海上平臺透平發(fā)電機搬遷的技術研究

郝亮

[摘 ? ?要]隨著海上油氣田開采技術不斷發(fā)展，海上油氣田處理工藝及開采產量日益增加，對用電需求不斷加大，對海上孤島電網供電提出更高的挑戰(zhàn)。為滿足大功率設備的運行與用電安全，需利用大型透平發(fā)電機并網供電形式，開展各電壓等級機組與高電壓等級大型機組的組網技術研究。通過增加各電壓等級發(fā)電機組與平臺現有大容量機組進行組網以補充平臺用電缺口，在降低改造工程投資的情況下解決電力缺口問題。

[關鍵詞]海洋石油平臺;透平發(fā)電機組;搬遷工程設計

[中圖分類號]TM31;TE95 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）03–00–03

Technical Research on Relocation of Turbine Generator on Offshore Platform

Hao Liang

[Abstract]With the continuous development of offshore oil and gas field production technology， the treatment process and production output of offshore oil and gas fields are increasing， and the demand for electricity is increasing. It poses a higher challenge to the power supply of offshore island power grid. In order to meet the operation and power safety of high-power equipment， the grid connected power supply form of large turbine generator is used. Research on networking technology of various voltage level units and high voltage level large units. The power gap of the platform is supplemented by increasing the networking between the generator units of various voltage levels and the existing high-capacity units of the platform， so as to solve the power gap under the condition of reducing the investment of the reconstruction project.

[Keywords]offshore oil platform; turbine generator set; relocation engineering design

隨著海上油氣田生產規(guī)模不斷擴大，電力負荷持續(xù)的增加，局部油田區(qū)域出現電力短缺的狀況。本文以渤海地區(qū)某項目為例進行研究，該項目中電站能力已經無法滿足供電需求。對比增加柴油發(fā)電機故障率與燃料成本高，并出于減排目的，故考慮增加采用燃氣發(fā)電機，這樣既能減少柴油消耗量又能使原本放空的天然氣得到充分的利用。

為使閑置資產能夠發(fā)揮更好作用，故對閑置透平發(fā)電機進行搬遷。本次搬遷機組來自渤海某閑置FPSO，該機組為SOLAR T60，其額定功率為4552 kW。搬遷投產后將大幅緩解所在區(qū)域的用電瓶頸問題。且透平機組采用交換機組的方式進行返廠大修，可以保證設計年限內機組運行的安全與可靠性。本次使用的透平發(fā)電機組參數見表1。

1 針對透平的搬遷與安裝開展了以下相關研究

1.1 發(fā)電機組擺放位置研究

由于透平屬于高速旋轉設備，在常規(guī)項目中設備布置選取在平臺的軸間位置，以保證設備可穩(wěn)定減少對平臺的結構沖擊，更好地保證設備的平穩(wěn)運行。由于改造項目的特殊性，需要盡量減少項目改造量，縮短項目周期并控制項目開支達到經濟性的原則，本項目對新增透平的擺放位置做了專題研究，并對每個位置的利弊進行論證。最終考慮把透平放置在西南側舷外，通過增補甲板放置透平及其附屬設備。

此方案的優(yōu)點：對平臺原有系統(tǒng)改造量小，無需對現有設備進行移位等改造，減少停產時間。頂甲板利于設備吊裝就位等施工。

存在的問題：放置在平臺西南角外側位置，結構相對薄弱，無法做到對樁基直接的支撐。外延部分易產生震動：對機組運行不利，易造成設備損壞的風險。因此在設計中為了規(guī)避兩個不利點做了一些特殊設計。

為了解決外側位置結構薄弱與振動問題，對設備的就位精度及結構強度有著更高的要求，本項目透平移位后放置于外擴甲板處，距離平臺樁腿較遠，采用透平發(fā)電機底座支撐加支撐的方式。并根據結構形式和透平振動進行核算，通過振動分析對結構和透平進行校核。通過對透平支點下方增加立柱的方式，保證透平運轉時振動與受力能夠更好地向下傳導。圖1中新增甲板結構用紅色桿件表示，綠色桿件為透平支點下方的立柱。除此之外，還對透平的底座進行了特殊設計，采用FPSO專用三角底座，此底座較常規(guī)底座能夠有效地阻止外界振動干擾傳到機組，也可以對設備支撐點產生的不均衡進行抵消。

1.2 振動分析

海洋石油平臺是海洋油氣資源開發(fā)的基礎設施，其結構復雜、體積龐大、造價昂貴，且所處環(huán)境惡劣。平臺結構振動主要包括兩個方面：①由于環(huán)境載荷作用，平臺結構產生振動;②平臺上的各種設備（如透平發(fā)電機、壓縮機、外輸泵、吊機等）運行過程中引發(fā)平臺結構振動。設備振動導致平臺結構振動不可小覷，不僅會對平臺工作人員舒適度造成影響，甚至有可能造成平臺結構發(fā)生疲勞破壞，危及作業(yè)人員安全，造成重大經濟損失。

（1）曹妃甸11-6IWP平臺有限元模型：搜集整理平臺結構基礎數據，研究設備振動分析方法，采用有限元分析軟件ANSYS，建立曹妃甸11-6IWP平臺上部組塊有限元模型，包括三層甲板以及各種梁、柱、設備單元。

（2）平臺結構模態(tài)分析：首先對平臺上部組塊結構進行整體模態(tài)分析，識別平臺結構整體振動特性;然后研究透平發(fā)電機位置的局部振動特性，分析平臺局部模型振動頻率和模態(tài)振型，并對平臺組塊結構的頻率儲備進行評價。

（3）平臺結構局部振動分析：針對透平發(fā)電機工作特性，建立其運行振動分析模型，研究透平運轉下平臺結構不同位置的響應特性，評價平臺結構振動水平。

（4）平臺結構振動等級校核：依據ISO 6954—2000（E）與ISO2372評估平臺結構在透平發(fā)電機作用下的振動等級，校核平臺結構安全性。

ANSYS有限元軟件對曹妃甸IWP平臺上部新增透平發(fā)電機進行了模態(tài)分析、諧響應分析和瞬態(tài)響應分析。得出如下結論：

（1）建立了平臺的上部組塊有限元模型，對平臺結構進行了模態(tài)分析，得到上部組塊的整體結構與局部結構的固有頻率和固有振型。從模態(tài)振型圖可知，上部組塊結構設計合理，整體剛度及質量分布較為均衡，無明顯的薄弱部位。

（2）對平臺局部結構區(qū)域的一階固有頻率儲備系數進行了計算，結果表明符合中國船級社《船上振動控制指南》2000版的規(guī)定，透平發(fā)電機的激勵相對于平臺固有頻率屬于高頻激勵，改造后的IWP平臺結構整體與局部結構一階自振頻率均較低，有效避開了透平振源的共振區(qū)，且具有較大的頻率儲備。

（3）對平臺局部結構進行了諧響應分析，得到了透平發(fā)電機周圍各測點Z方向位移幅頻響應曲線以及發(fā)電機工作頻率（25 Hz）下局部結構的應力結果，評估結果詳細描述如下：①當外激勵為0.38 Hz時局部結構發(fā)生共振，響應出現最大峰值;在發(fā)電機工作頻率25 Hz的激勵下，結構遠離共振頻率，位移響應很小。②在發(fā)電機工作頻率（25 Hz）下，局部結構板材最大Von-mises應力為4.77 MPa，梁最大Von-mises應力為6.02 MPa，立柱最大Von-mises應力為7.90 MPa，均遠小于結構許用應力，結構安全。

（4）對平臺上部組塊進行了瞬態(tài)響應分析，得到了透平位置甲板區(qū)域各測點的振動響應曲線，基于ISO6954-2000E與ISO2372對計算結果進行評估，結果表明，在透平發(fā)電機工作時，設備基座附近的最大速度響應值為1.5 mm/s（小于工作區(qū)域最小值4 mm/s），最大加速度響應值為202 mm/s2（小于286 mm/s2），振動速度和加速度均滿足振動規(guī)范要求，且振動級別為A級，良好。

綜上所述，改造后的IWP平臺結構振動特性與振動響應均能夠滿足新增透平發(fā)電機的振動要求，平臺結構設計合理，強度與剛度均滿足要求。

1.3 電壓等級研究

本次搬遷的透平電壓等級為6.3 kV，但搬遷后平臺的中壓系統(tǒng)為10.5 kV，存在電壓差。由于存在電壓差，故討論兩套方案進行方案對比：

（1）發(fā)電機部分進行改造。經過與廠家的溝通，確認對發(fā)電機進行改造將會對發(fā)電機容量造成20%的折損，且改造費用高。

（2）利用變壓器改變電壓等級。通過在發(fā)電機下方增加變壓器方式改變電壓，考慮變壓器涌流沖擊，故取消發(fā)電機與變壓器間的斷路器，做成發(fā)變組方式進行供電（圖2）。

通過經濟性對比及技術方案研究，最終確認本項目采用發(fā)變組形式。電網接入點選擇及組網后與電網中其他機組的控制策略。本項目只在原電網中增加一臺機組用于電網容量的擴充，新增透平發(fā)電機接入后采用額定功率輸出的方式，原電網供電系統(tǒng)的供電形式不變。在項目新增電站平臺增加一套優(yōu)先脫扣系統(tǒng)，當電網解列或出現機組故障時，保證電網能夠平穩(wěn)運行。

1.4 透平產生的煙氣的影響研究

由于CFD11-6WHPD平臺需要新增一臺T60燃氣透平，該透平排煙溫度較高（約500 ℃）、煙氣排量較大且排煙管布置距離生活樓以及直升機甲板非常近。透平機組所排放的高溫煙氣可能會對直升機起降、吊機操作間和生活樓產生影響。為評估發(fā)電機組高溫煙氣擴散的危害及影響，開展了透平機組排煙擴散的仿真模擬，從而定量評估排煙布置的合理性及安全性，分析過程如圖3所示。

平臺透平機組功率為6 MW的中型機組，排煙溫度以及排煙量較大，而且排煙管距離生活樓及直升機甲板距離較近。根據總圖布置和機組廠家資料，透平機組撬距離吊機操作區(qū)4 m左右。排煙管設計為豎直向上排放，排煙口距離上層甲板約6.5 m，距直升機甲板約20 m。高溫煙氣可能會導致直升機起降區(qū)域環(huán)境溫度的升高，考慮到直升機起降對直升機甲板上方一定范圍的溫升有一定的要求，因此需要分析機組排煙導致環(huán)境溫升對直升機起降的影響，同時考察其對吊機操作區(qū)的影響。

海洋平臺高溫排煙的危害分析：電站機組所排放的高溫煙氣在外界環(huán)境條件下擴散至平臺范圍內，對平臺上人員、設備、生活樓以及直升機起降造成危害。因此分析高溫煙氣的影響需要結合平臺總體布置、電站等設備選型及運行工況，考慮風頻聯(lián)合分布以及機組組合運行工況等在CFD環(huán)境下分析高溫煙氣的擴散規(guī)律。通過分析煙氣擴散濃度及溫度分布情況來定量評估排煙布置的合理性。

煙氣擴散分析結論：①煙氣擴散模擬表明，風向SE、SSE、S為將熱排煙吹向直升機甲板的主要風向。目前工程方案中，直升機甲板由于溫升導致的年不可用率約為6.64%。②根據模擬結果，平臺的各風向、風速條件下，直升機甲板上方由于高溫煙氣所導致的溫升均不會超過30 ℃。③根據模擬結果，對于平臺在SE、SSE和S的部分風速條件下，直升機甲板上方30 m以內溫升超過2 ℃低于30 ℃的風向和風速條件，需要告知直升機運行方，以便采取合理的飛行操作。④由于煙管高于上甲板6.5 m（出口標高為EL+35.5 m），吊機駕駛室的高度相對較高，在SW的部分風速條件下，煙羽可能提高平臺南側吊機（駕駛室標高約為EL+40.0 m）操作區(qū)的操作溫度，年累積影響概率為3.63%，建議操作時注意相關影響或采取一定措施。⑤根據目前的模擬結果，透平排煙不會對透平進氣產生影響。

2 結束語

透平發(fā)電機作為海洋石油平臺主要的發(fā)電設備，隨著油田產氣量的變動與調整將會有更多的透平需要搬遷再利用，本項目已投產竣工，目前機組運行穩(wěn)定，達到了補充電網容量的預期效果。未來應依據海上油田的特點，優(yōu)化資源配置提升設備利用價值，促進資源利用最大化。

參考文獻

[1] 王子堂，胡永明，王曉蕾，等.海上某平臺透平發(fā)電機振動問題研究與分析[J].石油和化工設備，2021（6）：9-15.

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