TITAN130透平輔助儀表氣管匯中冷凝水的排放改造

鐘凱誠，邱海濱

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300459)

透平發電機組是海上平臺主要動力設備，為平臺生產和生活提供電力，其是否穩定運行關乎油田生產的穩定性。油田發現索拉TITAN130透平經常出現柴油啟機時點火失敗的現象，經現場檢查確認，在輔助儀表氣管匯的低點有大量冷凝水，此處的冷凝水在透平機組燃油啟機點火時會直接噴到點火器和噴嘴上，打濕點火器的火花塞，易造成燃油模式點火失敗，影響透平運行穩定性。本文通過分析冷凝水形成原因和來源，提出冷凝水排放的改造方案。

1 原因分析

1.1 輔助儀表氣的作用

索拉TITAN130機組在燃油模式啟機點火時，盤車轉速僅為20%，壓氣機出口的壓縮空氣即 PCD壓力小，僅依靠機組自身的壓氣機氣流不足以對高熱值的柴油進行霧化，因此燃油啟機點火時需要使用外接輔助儀表氣對柴油進行霧化。

從圖1可以看出，儀表氣的去路有兩路，一路是去點火器，另一路是去透平機組的空氣管匯，對柴油進行霧化。當轉速＞65%時，不再用外接的儀表氣，利用機組本身 PCD氣體即可霧化柴油，維持機組高速運轉。從圖2可以看出，燃油模式點火激活并且轉速＜65%時，電磁閥 L350-1(間接控制外接儀表氣的閥門)得電，故機組在燃油模式點火和 NGP＜65%的爬坡階段利用外接儀表氣對柴油進行霧化。

1.2 冷凝水形成原因分析

輔助儀表氣管匯中的冷凝水主要存在于圖1中的①和②處，尤其是①處的冷凝水較多。透平機組所用儀表氣為公用氣經干燥塔干燥后的氣體，壓力為8bar左右，露點為-70℃，儀表氣較干燥，所以此處的冷凝水并非來自儀表氣。輔助儀表氣管匯中冷凝水是從后方管線及機組空氣管匯中倒流過來，并聚集在單流閥VCH932前，即圖1中的①處。

圖1 外接儀表氣流程圖[1]Fig.1 External instrument gas flow[1]

圖2 PLC程序中控制L350-1語句Fig.2 L350-1 control statement in PLC program

空氣是由干空氣和一定量的水蒸氣混合而成的，因此也叫做濕空氣，當管線表面溫度低于此處氣體的露點溫度時，水汽凝結就會發生在管壁上，從而產生冷凝水[2]。當空氣中水分的含量超過飽和濃度，水就會冷凝出來，其產生量一般與空氣的含濕量、露點溫度、溫度有關系。

透平機組在每次停機時，機組在盤車馬達的帶動下轉速 15%，執行 4h的后潤滑。由于海上環境濕度較大，夏天能達到 60%～80%，機組逐漸冷卻的過程中，冷凝水開始形成，同時潮濕空氣經機組壓氣機的輕微增壓，更容易形成冷凝水。冷凝水沿著內壁向下流，并在機組底部聚集，燃燒室和排氣尾椎的冷凝水可以分別通過其底部的排液管線排掉，而輔助空氣管匯和點火器的空氣管線內的冷凝水則沿著管線流至最低點直至有單流閥處，即圖1中的①處。每次透平機組停機都會產生一定量的冷凝水，燃氣模式是透平機組主要燃料模式，燃氣模式啟機時不使用外接儀表氣，造成輔助儀表氣管匯中的冷凝水越積越多，這樣很容易引起機組在燃油啟機時點火失敗。

2 改造思路及方案分析

2.1 改造思路

經過上述分析可知，輔助儀表氣管匯中的冷凝水是從機組內部倒流并匯集在一起的，因此首先考慮能否采取措施從源頭上抑制冷凝水的產生。影響冷凝水形成的因素包括空氣濕度、溫度、壓力。透平吸入的空氣經過兩級濾器過濾，吸入的空氣量很大，最大達到 14110m3/h[3]，再加上海上空氣濕度較大，在空氣入口處設法降低空氣的濕度顯然不可行。由于冷凝水是機組內部較熱的氣體在接觸到溫度較低的輔助儀表氣管匯產生，而輔助空氣管匯距離機組很近，試圖增加儀表氣管匯的溫度也是不可行的。通過分析可知，其他條件不變的情況下，降低壓力能減少冷凝水的形成，但儀表氣管匯內的壓力無法改變。因此解決儀表氣管匯中冷凝水的問題，歸結為如何有效地將冷凝水排放掉。

冷凝水形成后會沿著管壁向下流動，因此在最低點處進行收集和排液最有效。經過現場驗證，在單流閥VCH932前增加排液管線(圖3)，此處有單流閥能阻止冷凝水繼續向前流動，而且是管線最低點。排放管線上的排放閥可以選用截止閥手動進行放液，也可以增加電磁閥自動控制放液。根據排液閥的控制方式不同，探討冷凝水排放改造的不同方案。

圖3中①處位于單流閥前也是管線最低點，該處冷凝水比較多，其來自機組空氣主環管；②處的水分相對較少一些，來自點火器的助燃空氣管線。

2.2 方案探討

方案一：排放管線上增加集液包和手動截止閥。

利用現場余料制作集液包，并且使到集液包的管線略微向下傾斜，以利于冷凝水流向集液包。在集液包底部加裝截止閥，可以方便地進行手動排液，流程圖如圖4所示。經現場點溫槍測量，機組正常運行時輔助儀表氣管匯(圖3中的①處)只有 20℃，因此選用150LB等級的截止閥即可。

優點：只需增加管線、集液包、截止閥，簡單易行，不改動程序。

缺點：需現場手動放液，操作不便。

圖3 排液管線增加集液包和截止閥Fig.3 Increased collection package and globe valve

方案二：外接時間繼電器自動控制排液閥。

該方案可以實現機組停機后，每隔 24h開閥放水一次，每次放水 2min；并設置手動開閥放液開關。采用 3臺機組聯控控制，共同使用同一套時間繼電器。如圖5所示，機組停機后，手動閉合開關(SB A或SB B或SB C)，時間繼電器KT1得電，計時24h，KT1.0延時閉合觸點閉合，繼電器 KM 得電，觸點KM.0閉合，電磁閥得電開閥放液；與此同時 KT1.1延時閉合觸點閉合，延時 2min后，KT2延時斷開觸點斷開，時間繼電器 KT1失電，電磁閥關閉。通過KT1和 KT2的互鎖，實現每隔 24h開閥一次，每次只開閥2min。(KT2是為了控制 KT1的延時閉合觸點閉合2min)。圖5(a)中，SB A/B/C與圖5(b)中的SB A/B/C采用同一個開關。在手動強制開啟某一臺機組(如 A 機)的電磁閥時，需將手動強制開關和對應機組的停機開關閉合(即SB A)。

圖4 電氣原理Fig.4 Electrical principle

優點：能夠實現機組停機后手自動放液。

缺點：所需備件較多，接線復雜。

方案三：修改SOLOR程序自動控制排液閥。

通過 LOGIX5000修改透平控制程序，實現機組停機后，在控制盤上能控制排液閥開啟放液，每次排液 200s。如圖6所示，在排液管線上新增電磁閥L931和氣動球閥 V2P931，通過程序控制電磁閥L931的通斷，實現V2P931控制氣源的通斷，進而控制V2P931球閥的開關，進行排液。

新增PLC如圖6所示，程序說明：在控制盤上點擊排液按鈕，程序判斷機組狀態(需停機狀態)，繼電器 L391得電 200s(即連續排液 200s)，并在控制盤上進行狀態反饋。計時 200s后，繼電器L391失電，排液球閥V2P931關閉。

優點：實現自動放液，所需備件少。

缺點：需要改動程序(需SOLAR授權)。

通過綜合評價 3種方案，并結合現場情況，確定采用方案一，現場增加冷凝水集液包和放液閥(圖7)。該方案簡單易行，操作方便，同時能有效地將輔助儀表氣管匯中的冷凝水收集至集液包中并排放掉。

圖5 方案三改造流程圖Fig.5 Flow chart of retrofit scheme three

圖6 PLC需要新增程序的部分截圖Fig.6 Some screenshots of new program for PLC

圖7 現場增加積液包和截止閥Fig.7 Liquid loading pocket and globe valve added on-site

3 結 語

通過分析儀表氣管匯冷凝水形成的原因，根據放液閥不同的控制原理，提出 3種改造方案。創新性提出在輔助儀表氣管匯上新增冷凝水排液管線，現場采用最簡單有效的方案，即在排液管線上安裝集液包和手動排液閥。經過現場驗證，此次改造能高效地將從機組的輔助空氣管匯倒流回來的冷凝水排放掉，切實提高了透平燃油啟機的成功率。