海上平臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒不均勻的分析處理

［摘 要］輕型工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)作為一種功率密度大、反應(yīng)速度快、可靠性高、體積小、自重輕的發(fā)動(dòng)機(jī)，在各種工業(yè)領(lǐng)域都有廣泛使用。燃?xì)廨啓C(jī)通常有單燃料模式和雙燃料模式，在油田開采等領(lǐng)域，多采用油田的伴生天然氣作為燃料，以降低燃料成本。如果燃?xì)廨啓C(jī)燃燒不充分、不均勻，常會(huì)出現(xiàn)T5 溫度與T5 平均溫度差值過大，此時(shí)機(jī)組有關(guān)停危險(xiǎn)，嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全運(yùn)行和油田電力的穩(wěn)定供應(yīng)。文章針對典型輕型工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒不均勻情況，通過總結(jié)實(shí)踐情況與舉一反三擴(kuò)展分析的方式，進(jìn)行原理分析、原因探討及措施研究，介紹典型的實(shí)用處理技術(shù)，旨在為此類輕型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒不均勻情況的應(yīng)對提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

［關(guān)鍵詞］燃?xì)廨啓C(jī)；燃燒；不均勻；燃料氣

［中圖分類號(hào)］TM314 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）04–0069–03

在海上油氣田開采過程中，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組通常用于海上油氣田的電力供應(yīng)。海上油氣田常會(huì)產(chǎn)生大量伴生天然氣，經(jīng)過凈化和加壓處理后可直接用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒，所以油氣田使用的工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)多為雙燃料發(fā)電機(jī)組，可使用柴油和天然氣2 種燃料。但是油田伴生天然氣會(huì)隨采油量的波動(dòng)、地層情況變化等發(fā)生壓力、流量及組分的變化，所以機(jī)組在使用天然氣作為燃料運(yùn)行時(shí)，隨著使用時(shí)間的加長，常會(huì)出現(xiàn)不同程度的燃燒不均勻情況，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐蓹C(jī)組停車或機(jī)組熱部件損壞，影響機(jī)組的安全運(yùn)行和油田電力的穩(wěn)定供應(yīng)。

1 燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)

燃?xì)廨啓C(jī)主要由壓氣機(jī)、燃燒室及燃?xì)鉁u輪（即透平）發(fā)動(dòng)機(jī)3 大部件組成。燃?xì)廨啓C(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上分成單軸、分軸、套軸、三軸等軸系結(jié)構(gòu)。燃?xì)廨啓C(jī)在發(fā)展過程中分為輕型結(jié)構(gòu)和重型結(jié)構(gòu)，輕型結(jié)構(gòu)又分為航機(jī)改型和工業(yè)型。

以Taurus 70 型輕型工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)作為分析對象，其是一臺(tái)軸流式簡單循環(huán)、單軸布置的輕型工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)，整臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)由下列部件所組成。

（1）壓氣機(jī)。壓氣機(jī)從外部吸入空氣并將其壓縮，提高空氣的壓力和密度. 其有14 級葉片，在其進(jìn)氣導(dǎo)流葉片和前4 級靜定子葉片上安裝有可變幾何形狀的控制機(jī)構(gòu)。

（2）燃燒室。燃燒室通常由外殼、火焰管、火焰穩(wěn)定器、燃料噴嘴、點(diǎn)火設(shè)備及觀察孔等組成。燃燒室按布置方式可分為分管型、環(huán)形、環(huán)管型、管頭環(huán)形、雙環(huán)腔型及圓筒形等。按氣流通過燃燒室的流程可分為直流式、回流式、角流式及旋風(fēng)式等。本機(jī)型采用的燃燒室是環(huán)形、直流式燃燒室，環(huán)形空間中旋流器和噴油嘴排成一圈。本機(jī)型采用的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)為雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，可以使用柴油和天然氣作燃料，環(huán)繞燃燒室的周圍安裝有12 個(gè)雙燃料噴嘴。

（3）燃?xì)鉁u輪。本機(jī)型由3級葉片的燃?xì)鉁u輪組成，包括3 級動(dòng)葉片和3 級靜葉片總成。

（4）輸出軸。燃?xì)鉁u輪與燃?xì)廨啓C(jī)的輸出軸相連，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為軸功率輸出。

（5）進(jìn)氣管路。其帶有柔性連接法蘭的空氣進(jìn)氣集管。

（6）排放系統(tǒng)。其包括尾氣消音裝置與排放管道等。

（7）減速齒輪箱。其帶有輔助驅(qū)動(dòng)法蘭的高速行星式減速齒輪箱。

以上這些部件之間采用法蘭進(jìn)行精確對中，再用強(qiáng)力螺栓連接在一起，形成剛性很強(qiáng)的組合體，依次安裝在用重型鋼結(jié)構(gòu)焊接而成的底座上，形成撬裝結(jié)構(gòu)，底座再與使用場地采用三點(diǎn)支撐的方式連接，最大限度減少振動(dòng)的傳遞。

2 燃?xì)廨啓C(jī)工作原理

燃?xì)廨啓C(jī)是一種通過燃燒燃料產(chǎn)生高溫氣流，推動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)的旋轉(zhuǎn)葉片連續(xù)旋轉(zhuǎn)做功，最終將燃料的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)機(jī)械能的高速旋轉(zhuǎn)熱機(jī)。

以Taurus 70 型輕型工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)為例，外界的空氣被抽吸進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的空氣入口，由14 級軸流式的壓氣機(jī)進(jìn)行壓縮，被壓縮的空氣以連續(xù)流的形式直接進(jìn)入燃?xì)馐覂?nèi)，同時(shí)燃料（油或氣）也被噴入環(huán)形燃燒室。從燃燒室出來的高溫、高壓氣流推動(dòng)3 級動(dòng)力渦輪葉片高速旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)熱能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。

3 燃?xì)廨啓C(jī)常用燃料——天然氣的處理流程

海上油田通常用油田的伴生天然氣經(jīng)過簡單處理來進(jìn)行發(fā)電，處理流程為：①經(jīng)過分離器分離出來伴生天然氣；②通過燃?xì)饫鋮s器進(jìn)行冷卻；③進(jìn)入燃?xì)鈮嚎s機(jī)進(jìn)口分液罐。部分伴生天然氣作為低壓燃料氣供給惰氣系統(tǒng)和鍋爐等低壓燃料氣用戶，其余大部分經(jīng)過壓縮機(jī)撬，進(jìn)行二級壓縮冷卻分離后壓力升到2.6 MPa 輸送到出口分液罐，緩沖分液后進(jìn)入過濾分離器進(jìn)行雜質(zhì)和液體的進(jìn)一步分離，再經(jīng)過加熱器加熱到55° 左右，穩(wěn)壓后輸送到燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行燃燒發(fā)電。

4 燃?xì)廨啓C(jī)燃燒不均勻典型表現(xiàn)

（1）燃料不完全燃燒。在燃?xì)廨啓C(jī)中，如果燃料沒有完全燃燒，會(huì)導(dǎo)致排氣中的碳?xì)浠衔锖吭黾?，這不僅會(huì)影響排放，還會(huì)降低燃料效率。

（2）火焰不穩(wěn)定或熄火。如果燃燒室中的火焰不穩(wěn)定或熄火，可能是由燃料供應(yīng)問題、空氣流量問題或控制系統(tǒng)故障等原因引起。這不僅會(huì)影響燃燒效率，還可能對燃?xì)廨啓C(jī)的壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。

（3）排氣冒黑煙。如果燃?xì)廨啓C(jī)排氣冒黑煙，說明燃料沒有完全燃燒，這會(huì)導(dǎo)致排放增加和燃料效率降低。

（4）排氣溫度異常。如果燃?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度異常，可能是由燃燒不充分或燃燒室設(shè)計(jì)問題等原因引起的。這會(huì)影響燃?xì)廨啓C(jī)的效率，并可能對機(jī)組壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。

（5）振動(dòng)和噪聲異常。如果燃?xì)廨啓C(jī)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)振動(dòng)和噪聲，可能是由燃燒不充分、氣流不穩(wěn)定或機(jī)械故障等原因引起的。這不僅會(huì)影響機(jī)組的正常運(yùn)行，還可能對機(jī)組壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。

以上燃?xì)廨啓C(jī)燃燒不均勻的表現(xiàn)，在實(shí)踐中可能單個(gè)出現(xiàn)，也可能多個(gè)問題同時(shí)出現(xiàn)。為了確保燃?xì)廨啓C(jī)的正常運(yùn)行和效率，需要定期進(jìn)行檢查和維護(hù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問題。

通常情況下，機(jī)組在運(yùn)行過程中如果出現(xiàn)燃燒不均勻，會(huì)先反應(yīng)為T5 溫度（反映燃燒是否均勻的參數(shù)）分布不均勻，這是判斷燃燒不充分的最常用方式。

5 燃?xì)廨啓C(jī)燃燒不均勻原因

（1）燃料供給系統(tǒng)問題。如果燃料供給系統(tǒng)存在問題，如噴嘴堵塞或流量分配器故障，可能會(huì)導(dǎo)致偏離設(shè)計(jì)燃燒工況，破壞原有火焰燃燒環(huán)流狀態(tài)，造成燃燒不充分，引起燃燒溫度分布不均勻。

（2）空氣供應(yīng)系統(tǒng)問題。燃?xì)廨啓C(jī)需要足夠的空氣才能實(shí)現(xiàn)完全燃燒，如果空氣流量不足，可能會(huì)導(dǎo)致燃燒不充分。

（3）燃燒部件的問題。燃燒部件的工況是否良好，對燃燒溫度場的均勻性有直接影響。如果燃燒部件出現(xiàn)貫通性裂紋或破損，可能會(huì)導(dǎo)致壓縮空氣流場分布被破壞，從而引起相應(yīng)火焰不穩(wěn)定，造成燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣溫度異常和排氣分散度變大。

（4）燃料組分與設(shè)計(jì)不匹配。如果燃料組分發(fā)生變化，容易與燃燒室設(shè)計(jì)不匹配，可能會(huì)導(dǎo)致燃料與空氣混合不均勻，從而導(dǎo)致燃燒不充分。

（5）控制系統(tǒng)問題。如果控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可能會(huì)導(dǎo)致燃料調(diào)節(jié)異常，引起燃燒不充分。另外如果控制系統(tǒng)的T5 溫度探頭故障，也會(huì)導(dǎo)致燃燒溫度檢測不準(zhǔn)確，引起溫度參數(shù)錯(cuò)誤或控制不穩(wěn)。

（6）其他維護(hù)問題。燃?xì)廨啓C(jī)需要定期進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，如果長時(shí)間沒有進(jìn)行維護(hù)，導(dǎo)致葉片污垢堆積，影響壓實(shí)氣流的正常流通，導(dǎo)致8bfe99875cb627dedf248a998e066ed4659e0a9bbdeeafea0ac3811d2219d311燃?xì)廨啓C(jī)工況偏移，可能會(huì)導(dǎo)致燃燒不充分。

6 燃?xì)廨啓C(jī)燃燒不均勻處理措施

（1）檢查工作前注意能源隔離鎖定。對機(jī)組啟動(dòng)馬達(dá)進(jìn)行斷電隔離，并隔離燃?xì)膺M(jìn)口閥，對燃?xì)膺M(jìn)行泄壓。

（2）檢查控制系統(tǒng)的硬件和軟件，確保其正常工作。檢查控制系統(tǒng)的相關(guān)控制模塊有無報(bào)警，控制系統(tǒng)有無顯示異常；對T5 溫度熱電偶探頭進(jìn)行校驗(yàn)，排除因?yàn)門5 探頭故障導(dǎo)致的溫度測量錯(cuò)誤情況。

（3）檢查燃料供給系統(tǒng)，確保燃料能夠正確、均勻地分配到燃燒室中。

（4）對燃料氣進(jìn)行化驗(yàn)，確保氣態(tài)組份均符合要求，但氣體中含有液態(tài)和固態(tài)成分還需要進(jìn)一步檢測。（5）檢查燃燒室的設(shè)計(jì)，確保燃料與空氣能夠充分混合。

（6）定期對燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，確保其正常運(yùn)行。具體如下：①對天然氣管線進(jìn)行拆卸清洗，確認(rèn)管線是否堵塞。②對燃料控制閥進(jìn)行檢查清洗，確認(rèn)是否結(jié)垢堵塞。③對燃?xì)廨啓C(jī)天然氣過濾器進(jìn)行拆卸檢查，檢查濾芯情況，更換臟濾芯。④檢查燃?xì)廨啓C(jī)噴嘴，對12 個(gè)噴嘴進(jìn)行拆卸檢查，確認(rèn)噴嘴是否堵塞和積碳。如果檢查發(fā)現(xiàn)噴嘴大范圍堵塞嚴(yán)重，并有積碳現(xiàn)象。清洗噴嘴，對堵塞的噴嘴用柴油浸泡，并用超聲波清洗機(jī)進(jìn)行清洗，并對有變形的噴嘴進(jìn)行更換。

如果清洗噴嘴后還反復(fù)出現(xiàn)堵塞和燒壞情況，可以基本判斷是燃料氣供應(yīng)出現(xiàn)了問題，則需要采取以下措施進(jìn)行分析排查。①排查燃?xì)鈫栴}的同時(shí)，加強(qiáng)燃?xì)廨啓C(jī)監(jiān)控，對問題機(jī)組提前進(jìn)行切換，并加緊對噴嘴的清洗更換，并在需要的情況下將機(jī)組轉(zhuǎn)油運(yùn)行。②加快對整個(gè)燃料氣處理系統(tǒng)的排查，對燃?xì)鈮嚎s機(jī)運(yùn)行工況、燃?xì)饫鋮s器、燃料氣過濾器等狀態(tài)進(jìn)行全面排查。③對近期有變動(dòng)的油氣生產(chǎn)井進(jìn)行排查。④對垢樣進(jìn)行化驗(yàn)分析，經(jīng)過全巖X 衍射分析、CHN元素分析、顯微分析等技術(shù)分析垢樣。⑤排查天然氣處理系統(tǒng)。如果燃燒的天然氣不干凈，基本可確定是天然氣在處理過程中未得到有效凈化，堵塞了機(jī)組的噴嘴。若拆燃?xì)膺^濾器檢查發(fā)現(xiàn)過濾器內(nèi)的濾芯無異常，再拆燃?xì)鈮嚎s機(jī)二級出口海水冷卻器，檢查發(fā)現(xiàn)冷卻管是否堵塞，堵塞會(huì)導(dǎo)致冷卻效果大幅下降。

除了已經(jīng)清洗過的噴嘴外，后期還要對燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)夤芫€、閥門、葉片進(jìn)行全面檢查，以徹底排除此次結(jié)垢對機(jī)組的影響。同時(shí)，制訂并實(shí)施燃?xì)鈮嚎s機(jī)運(yùn)行監(jiān)控措施，杜絕類似事件的再次發(fā)生。此外，協(xié)調(diào)力量加強(qiáng)燃料處理系統(tǒng)的運(yùn)行維保，并日常監(jiān)測，提前發(fā)現(xiàn)燃料是否存在污染等情況。

7 結(jié)束語

輕型工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)在海上采油平臺(tái)等特殊環(huán)境中運(yùn)行，會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)不穩(wěn)定的燃料供應(yīng)問題，尤其是當(dāng)?shù)貙赢a(chǎn)出的天然氣成份變化時(shí)。含有雜質(zhì)的燃料氣進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒部件進(jìn)行高溫燃燒時(shí)，碳粉、高碳化合物或膠質(zhì)類物質(zhì)無法充分燃燒，會(huì)在噴嘴等狹小流通區(qū)域產(chǎn)生結(jié)垢，造成燃料無法均勻供應(yīng)，產(chǎn)生燃燒不均勻現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)導(dǎo)致停產(chǎn)甚至機(jī)組損壞。

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