解決Solar T60 透平發電機組啟動過程中的轉速波動問題

楊福海

（中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳 518000）

0 引言

透平發電機組是保障油田穩定生產的關鍵設備，在正常生產過程中為油田提供了約15 000 kW 的電網，為各個采油平臺提供生產動力。透平機有運行穩定、效率高的特點，同時充分利用平臺自身生產的天然氣作為清潔燃料，既節約了成本又不會污染環境。

1 問題

Solar T60 透平發電機組是通過外部電網，經VFD 變頻器驅動透平啟動馬達帶動機組盤車，透平機點火成功后，繼續拖動透平加速到自持轉速65%NGP。在透平機轉速達到65%NGP的自持轉速后，啟動馬達斷電自動脫扣，透平機通過自身燃燒逐漸加速到100%NGP 的正常工作轉速（14 950 r/min），通過發電機并網為整個油田提供電力。

在2011 年9 月臺風過后，工作人員返回平臺的復產過程中，按照復產程序首先恢復油田動力電網。在啟動透平機發電機組的過程中，用應急柴油發電機電網作為啟動電源，在啟動透平發電機組的過程中，透平機能夠正常啟動盤車到22%NGP，經過5 min 的吹掃盤車，透平機開始點火，點火成功后卻無法正常爬升至65%NGP 的自持轉速，轉速上下波動，啟動困難，但NGP 在波動過程中可以緩慢提升，在波動中逐漸達到自持轉速。啟動馬達脫扣后，透平機能夠靠自身燃燒，平穩加速至100%NGP的正常轉速。在透平機組啟動過程中發現柴油機出現排煙量變大、運轉聲音變大的現象。透平機組雖然能夠啟動成功，但點火成功到自持轉速之間透平機出現轉速波動屬于不正常的現象，長此以往會對啟動馬達和透平機組造成一定的損傷，也不能保證透平每次順利啟動和運行。

2 故障分析

針對此現象，對透平機組的燃料系統、啟動系統和應急柴油發電機組進行認真分析，得出可能造成這種現象產生的主要原因有：①透平機可調導葉（IGV）或放氣閥（Bleed Valve）故障引起喘振；②透平機啟動系統故障；③透平機組燃料系統故障；④柴油機進氣系統故障；⑤柴油機燃油系統故障。

（1）Solar T60 透平機組的防喘振機構有可調導葉和放氣閥（圖1）。為防止透平機在喘振工況下運行而引起喘振[1]，啟動時可調導葉必須處于關閉狀態（Solar T60 的IGV 是一次開關式[2]，只有“關”和“開”兩個位置），此時放氣閥處于打開狀態。而當透平轉速達到92%NGP 時，可調導葉通過電磁換向閥的控制，由液壓驅動連桿機構的活塞，將其完全打開。當發電機并網且負載超過500 kW 時，放氣閥通過電磁換向閥控制在液壓的作用下關閉。

圖1 Solar T60 透平機可調導葉和放氣閥

當可調導葉和放氣閥出現故障時，往往容易引起喘振，造成轉速波動、機組劇烈振動，同時伴隨低沉的“怒吼”聲。經過排查和檢測，可調導葉和放氣閥均能活動自如，在啟動過程中能夠處于相應的關閉和打開狀態，且根據啟動過程中的觀察，透平機并沒有因為喘振而出現振動并伴隨低沉的“怒吼”聲，因此排除了因喘振而引起的轉速波動的可能。

（2）Solar T60 透平機組的啟動系統是由變頻器（VFD430）和安裝在透平機齒輪箱上的啟動馬達（B330）組成的。在啟動過程中，通過外部電網和變頻器使啟動馬達轉速成線性上升，在透平機點火成功后，啟動馬達繼續拖動透平機，在燃料自身燃燒推動渦輪的推力作用下，使透平機逐漸達到65%NGP的自持轉速，此時PLC 控制啟動馬達斷電脫扣，透平機通過自身燃料的燃燒，逐漸加速到100%NGP 的正常運行轉速。針對轉速波動的現象，懷疑啟動馬達速度提升不夠或扭力不夠，使得透平機加速出現波動。機械部分懷疑是啟動馬達與透平機齒輪箱連接的“超速”離合器出現問題，使得啟動馬達不能完全將作用力傳輸給齒輪箱，經手動盤車檢查，“超速”離合器工作正常。

（3）透平機雙燃料系統的天然氣進氣調節閥（EGF344）和柴油供油調節閥（ELF344）出現漂移，即不能按照PLC 的要求控制合理的開度，使得燃料供應量變小，燃燒后推力下降從而不能滿足啟動轉速提升。后經測試發現用柴油點火時同樣出現轉速波動，而兩個調節閥同時出問題的可能性較小，又經過對兩個燃料控制閥的檢查，發現控制閥處于良好狀態。另外，透平機在正常運行中，并沒有發現動力不足或轉速波動的現象，這也能夠證明燃料控制系統正常。因此問題應該出在啟動系統中。用其他平臺透平機組，經電力管理系統（PMS）已建立的透平電網來啟動該透平，發現在啟動的過程中，該透平沒有再出現轉速波動。由此推斷，透平自身的啟動系統正常，問題應該出在外部電網的提供者柴油機。

（4）平臺的應急柴油發電機組型號是底特律V12 缸149TI 型兩沖程柴油機，柴油機的最大帶載能力可達1200 kW。進氣系統由進氣過濾器、進氣應急關斷風門、渦輪增壓裝置、中冷器，機械增壓裝置（掃氣泵）組成，最終通過掃氣泵將空氣掃進位于活塞缸中部的進氣門，缸頭頂部分布4 個排放氣門。檢查柴油機的進氣系統，確保進氣風門處于開位，更換新的進氣過濾器，檢查進氣渦輪增壓系統等，發現各部分工作正常。

（5）柴油機燃油和控制系統由過濾器、柴油傳輸泵、柴油分油管和噴嘴（噴油泵）組成。通過掃氣泵的輸出軸驅動一個液壓泵，建立油門控制系統的液壓壓力，油門電磁閥根據轉速（1800 r/min）反饋的電信號（0～24 VDC）調節閥芯位置，使液壓泵建立的液壓調節油門連桿上下運動，油門連桿控制柴油噴嘴（噴油泵）的噴油量，使柴油機在不同負載下轉速始終保持1800 r/min，向外輸出480 V 交流電。檢查柴油機的燃油系統，更換柴油初級過濾器和第二級過濾器，檢查柴油傳輸泵工作正常。打開搖臂蓋板，逐個檢查柴油機噴嘴（噴油泵），噴嘴（噴油泵）是尺桿式油量調節形式，通過齒條調節噴油柱塞供油行程控制噴油量，從而穩定轉速（圖2）。

圖2 柴油機尺桿式油量調節噴嘴

經檢查發現L5 噴嘴的齒條無法調節，其他噴嘴均工作正常，懷疑是L5 噴嘴的柱塞卡死。拆除L5 噴嘴，經解體檢查發現噴嘴的噴油柱塞卡死，齒條無法驅動柱塞上的齒輪旋轉調節。柴油機的12 個噴嘴的調節齒條，都用一根撥叉拉桿帶動（圖3），而L5 噴嘴柱塞卡死限制了整條拉桿的運動，導致整個油門只能在0 供油位和L5 噴嘴柱塞卡死點供油位之間較小范圍內調節，當負載過大時不能滿足供油要求，從而導致柴油機轉速降低、電壓不穩定，當驅動透平機啟動馬達啟動透平機時，出現轉速波動現象。

圖3 柴油機油量撥叉拉桿控制形式

3 解決措施

更換了卡死的柱塞部分，噴油測試時又發現噴油孔堵塞嚴重，用工具將堵塞的噴油孔疏通，再次噴油測試工作正常。回裝L5 噴嘴，調節噴嘴柱塞位置，當凸輪基圓經過噴嘴柱塞頂端時，噴嘴距離噴嘴底座的距離，即正時高度為2.175″；調節排氣門的間隙，使氣門關閉時，即搖臂處于凸輪軸基圓位置時，氣門間隙為0.028″。完成L5 油嘴的安裝調節后，檢查油門連桿在全速時的位置，并做好標記，在以后的維護中作為參考。回裝應急柴油發電機的搖臂蓋板，啟動柴油機，用應急發電機電網作為啟動電源，進行透平啟動測試，透平啟動過程中的加速波動異?，F象消失。

4 結束語

總結整個維修過程，首先分析出可能的故障原因，排除一些可能原因，逐步排查找到根本原因。故障的及時排除，使得透平機的啟動能夠順利進行，對平臺生產提供了有力保障。同時發現維修維護工作中的盲點，及時更正維修方式和擴大維護范圍，為以后的故障維修積累經驗。