且表打內孔、表架于固定端且表打外緣、表架于移動端且表打內孔、表架于移動端且表打外緣[4]。這四種模式的計算過程不同，需分別構建數(shù)學模型，推導計算公式。

首先，構建對中基準模型：假設標準值Bore（軸向）12點、3 點、6 點、9 點數(shù)值分別為A、B、C、D，標準值Face（端面）12 點、3 點、6 點、9 點數(shù)值分別為E、F、G、H；實際偏差Bore12 點、3 點、6 點、9 點數(shù)值分別為a、b、c、d，實際偏差Face12 點、3 點、6 點、9 點數(shù)值分別為e、f、g、h。如圖1 所示。

圖1 對中基準模型

其次，構件機組相對位置模型，移動端外伸量為L1，地腳跨距為L2，固定端端面直徑S，移動端端面直徑為M。如圖2 所示。

圖2 機組相對位置模型

最后，根據(jù)數(shù)值構建數(shù)學模型，按照相似三角形原理，即可推導出四種模式下調整值的計算公式。

3.1.2 設計軟件架構，編寫代碼生成軟件

根據(jù)計算公式中所需要用到的數(shù)據(jù)，按照先后順序，設計六個界面，分別是“開始”、“機器參數(shù)設定”、“標準值”、“實際偏差值”、“模式選擇”、“調整值”界面。

軟件界面邏輯及操作流程如下：在“開始”界面，輸入賬號、密碼后，即可進入“機器參數(shù)設定”界面；進入“機器參數(shù)設定”界面后，輸入移動端外伸量、地腳跨度值，即可進入“標準值”設定界面；進入“標準值”界面后，在對應的空白文本框內輸入標準值，即可進入“實際偏差值”界面；進入“實際偏差值”界面后，在對應的空白文本框內輸入實際偏差值及端面直徑后，即可進入“模式選擇”界面；進入“模式選擇”界面后，根據(jù)需要，選擇四種模式中的一種，即可進入“調整值”界面；進入“調整值”界面后，單擊“顯示結果”，將計算出調整值得大小和方向。

每個界面都附有示意圖，方便理解、掌握和參數(shù)輸入；每個窗口都設置返回到上一界面的選項，方便修改數(shù)據(jù)。根據(jù)每個界面需要實現(xiàn)的功能，利用編程軟件C#，編寫相應的代碼，然后匯編成軟件。六個界面設計示意圖如圖3 所示。

圖3 六個界面設計示意圖

3.1.3 對中計算軟件試驗與應用

軟件開發(fā)完成后，在現(xiàn)場進行試驗和應用。在Titan250 透平置換機組對中過程中，經過數(shù)次對中實踐驗證，軟件計算結果精確有效，趨勢良好，經過不到兩天的時間就完成了對中調整作業(yè)，取得了良好的效果，打破索拉對中軟件的封鎖。

3.2 一種用于Titan250 進氣蝸殼裝配的可調節(jié)定位支撐

法蘭面的配合精度不夠，出現(xiàn)配合間隙超標的情況。

3.2.1.3 蝸殼后法蘭面無法通過密封圈：當后法蘭面變形嚴重時，該法蘭面甚至難以越過密封圈，導致安裝不到位。時常出現(xiàn)前法蘭面已經到位，但后法蘭面尚未穿過密封圈的情況。

3.2.1.4 后法蘭面密封圈損壞：當后法蘭面變形嚴重時，在穿越密封圈時可能會剪切破壞密封圈。

3.2.1.5 進氣蝸殼裝配安裝難度大，需要頻繁調整送入角度才能保證平行穿越密封圈，同時需要頻繁調整后法蘭面，才能保證蝸殼配合精度。進氣蝸殼裝配示意圖如圖4 所示。

圖4 進氣蝸殼裝配示意圖

針對Titan250 進氣蝸殼回裝難題，自主開發(fā)一種可調節(jié)定位支撐，安裝在進氣蝸殼法蘭面之間，保證兩個法蘭面在安裝時平行推入，防止變形，提高裝配精度和質量，經現(xiàn)場應用，快速完成精準回裝。該實用新型專利已提交技術交底和備案，獲得國家專利局受理通知，專利號：202220370284.3。

3.2.1 Titan250 進氣蝸殼回裝難點

Titan250 進氣蝸殼體積龐大，分為前后兩層法蘭，整體為不銹鋼材質，蝸殼壁厚較薄。其中前法蘭面采用墊片法蘭密封，后法蘭面采用密封圈密封；蝸殼回裝固定時，依托前法蘭面螺栓壓緊。但由于不銹鋼蝸殼整體剛度不夠，在裝配時經常出現(xiàn)如下問題：

3.2.1.1 蝸殼后法蘭面較易變形：蝸殼裝配時，兩個法蘭面之間沒有支撐，前法蘭面為主要受力面，后法蘭面為被動受力面，且后法蘭面裝配一套微凸起的密封圈，導致后法蘭面在推入的過程中容易出現(xiàn)變形和不平衡。

3.2.1.2 蝸殼后法蘭面配合間隙超標：由于后法蘭面在推入過程中出現(xiàn)一定的變形，導致后

3.2.2 可調節(jié)定位支撐桿結構介紹

一種用于Titan250 進氣蝸殼裝配的可調節(jié)定位支撐，3D 設計及裝配示意圖如圖5 所示。

圖5 可調節(jié)定位支撐3D 和裝配示意圖

3.2.2.1 該可調節(jié)定位支撐桿由法蘭支撐桿、中間螺桿和連接鋼絲繩構成。整體為可拆卸式，每組支撐長度可調，調節(jié)范圍為0-100mm。

3.2.2.2 法蘭支撐桿，共8 套，每套由不銹鋼鋼管、斜拉筋、半月環(huán)構成。鋼管一端為空心內螺紋，鋼管另一端與半月環(huán)焊接，鋼管腹部與半月環(huán)兩端采用斜拉筋焊接。鋼管長度為兩法蘭面間距的2/5；外徑為25mm，內徑為16mm，采用反向螺紋，螺紋深度為支撐桿長度的1/2。每根鋼管腹部1/2 以下10mm 處和20mm 處，開M6 直通孔。半月環(huán)直徑為后法蘭直徑，長度為后法蘭周長的1/6。斜拉筋采用8mm 不銹鋼實心桿，腹部焊接位置為支撐桿靠近半月環(huán)側的1/3 處，半月環(huán)焊接位置為其兩端。

3.2.2.3 中間螺桿，采用16mm 實心不銹鋼桿，長度為兩法蘭面間距的2/5。螺桿中間50mm 為外六方桿，兩端螺紋為反向螺紋；便于調節(jié)定位支撐的長度。

3.2.2.4 連接鋼絲繩共2 條，直徑為4mm，總長度為法蘭周長的110%。鋼絲繩一端安裝鎖緊塊，構成死繩端，鋼絲繩另一個安裝可拆卸鎖緊機構。使用時，鋼絲繩穿過每根法蘭支撐桿的M6 直通孔，累計繞成一圈，并在末端鎖緊。鎖緊后的鋼絲繩，可以防止可調節(jié)定位支撐松脫。

3.2.2.5 使用時，將一根中間螺桿與兩個法蘭支撐桿連接，構成一套可調節(jié)定位支撐。在進氣蝸殼兩個法蘭面之間對稱安裝4 套可調節(jié)定位支撐，并使用鋼絲繩繞一圈后拉緊。

3.2.3 可調節(jié)定位支撐桿實踐與應用

在進氣蝸殼兩個法蘭面之間，對稱平行安裝四組可調節(jié)定位支撐，并將支撐桿之間鋼絲繩拉緊，保證四組支撐相對平行。此時兩個法蘭面保持平行，且有足夠的支撐強度。再按照正常流程裝配進氣蝸殼，可實現(xiàn)一次性精確安裝。

該可調節(jié)定位支撐在Titan250 進氣蝸殼回裝時，經現(xiàn)場應用，保證了進氣蝸殼的剛度，提高進氣蝸殼的裝配精度和質量，有效避免損壞密封膠圈，防止進氣蝸殼變形，簡化了裝配流程，提高裝配效率，取得了較好的實踐效果。

4 結論

本文闡述了中海石油某天然氣處理終端對索拉Titan250 機組開展透平置換攻堅，突破技術封鎖，開展技術創(chuàng)新，最后研究形成專利技術成果。此次置換是全國范圍內的首次Titan250 置換，積累了大量的置換經驗，創(chuàng)新工作方式，獲得了“基于雙表法的對中計算軟件”和“一種用于Titan250 進氣蝸殼裝配的可調節(jié)定位支撐”兩個技術創(chuàng)新總結，為索拉其他型號燃氣透平機組置換提供了技術參考。