海上平臺透平發電機組進氣濾器室的優化改造

于昊成，張紅武，劉曉亮，王 昆，張耘赫

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津300459)

0 引 言

透平發電機組是一種高功率密度、將燃料燃燒后把熱能轉換為機械能的旋轉式動力設備，目前用于發電的燃氣輪機簡單循環效率一般在 32%～40%之間，聯合循環效率最高可達到 60%左右[1]，是海洋油氣開采平臺電站的“心臟”。近年來，隨著海洋油氣勘探技術的發展，油田群開發越來越多采用區域開發的方式，這些油田群在電力供應上多采取電力組網模式，并利用中心平臺上的發電機組集中供電管理。渤海灣某海上油田的2臺透平發電機組進氣系統在運行過程中遇到陰雨天、大雪天等潮濕環境時，初級過濾器后端的濾器室通道內就有明顯積水，第二級和第三級過濾器在濕度大的環境下，過濾器壓差急劇上升，多次達到壓差報警值，影響機組正常運行。本文通過現場研究歸納出了產生以上問題的原因，并通過現場測繪、改造該透平進氣濾器室內部結構等措施解決了上述問題。

1 故障原因分析

透平發電機組現場運行過程中存在擋雨罩防雨效果差、折流板除水能力弱、濾器除水能力差等問題，造成空氣中的水分過多的進入二、三級濾芯，從而引發濾器濕堵，進而導致壓差大、機組的進氣量遞減、濾器室內存在大量積水，影響透平的負載能力和穩定運行，嚴重時會引起喘振損壞機組，對整個電網而言也是較大的風險和隱患。油田電網的穩定性與否直接關系到油田生產運行是否穩定。渤海灣油氣田所搭載的燃氣透平的運行環境很多是在潮濕天氣中，如海邊或湖邊的霧氣，而濾器在潮濕和干燥環境中運行是有顯著不同的。當潮濕的空氣進入濾器系統后，部分纖維材質濾器將會吸濕膨脹，造成壓降顯著升高。鹽含量對于燃氣透平的壽命也有直接影響，濾器系統如果未能有效除鹽，它就會進入壓縮機和透平的熱段，進而導致積垢和腐蝕，壓縮機葉片上的鹽必須通過水洗或直接清洗葉片進行去除。燃氣透平制造商通常嚴格要求控制透平進氣中的鹽含量，一般為＜0.01mg/L，而沿海岸基安裝的燃氣透平所要求的進氣鹽含量可達0.05～0.5mg/L[2]。

鑒于以上情形，我們對該透平機組進氣濾器系統進行了改造，以保證透平的安全穩定運行，力爭確保電站和生產流程的穩定運行。針對該透平進氣濾器室存在的問題，通過現場深入的研究歸納出問題存在的原因，分析主要有如下4項：

①原裝擋雨罩存在設計缺陷，設計上斜角度過大，大風天氣下，雨雪可直接進入濾器室內，不能起到可靠的阻擋作用；

②原裝折流板選材及結構設計不夠合理，除水效果差；

③原裝濾器選型不夠合理，其一級濾器不適用于海上潮濕環境，除水效果較差；

④濾器室內排水流道設計不夠合理，排水不暢，通道內積水積存在低洼處，無法排出。

2 方案研究與實施

2臺進口機組型號相同、設計相同，所以同一套改造方案適用于2臺機組，依據海上實際情況和機組運行狀態，針對該透平機組的故障問題對其進氣濾器室進行改造。

2.1 擋雨罩結構升級，保證擋雨效果

原裝擋雨罩上斜角度過大，惡劣天氣下，雨雪可直接被吹入擋雨罩內，不能起到很好的遮擋效果，同時增大了折流板和濾器的工作壓力，如圖1所示。因此，施工過程中，在原有的基礎上增加配有人孔的結構框架及新設計的擋雨罩。新型擋雨罩將折流板安裝位置前移，以方便一、二級濾器對裝在一級濾器框架上。冬季嚴寒天氣下，原裝擋雨罩防鳥網表面會覆蓋一層冰，影響透平進氣量，新型的擋雨罩有著上斜面的遮擋，水滴順著擋雨罩上表面前方的導水槽聚集后導流至擋雨罩兩側排出，防止水滴在防鳥網表面聚集，從而起到一定的防冰作用。改造后的現場效果如圖2所示。

圖1 原裝擋雨罩Fig.1 Original rain shield

圖2 新型擋雨罩Fig.2 New rain shield

2.2 重新設計折流板結構，提高除水能力

原裝折流板為鋁型材料，結構上僅有 1道折流翼，只改變 3次空氣流向，除霧水效果較差。新的折流板為不銹鋼材料，結構優化為 3道折流翼，可多次改變空氣流向，并且在設計上也更加合理。鑒于折流板的除霧器效率與液滴直徑、氣體流速成正比，與轉折角度成反比。故當除霧器角度為 30°時，除霧器對液滴的捕集效果要明顯高于其他角度的除霧器，并且對直徑在 10μm 以下的液滴捕集作用要明顯高于其他角度的除霧器；當氣體流速在 2～6m/s，除霧器角度＞30°時，除霧器的角度和氣體流速對 10μm 以下液滴的捕集效率影響較小，對直徑大于 10μm 的液滴，隨著流速和角度的增加，捕集效率有較好提升。這主要是因為小液滴自身慣性較小，對氣流的跟隨性較強，很難從氣流中分離出來，而大液滴的慣性較大，維持原有狀態的能力較強，因此更易從氣流中分離出來[3]。綜上，新設計的折流板角度接近 90°，并經過3次方向轉變，可以有效地使其上面聚結的水珠在折流翼中被充分阻攔下來，從而有效去除空氣中的水分及雜物，減輕下游濾器的工作壓力，能起到一定的保護作用和延長濾器的使用壽命。新舊折流板其結構圖如圖3、4所示。

圖3 原裝折流板Fig.3 Original baffle

圖4 新型折流板Fig.4 New baffle

2.3 濾器系統方案升級，有效防止濾器濕堵

原裝濾器系統采用三級配置：一級濾器F7(V型盒濾)從后往前單獨安裝在第 1道框架上，二級濾器F9和三級濾器 E12(V型盒濾)正反扣在一起，安裝在第 2道框架上。機組運行過程中，惡劣天氣下，一級濾器除水效果較差，使得進入二、三級濾器的空氣濕度較大，造成二、三級濾器濕堵，濾器室總壓差頻繁達到報警值，影響機組的穩定運行。

在現有框架結構的基礎上，新的改造方案中濾器仍采用三級配置。考慮到海上陰雨大霧等高濕度環境，選用除游離水、除鹽霧過濾器HydroMaxx作為第1道過濾器；為了更好地保護第3道過濾器，選用F8級別的 MX95作為第 2道過濾器；鑒于 eMaxxE11過濾器在其他項目中表現較好，選用其作為第3道過濾器。第 1、2道過濾器采用二合一背靠背的方式安裝在第1道框架上，第3道過濾器單獨安裝在第2道框架上。

這3款濾器的框架的主要材質采用了PET、PE、PP等材料，均無金屬配件，抗腐蝕能力較強，并且濾芯的抗濕性能均適用于海上潮濕的環境。實測一級濾器還能有效地除去空氣中的游離水和鹽霧，二、三級濾器設有專門的擋水板和排水槽，能夠有效地阻攔和排出水滴，從而起到良好的過濾效果。相關參數如表1所示。

表1 新濾器相關參數Tab.1 Relevant technical parameters of new filter

除此之外，新過濾器的額定風量大約為原裝的1.2倍，高額定風量可以保證燃機在滿負荷甚至超負荷的條件下長時間安全穩定運行。

2.4 改造排水系統，保證排水暢通

原濾器室內只在折流板下方設置了排水槽，濾器室通道內的積水通過一級濾器框架下方的孔洞和縫隙排入水槽內。由于排水槽并非濾器室內最低點，潮濕天氣下濾器室內便會存在一定積水，無法徹底排出，如圖5所示。當風雨較大時，甚至會出現排水槽積水反灌的現象，造成濾器室通道內存在大量積水，引發進入撬塊的風險，影響機組的穩定運行。

圖5 原濾器室內積水情況Fig.5 Water accumulation in original filter room

根據現場情況需要，改造過程中在濾器室通道內地板上的最低點增加排水孔，每層 3個，如圖6所示。預制安裝新的排水管線，增加排水管坡度和集水箱。集水箱的位置設計在透平進氣濾器室下層甲板低點位置，其作用有 2個：一是收集濾器室排出的殘水，由于存在高度差，故即便集水箱裝滿后溢出來的的積水也可以順利從箱體上方開口排出；二是由于其內部日常充滿水，透平進氣濾器的排水管插到水箱靠近底部位置，從而形成良好水封，防止由于負壓效應導致積水沿著排水管倒流回進氣濾器室。

圖6 濾器室內新增排水孔Fig.6 Newly added drainage holes in filter room

2.5 安裝直梯及撬塊頂部維修平臺，方便運維

透平的進氣濾器室為了防止冬天進氣溫度低而出現結冰的情況，多數會設置防冰系統，尤其是我國北方海域的油田，當空氣的相對濕度大、晝夜溫差變化較大時，空氣中的一部分水蒸氣會析出，造成過濾器濾芯的膨脹，從而導致過濾器濾芯內外兩側壓差增大，濾芯表面會形成結霜。這種現象會導致燃機壓氣機進氣壓差變大、進氣量不足，進而造成燃機的報警甚至停車。如果結霜不及時清除，過濾器濾芯內外兩側氣體壓力急速升高，過濾器將會結冰，整個進氣系統將被冰塊所堵塞，最終導致燃氣輪機停車甚至損壞進氣系統[4]。

由于原濾器室結構中未設計頂部維修平臺和直梯，故當防冰加熱器出現故障時，必須現場搭設腳手架后才能進行維修，導致機組排障時間增長，影響平臺電站的及時恢復。為有效降低排障時長、提高設備可靠性，在濾器室中部南側安裝高度為 8.5m的不銹鋼直梯，并在濾器室頂部搭建一個維修平臺，周邊安裝護欄，方便日后工作人員對防冰系統進行相應維護。同時，對防冰管路整體進行保溫，提高防冰系統的工作效率，保證機組在環境溫度較低的情況下可以穩定運行。其安裝后的效果如圖7所示。

圖7 進氣濾器室安裝直梯及撬塊頂部維修平臺Fig.7 Vertical ladder and maintenance platform at top of skid

3 優化改造效果

改造項目結束后，截至目前，機組已穩定運行超過 1年，此次改造取得良好效果。以往風雨天氣情況下，通道內很容易積水，濾器也會特別潮濕，影響機組的安全穩定運行，自投產至改造前，透平在潮濕天氣因濾器壓差高頻繁出現壓差高報警，尤其是在雨季，空氣濕度較大，壓差一直居高不下。這也給油田的安全穩定生產帶來了一定的隱患，并且縮短了透平濾器的使用壽命，增加了運維成本。改造后透平運行過程中，通道無積水，濾器表面清潔干燥，壓差也始終穩定在一定范圍內。

4 總 結

本文以海洋石油平臺燃氣輪機發電機組進氣濾器室的改造項目為背景，分析了導致透平進氣壓差高的原因，提出了通過改造進氣濾器室前端擋雨罩、折流板的構造，以減少大霧和暴雨等極端天氣雨雪進入濾器室的方法。同時通過重新對其中的三級過濾器的濾芯進行分析選型，使其更有利于水汽在濾器上游析出，增加了過濾效果，保證了透平進氣濕度要求。此外，增設的排水孔有效將濾器室內殘余的積水排出，改造的防冰裝置維修平臺為后續防冰系統檢修提供了便利。以上舉措有效地提高了透平運行的穩定性，解決了油田電網存在的隱患，提升了電站運行的可靠性。