海上石油平台国产透平动力设备可靠性提升措施

阎奕辰，杨家臣，袁伟亮，黄科驰，曹文刚，杜启飞

(中海石油(中国)有限公司秦皇岛32-6/渤中作业公司，河北 秦皇岛 066099)

0 引言

燃气透平发电机是平台生产的心脏，直接为平台各个系统输送电能。 透平发电机能否正常工作直接关系到平台能否正常生产[1]。国产透平CGT25-EA是国内首台自主设计制造的应用于海洋石油平台的25 MW级双燃料燃气轮机发电机组，于2018年12月在渤海某海上平台正式投用。在机组设计、试验及现场调试过程中，现场操维人员结合多年的进口机组使用经验，对国产透平机组提出了诸多改进意见，奠定了其海上环境适应性、实用性基础。而国产机组的阶段性成果，也意味着海洋石油系统电力供应核心设备供货及维保服务长期被进口透平机组所垄断的局面被逐渐打破。但是，由于其为首次在海上平台应用，其系统流程、可靠性和实用性设计仍存在改进空间，较同等级进口机组尚存差距，在海上运行期间也遇到了一些问题，包括天然气排放问题、排气直管段破裂、防冰系统故障等。因此，我们结合海上实际情况，利用其他机型的运行经验和设计思路，对国产透平的原设计和工艺进行了技术革新，以助国产燃气透平机组不断成熟，有效提高了设备可靠性，使其在海上平台平稳运行，成为中海油“三新三化”战略中强而有力的海上“中国心”。文章所述措施意见对处理其他透平发电机出现类似的问题具有一定的参考意义。

1 对国产透平机组的三项提升改造措施

1.1 天然气排放管线流程改造，保障安全

1.1.1 研究背景

国产透平天然气排放管线共有4根，其中2根为撬外天然气排放管线，设计意图为起机过程中先行将天然气加热器出口至透平关断阀间管路中的低温天然气排放至大气中，待经天然气加热器加热过的天然气温度到达国产透平起机要求时，停止对空排放[2]。但海上平台未设计火炬，因此排放均引致甲板边缘排放，但是由于油田自产气中含高浓度硫化氢，且排放口位于人员日常巡检区域且在平台柴吊附近，有人员中毒和设备燃爆的风险。其余2根为撬内关断阀之间的气和高温阀组吹扫气，原设计也是引致平台上二甲板西侧边缘对空排放，附近为楼梯，离楼梯最近处约2 m，若设备停机时，有人员在附近，有人员伤亡的危险。

1.1.2 技术方案

针对以上情况，与厂家确认透平启停机过程中天然气排放量和硫化氢含量，并利用PHAST软件分析硫化氢的危害范围。撬外单台排放量3 s 150 m3即50 m3/s,排放量很大，确认接入闭排；撬内单台排放气量为1.5 kg/s，1.75 Sm3，硫化氢含量1 000 mg/L。

如果维持原排放位置、气源，硫化氢1 000 mg/L浓度以及顶风条件下，硫化氢可能会扩散到有人区域。

高含硫化氢天然气的对空排放量及硫化氢影响范围，结合现场实际工况及厂家相关规范对于目前主机的排空口方案重新设计，下图为确定的最终方案，其中：(1) 2根透平撬外排空口全部接入闭排系统，通往RUP火炬系统燃烧；(2) 2根透平撬内排空口，分别单独引至下甲板以下，垂直向下排放。

1.2 排气直管段工艺革新，解决管段破裂问题

1.2.1 研究背景

国产透平排气直管段为国产透平燃烧的尾气排放管路中的一段，排气温度420 ℃左右，其后连接一台8 MW的废热锅炉。在其连续带载运行半月时，现场发现国产透平排气直管段保温及部分铁板掉落，停机发现排气直管段已部分损坏。

与厂家设计分析问题原因，确认了国产透平排气直管段破碎的原因有以下4点：(1)原排气直管段设计排气压力为2.5 kPa，实际运行时排气压力为3.5 kPa；(2)原排气直管段位置有较多的焊缝聚集，焊接及加工工艺有待改进；(3)保温安装方式直接焊接在排气直管段本体上，导致焊接应力集中；(4)原支撑法兰面受热不均导致的法兰受力不一，对角线已有较大的差值；

1.2.2 技术方案

针对该问题，重新设计加工了新的排气直管段和支撑结构，具体技术措施如下：将板材厚度由原来的3 mm改为6 mm厚，增强其结构强度；改进直管段加工和焊接工艺，减少焊接应力集中；将保温集成安装在原直管段上，减少因安装保温产生的焊接应力；设计安装新的支撑件，并利用仿真软件对其进行受力分析。排气直管段结构三维图如图1所示，支架受力分析图如2所示。

图1 排气直管段结构三维图

图2 支架受力分析图

2 防冰系统升级，解决防冰阀反复开关问题

2.1 研究背景

当外界环境温度低且湿度大，空气经过滤器室时，进气过滤器滤芯外侧易出现结冰、结霜现象，冰霜轻则直接影响燃机的正常运行，重则造成燃机的恶性机械事故[3]。国产透平防冰系统利用低压压气机排气引至进气滤器前，给滤芯外侧的冷湿空气进行加热，使得湿空气的湿球温度远离露点温度3 ℃以上，有效解决滤芯结冰结霜问题。其防冰系统开关逻辑取决于大气温度和湿度。

国产透平防冰系统投用测试时出现了防冰阀反复开关的问题，根据现场情况和运行经验分析得出是其逻辑设点中，温度和湿度的设点没有死区，导致其在温度5 ℃或湿度60%左右抖动时，防冰阀出现反复开关的情况，轻则导致防冰阀使用寿命缩短或卡滞，重则导致防冰系统失效，滤器前结冰，进一步导致意外停机或机组损伤，影响油田电站稳定和正常生产。

2.2 技术方案

针对这种情况我们与厂家人员及时沟通核实温度和湿度设点是否设置有死区，确认缺少死区后，判断其为导致该问题的根本原因，故借鉴进口机组控制逻辑，建议厂家更改温度设置为低于4 ℃开，6 ℃关，湿度设置为大于60%开，低于55%关，具体逻辑如下：

当防冰系统处于就地自动运行模式，且燃机处于运行状态(抽气压力大于0.06 MPa)，且大气温度(T0)-40 ℃≤T0≤4 ℃，且大气湿度大于60%时，关断阀打开，温度调节阀受 PLC 控制，开度由0%～100%缓慢调节，逐步加大抽气量，当进气过滤室内部温度T1与大气温度T0的差值达到某一设定值时，调节阀维持在该开度不变。

当进气温度T0＞6 ℃，或者进气湿度小于55%时，关断阀关闭。当滤芯旁温度超温时，调节阀和关断阀均关闭，保护性停机。

3 可靠性管理“四个一”及三项改造措施效果

3.1 国产石油平台透平机组可靠性管理“四个一”

通过国产透平CGT25-EA可靠性管理提升，有效解决了机组在设计、建造、运行过程中存在的不足，总结了一套适合海洋石油平台透平机组运行维护的创新性管理体系，即“四个一”模式：每发生1次故障，进行1次故障分析总结，进行1次全面排查，进行1次培训分享。“1次故障”不限于某一专业，某一系统，只要是典型的、具有记录价值的都要记录下来；“1次故障分析总结”要力求记录全面、剖析深入，要有存档、学习参考价值；“1次全面排查”意思是每次故障都要做到举一反三，触类旁通，全面检查机组潜在的同类问题；“1次培训分享”要覆盖所有相关岗位人员，做到人人清楚，同时提升现场故障处理能力。为该类型机组操作维护工作提供了完善的管理经验示范。

3.2 透平机组三项改造措施效果

目前，天然气排放流程改造、排气直管段工艺革新、防冰系统升级三项改造均已完成，并顺利运行超过一年，机组运行平稳，未再出现过以上情况。天然气排放流程改造解决了平台人员的安全问题，杜绝了意外事故的发生，其安全价值更远超经济效益。

排气直管段问题出现后，机组停机维修所需30天，期间油田电站稳定性降低，每次排气直管段维修费用约120万元。排气直管段工艺革新以后，机组运行稳定提升，未再次发生过类似事件，减少了机组意外停机和可能因此导致的油田减产，且减少维修所需直接费用120万元。

防冰系统升级后，彻底解决了防冰系统故障问题，一方面提高了防冰阀使用寿命，每个防冰阀4万元，避免其异常损耗。另一方面，提高了机组稳定性，避免因进气滤器前结冰导致机组机械损伤，从而避免意外停机带来的次生损失。

4 结语

海洋石油平台应用中国首台自主设计制造的25 MW级双燃料燃气轮机发电机组CGT25-EA，是海洋石油系统打破电力供应核心设备长期依赖进口设备，打破透平机组被国外设备垄断的开局之战。经过对该设备进行必要的革新改进，增强了该设备在海上石油平台的适用性，降低了维护保障成本，同时避免了因机组停运影响海上平台石油生产的间接经济损失。升级对该大国重器型设备的运维管理和措施水平，对提升国产燃汽轮机制造和运行管理，推进中国海上石油战略和工程建设具有重大意义。