解決Solar T60 透平發(fā)電機(jī)組啟動過程中的轉(zhuǎn)速波動問題

楊福海

（中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳 518000）

0 引言

透平發(fā)電機(jī)組是保障油田穩(wěn)定生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，在正常生產(chǎn)過程中為油田提供了約15 000 kW 的電網(wǎng)，為各個采油平臺提供生產(chǎn)動力。透平機(jī)有運行穩(wěn)定、效率高的特點，同時充分利用平臺自身生產(chǎn)的天然氣作為清潔燃料，既節(jié)約了成本又不會污染環(huán)境。

1 問題

Solar T60 透平發(fā)電機(jī)組是通過外部電網(wǎng)，經(jīng)VFD 變頻器驅(qū)動透平啟動馬達(dá)帶動機(jī)組盤車，透平機(jī)點火成功后，繼續(xù)拖動透平加速到自持轉(zhuǎn)速65%NGP。在透平機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到65%NGP的自持轉(zhuǎn)速后，啟動馬達(dá)斷電自動脫扣，透平機(jī)通過自身燃燒逐漸加速到100%NGP 的正常工作轉(zhuǎn)速（14 950 r/min），通過發(fā)電機(jī)并網(wǎng)為整個油田提供電力。

在2011 年9 月臺風(fēng)過后，工作人員返回平臺的復(fù)產(chǎn)過程中，按照復(fù)產(chǎn)程序首先恢復(fù)油田動力電網(wǎng)。在啟動透平機(jī)發(fā)電機(jī)組的過程中，用應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)電網(wǎng)作為啟動電源，在啟動透平發(fā)電機(jī)組的過程中，透平機(jī)能夠正常啟動盤車到22%NGP，經(jīng)過5 min 的吹掃盤車，透平機(jī)開始點火，點火成功后卻無法正常爬升至65%NGP 的自持轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速上下波動，啟動困難，但NGP 在波動過程中可以緩慢提升，在波動中逐漸達(dá)到自持轉(zhuǎn)速。啟動馬達(dá)脫扣后，透平機(jī)能夠靠自身燃燒，平穩(wěn)加速至100%NGP的正常轉(zhuǎn)速。在透平機(jī)組啟動過程中發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)出現(xiàn)排煙量變大、運轉(zhuǎn)聲音變大的現(xiàn)象。透平機(jī)組雖然能夠啟動成功，但點火成功到自持轉(zhuǎn)速之間透平機(jī)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動屬于不正常的現(xiàn)象，長此以往會對啟動馬達(dá)和透平機(jī)組造成一定的損傷，也不能保證透平每次順利啟動和運行。

2 故障分析

針對此現(xiàn)象，對透平機(jī)組的燃料系統(tǒng)、啟動系統(tǒng)和應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行認(rèn)真分析，得出可能造成這種現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因有：①透平機(jī)可調(diào)導(dǎo)葉（IGV）或放氣閥（Bleed Valve）故障引起喘振；②透平機(jī)啟動系統(tǒng)故障；③透平機(jī)組燃料系統(tǒng)故障；④柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)故障；⑤柴油機(jī)燃油系統(tǒng)故障。

（1）Solar T60 透平機(jī)組的防喘振機(jī)構(gòu)有可調(diào)導(dǎo)葉和放氣閥（圖1）。為防止透平機(jī)在喘振工況下運行而引起喘振[1]，啟動時可調(diào)導(dǎo)葉必須處于關(guān)閉狀態(tài)（Solar T60 的IGV 是一次開關(guān)式[2]，只有“關(guān)”和“開”兩個位置），此時放氣閥處于打開狀態(tài)。而當(dāng)透平轉(zhuǎn)速達(dá)到92%NGP 時，可調(diào)導(dǎo)葉通過電磁換向閥的控制，由液壓驅(qū)動連桿機(jī)構(gòu)的活塞，將其完全打開。當(dāng)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)且負(fù)載超過500 kW 時，放氣閥通過電磁換向閥控制在液壓的作用下關(guān)閉。

圖1 Solar T60 透平機(jī)可調(diào)導(dǎo)葉和放氣閥

當(dāng)可調(diào)導(dǎo)葉和放氣閥出現(xiàn)故障時，往往容易引起喘振，造成轉(zhuǎn)速波動、機(jī)組劇烈振動，同時伴隨低沉的“怒吼”聲。經(jīng)過排查和檢測，可調(diào)導(dǎo)葉和放氣閥均能活動自如，在啟動過程中能夠處于相應(yīng)的關(guān)閉和打開狀態(tài)，且根據(jù)啟動過程中的觀察，透平機(jī)并沒有因為喘振而出現(xiàn)振動并伴隨低沉的“怒吼”聲，因此排除了因喘振而引起的轉(zhuǎn)速波動的可能。

（2）Solar T60 透平機(jī)組的啟動系統(tǒng)是由變頻器（VFD430）和安裝在透平機(jī)齒輪箱上的啟動馬達(dá)（B330）組成的。在啟動過程中，通過外部電網(wǎng)和變頻器使啟動馬達(dá)轉(zhuǎn)速成線性上升，在透平機(jī)點火成功后，啟動馬達(dá)繼續(xù)拖動透平機(jī)，在燃料自身燃燒推動渦輪的推力作用下，使透平機(jī)逐漸達(dá)到65%NGP的自持轉(zhuǎn)速，此時PLC 控制啟動馬達(dá)斷電脫扣，透平機(jī)通過自身燃料的燃燒，逐漸加速到100%NGP 的正常運行轉(zhuǎn)速。針對轉(zhuǎn)速波動的現(xiàn)象，懷疑啟動馬達(dá)速度提升不夠或扭力不夠，使得透平機(jī)加速出現(xiàn)波動。機(jī)械部分懷疑是啟動馬達(dá)與透平機(jī)齒輪箱連接的“超速”離合器出現(xiàn)問題，使得啟動馬達(dá)不能完全將作用力傳輸給齒輪箱，經(jīng)手動盤車檢查，“超速”離合器工作正常。

（3）透平機(jī)雙燃料系統(tǒng)的天然氣進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥（EGF344）和柴油供油調(diào)節(jié)閥（ELF344）出現(xiàn)漂移，即不能按照PLC 的要求控制合理的開度，使得燃料供應(yīng)量變小，燃燒后推力下降從而不能滿足啟動轉(zhuǎn)速提升。后經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)用柴油點火時同樣出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動，而兩個調(diào)節(jié)閥同時出問題的可能性較小，又經(jīng)過對兩個燃料控制閥的檢查，發(fā)現(xiàn)控制閥處于良好狀態(tài)。另外，透平機(jī)在正常運行中，并沒有發(fā)現(xiàn)動力不足或轉(zhuǎn)速波動的現(xiàn)象，這也能夠證明燃料控制系統(tǒng)正常。因此問題應(yīng)該出在啟動系統(tǒng)中。用其他平臺透平機(jī)組，經(jīng)電力管理系統(tǒng)（PMS）已建立的透平電網(wǎng)來啟動該透平，發(fā)現(xiàn)在啟動的過程中，該透平?jīng)]有再出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動。由此推斷，透平自身的啟動系統(tǒng)正常，問題應(yīng)該出在外部電網(wǎng)的提供者柴油機(jī)。

（4）平臺的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組型號是底特律V12 缸149TI 型兩沖程柴油機(jī)，柴油機(jī)的最大帶載能力可達(dá)1200 kW。進(jìn)氣系統(tǒng)由進(jìn)氣過濾器、進(jìn)氣應(yīng)急關(guān)斷風(fēng)門、渦輪增壓裝置、中冷器，機(jī)械增壓裝置（掃氣泵）組成，最終通過掃氣泵將空氣掃進(jìn)位于活塞缸中部的進(jìn)氣門，缸頭頂部分布4 個排放氣門。檢查柴油機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)，確保進(jìn)氣風(fēng)門處于開位，更換新的進(jìn)氣過濾器，檢查進(jìn)氣渦輪增壓系統(tǒng)等，發(fā)現(xiàn)各部分工作正常。

（5）柴油機(jī)燃油和控制系統(tǒng)由過濾器、柴油傳輸泵、柴油分油管和噴嘴（噴油泵）組成。通過掃氣泵的輸出軸驅(qū)動一個液壓泵，建立油門控制系統(tǒng)的液壓壓力，油門電磁閥根據(jù)轉(zhuǎn)速（1800 r/min）反饋的電信號（0～24 VDC）調(diào)節(jié)閥芯位置，使液壓泵建立的液壓調(diào)節(jié)油門連桿上下運動，油門連桿控制柴油噴嘴（噴油泵）的噴油量，使柴油機(jī)在不同負(fù)載下轉(zhuǎn)速始終保持1800 r/min，向外輸出480 V 交流電。檢查柴油機(jī)的燃油系統(tǒng)，更換柴油初級過濾器和第二級過濾器，檢查柴油傳輸泵工作正常。打開搖臂蓋板，逐個檢查柴油機(jī)噴嘴（噴油泵），噴嘴（噴油泵）是尺桿式油量調(diào)節(jié)形式，通過齒條調(diào)節(jié)噴油柱塞供油行程控制噴油量，從而穩(wěn)定轉(zhuǎn)速（圖2）。

圖2 柴油機(jī)尺桿式油量調(diào)節(jié)噴嘴

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)L5 噴嘴的齒條無法調(diào)節(jié)，其他噴嘴均工作正常，懷疑是L5 噴嘴的柱塞卡死。拆除L5 噴嘴，經(jīng)解體檢查發(fā)現(xiàn)噴嘴的噴油柱塞卡死，齒條無法驅(qū)動柱塞上的齒輪旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)。柴油機(jī)的12 個噴嘴的調(diào)節(jié)齒條，都用一根撥叉拉桿帶動（圖3），而L5 噴嘴柱塞卡死限制了整條拉桿的運動，導(dǎo)致整個油門只能在0 供油位和L5 噴嘴柱塞卡死點供油位之間較小范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，當(dāng)負(fù)載過大時不能滿足供油要求，從而導(dǎo)致柴油機(jī)轉(zhuǎn)速降低、電壓不穩(wěn)定，當(dāng)驅(qū)動透平機(jī)啟動馬達(dá)啟動透平機(jī)時，出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動現(xiàn)象。

圖3 柴油機(jī)油量撥叉拉桿控制形式

3 解決措施

更換了卡死的柱塞部分，噴油測試時又發(fā)現(xiàn)噴油孔堵塞嚴(yán)重，用工具將堵塞的噴油孔疏通，再次噴油測試工作正常。回裝L5 噴嘴，調(diào)節(jié)噴嘴柱塞位置，當(dāng)凸輪基圓經(jīng)過噴嘴柱塞頂端時，噴嘴距離噴嘴底座的距離，即正時高度為2.175″；調(diào)節(jié)排氣門的間隙，使氣門關(guān)閉時，即搖臂處于凸輪軸基圓位置時，氣門間隙為0.028″。完成L5 油嘴的安裝調(diào)節(jié)后，檢查油門連桿在全速時的位置，并做好標(biāo)記，在以后的維護(hù)中作為參考。回裝應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)的搖臂蓋板，啟動柴油機(jī)，用應(yīng)急發(fā)電機(jī)電網(wǎng)作為啟動電源，進(jìn)行透平啟動測試，透平啟動過程中的加速波動異常現(xiàn)象消失。

4 結(jié)束語

總結(jié)整個維修過程，首先分析出可能的故障原因，排除一些可能原因，逐步排查找到根本原因。故障的及時排除，使得透平機(jī)的啟動能夠順利進(jìn)行，對平臺生產(chǎn)提供了有力保障。同時發(fā)現(xiàn)維修維護(hù)工作中的盲點，及時更正維修方式和擴(kuò)大維護(hù)范圍，為以后的故障維修積累經(jīng)驗。