透平發(fā)電機組應急噴淋降溫系統(tǒng)設計

龔昌平，劉鐵柱，任憲濤

(中海石油(中國)有限公司秦皇島32-6/渤中作業(yè)公司，天津 300459)

某海上浮式生產儲卸油裝置(FPSO)上共配備有4臺(3用1備)完全相同的由美國索拉(SOLAR)公司生產的TITAN130雙燃料透平發(fā)電機組，主要用于為全油田供電。透平發(fā)電機組的滑油冷卻系統(tǒng)作為防止滑油高溫的關鍵設備，其穩(wěn)定性直接關系到透平發(fā)電機組的穩(wěn)定性[1-3]。目前關于運行中的機組當滑油冷卻系統(tǒng)的高溫故障研究報道較少，為此，推出滑油系統(tǒng)因高溫造成關斷故障的應急設計方案。

1 問題提出及解決方案

1.1 問題提出

所述FPSO上每臺機組各配備1臺翅片式風冷滑油冷卻器，散熱器位于主配電間(MCC)頂部，尺寸為2 286 mm×2 273 mm×292 mm。因設備老化、冷卻風扇電機故障、風扇皮帶疲勞斷裂、翅片受雜物附著等因素的影響，導致?lián)Q熱效果不理想，因而頻繁引起滑油系統(tǒng)高溫進而造成機組關斷。分析故障情況發(fā)現(xiàn)，當滑油冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，滑油頭溫度上升迅猛，一般在5～8 min就可達到關斷值73.9 ℃，且此時環(huán)境溫度為5 ℃左右(滑油箱溫度約為65 ℃)。因而如何提高故障排除響應時間，以便現(xiàn)場操作及時發(fā)現(xiàn)設備故障，判斷故障根源，并排除故障，這在一定程度上與避免機組關斷成正相關。同時，在夏季高溫環(huán)境下，受陽光直射等因素的影響，滑油冷卻器散熱效果差，滑油箱的溫度高達90 ℃以上，滑油頭經(jīng)常出現(xiàn)高溫報警；尤其是隨著目前油田增儲上產項目的增加，電力負荷日益增高，電站即將接近滿載[4-5]，若碰上機組大修，機組故障等情況導致長時間沒有備用機組，滑油冷卻器翅片被毛絮等雜物附著無法進行清潔時，滑油高溫現(xiàn)象更加明顯，嚴重影響油田電站的穩(wěn)定性。

1.2 解決思路

根據(jù)工程實踐，對滑油系統(tǒng)進行降溫一般采用風冷或水冷，而風冷對風扇葉片的要求比較大且散熱比較慢，而冷卻噴水降溫系統(tǒng)作為一種常用的冷卻方式，在工程實踐中有著普遍的應用，且能達到快速降溫的目的。通過結合現(xiàn)場實際情況，考慮采用在滑油冷卻器上設計加裝1套自動應急噴淋降溫系統(tǒng)的方法來達到應急降溫的目的。

應急噴淋降溫系統(tǒng)主要是通過噴淋管線將常溫下的淡水噴到散熱翅片上，通過熱交換和汽化蒸發(fā)的原理，使冷卻水帶走大量的熱量，來降低散熱翅片和滑油的溫度。

2 自動應急噴淋降溫系統(tǒng)的設計

因各機組在不同工況下運行時各項參數(shù)均存在一定的差異，分析采用4臺機組的平均參數(shù)。考慮到海水容易對散熱翅片造成腐蝕，結合后期布置噴淋管線的可操作性和經(jīng)濟性，冷流體介質選用淡水；熱流體介質為潤滑油(型號：BP TURBINOL X32)。

2.1 物性參數(shù)

兩流體有關物性參數(shù)見表1[6]。

淡水出口管線至MCC撬頂?shù)拇怪本嚯x約為33 m，淡水泵的壓頭0.81 MPa，排量16 m3/h，撬下主甲板淡水總管線直徑50 mm；潤滑油盤管在散熱器內呈40×5的分布，盤管尺寸為3/4 in。

2.2 設計計算和分析

2.2.1 計算公式

傳熱基本公式[6]

Q=K·A·Δtm

(1)

式中：Q為換熱量，kW；K為總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；A為換熱面積，m2；Δtm為平均傳熱溫差，℃。

為使設計結果滿足不同工況的需要，根據(jù)潤滑油換熱器的經(jīng)驗總傳熱系數(shù)參考值，經(jīng)查表取總傳熱系數(shù)K的下限值為230 W/(m2·K)。

換熱量計算式[7]

Q=c·qm·Δt

(2)

式中：Q為換熱量，kW；C比熱容，kJ/(kg·℃)；qm為質量流量，kg/h；Δt為溫差，℃。

《聯(lián)合國氣候變化框架公約》的近200個締約方2015年12月在巴黎氣候變化大會上達成《巴黎協(xié)定》，鼓勵使用低碳能源來減少溫室氣體排放，長遠目標是確保將全球平均氣溫較工業(yè)化前水平的升高控制在2℃之內，并為把升溫控制在1.5℃之內付出努力。根據(jù)國際能源署(IEA)提供的信息，目前全球約70%的電力來自化石燃料，如果想在2050年實現(xiàn)上述目標，80%的電力需要來自低碳能源。

平均傳熱溫差Δtm為[8]

(3)

式中：thi為熱流體進口溫度，℃；tho為熱流體出口溫度，℃；tci為冷流體進口溫度，℃；tco為冷流體出口溫度，℃。

2.2.2 理論計算

將熱流體和冷流體對應的物性參數(shù)值分別代入(1)～(3)式，分析結果見表2。

表2的計算結果表明換熱面積及噴淋管線內淡水流量，均滿足設計要求。并且只需8.96 m3/h淡水，噴淋總管線選用1.5 in，即可滿足實際需求。

表2 各主要參數(shù)計算結果

2.3 噴嘴的設計

從經(jīng)濟成本等多角度出發(fā)，通過從撬下主甲板淡水總管線上引出1條管線作為噴淋總管線，再從噴淋總管線上引出4條分管線分別通向4臺滑油冷卻器，最后在滑油冷卻器頂部中線位置設計一根噴淋管線，并在噴淋管線上相應間距切割多個1/3圈(噴淋夾角為120°)相應大小的噴淋口(噴淋口寬度應盡量小，以實現(xiàn)更好的霧化效果)，形成噴嘴。同時，為起到節(jié)流增速的目的，使得噴出的水能夠起到良好的霧化效果，設計中選用1 in的管線作為噴淋管線，并根據(jù)現(xiàn)場實際情況，噴淋口子切割寬度為1 mm。

根據(jù)管線周長計算可得噴淋管線的周長為0.08 m，流經(jīng)每個噴嘴的流量為0.85 m3/h，噴嘴數(shù)目為11個，即噴淋管線上各個噴嘴之間的間距為207.8 mm；噴淋管線至滑油冷卻器頂部的安裝高度為659 mm。

因此，只需在噴淋管線上每隔207.8 mm共布置11個噴嘴即可滿足現(xiàn)場的實際需求。從而基本實現(xiàn)噴水全覆蓋于散熱翅片上，以實現(xiàn)噴淋降溫。具體流程見圖1。

圖1 自動應急噴淋降溫系統(tǒng)流程

3 自動監(jiān)測裝置及現(xiàn)場應用

3.1 自動監(jiān)測裝置

圖2 自動應急噴淋降溫系統(tǒng)電磁閥控制程序

同時，為了防止電磁閥故障或PLC程序故障，導致電磁閥無法自動開啟，在通往每臺滑油冷卻器的支路上再旁通1路手閥，便于應急時直接開閥使用，以實現(xiàn)自動和手動的全方位控制。安裝現(xiàn)場見圖3。

圖3 國內某FPSO實際安裝現(xiàn)場

3.2 現(xiàn)場應用情況

手動測試，當應急噴淋降溫系統(tǒng)工作時，滑油系統(tǒng)降溫效果明顯，僅15 min，滑油頭的溫度由接近報警值的70 ℃(報警值71.1 ℃)降至52 ℃，滑油箱的溫度由83 ℃降至71 ℃。兩次階段性的停止噴淋測試，發(fā)現(xiàn)滑油箱的溫度變化基本趨于穩(wěn)定。

裝機后長時間對滑油冷卻降溫效果進行驗證，由于自動應急噴淋降溫系統(tǒng)實時對機組滑油頭的溫度進行監(jiān)測和調節(jié)，使得滑油頭的溫度即使在夏季高溫環(huán)境時也基本穩(wěn)定在60 ℃左右，滑油箱的溫度基本穩(wěn)定在75 ℃左右，見圖4。

圖4 應急噴淋降溫系統(tǒng)實施后機組的溫度變化

4 結論

1)對于噴嘴而言，適當減小噴淋口子的寬度能有效提高霧化效果，但當噴淋口子過小時會導致噴水量不足達不到應急降溫的目的，因此存在一個合適的噴淋口子寬度值和噴嘴數(shù)量值。

2)由于自動應急噴淋降溫系統(tǒng)的作用使得機組的滑油溫度一直維持在一個良好的且穩(wěn)定的狀態(tài)下，從而使得滑油的漆膜傾向指數(shù)和抗氧化性能等指標也有了很大的改善，提升了透平發(fā)電機組滑油系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3)通過對機組滑油頭的溫度實現(xiàn)自動狀態(tài)監(jiān)測，能有效減少人工緊急操作和故障判斷時所產生的誤差，提高了設備操作的可靈活性和自動化程度，有效降低了透平發(fā)電機組因滑油高溫導致的關斷故障率。