大功率燃氣輪機軸承密封氣冷卻系統優化

宮有志 蔡東升

摘要：大功率燃氣輪機關鍵軸承采用壓縮氣體輔助密封，密封氣冷卻器使用海水作為冷卻介質，在某些特定工況有海水滲漏進入滑油系統進而損傷核心機的風險。本文針對上述隱患提出優化改造，并系統闡述將密封氣海水冷卻改造為風冷的技術方案：利用風冷器、變頻器、中央控制系統等設備，借助原有通訊經PID調節控制，實現空氣冷卻器風機的自動變頻控制和溫度保護啟停，解決環境溫度和機組負載對冷卻器溫度控制的波動影響，最終實現對燃氣輪機軸承密封氣風冷系統恒溫控制，解決限制其穩定運行的關鍵難題。

關鍵詞：軸承密封氣冷卻器;變頻器;PID控制;溫度控制;燃氣輪機

中圖分類號：TM62;TK473? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）02-0061-02

1? 背景簡介

海上采油平臺多采用燃氣輪機作為電站為其生產活動提供電源，渤海某平臺電站配置了3臺25MW西門子SGT-700型工業燃氣輪機發電機組。這種燃氣輪機的2#軸承采用密封氣輔助密封，密封氣源為輪機前端壓氣機產生的高溫壓縮空氣，經過外置的海水冷卻器換熱降低溫度后進行軸承密封。因海水具有高腐蝕性，盡管冷卻器芯子的材質考慮了耐腐蝕要求，實際運行中仍有腐蝕沖蝕導致換熱器穿孔泄露的風險。機組在運行狀態下，壓縮空氣壓力高于海水壓力，使得冷卻器泄露有很強的隱蔽性，在機組降速或者報警關停時，海水就會大量泄漏至機組內部，導致污染滑油，甚至損傷軸承、腐蝕燃燒室及動力渦輪等核心部件。一旦發生上述情況，該燃氣輪機往往需要返廠大修，產生高昂的維修成本，并會進一步影響油田的穩定生產。

某機組在正常停機后發現滑油箱體液位有上升趨勢，經排查確認為上述故障情況，工況相同的其它機組也存在類似風險。為了從根源上消除隱患，保障燃氣輪機本質運行安全，需要對密封氣冷器系統進行故障處理或優化改造。

技術人員與工廠協商，擬定解決方案如下：

①工廠發送新的冷卻器芯替換安裝，并對泄露產生的關聯故障進行排查處理。因不能從本質上消除隱患，予以否定;

②工廠按換熱量提供風冷式換熱器，替換安裝;

③仍然使用原型號冷卻器，額外加裝一套淡水循環系統，采用海水冷卻淡水、淡水冷卻密封氣。

由于第二方案時效性較高，且能相對徹底的解決潛在風險，成為首選方案。但冷卻方式的調整會導致新的技術問題，以下具體介紹風冷換熱器的改造實施方案。

2? 技術方案的確定

空冷器替換水冷安裝完畢后，啟動燃機進行測試，發現密封氣溫度大幅波動：在不啟動風機的情況下，上升較快，很快接近燃機密封氣高溫報警/關斷設定值，啟動單臺風機工頻運行時，溫度又急速下降，低于工廠推薦的允許值。糾其原因，相較換熱量穩定的水冷裝置，風冷裝置對環境條件更加敏感，燃機負載變化、環境溫度變化需要的換熱量變化劇烈，不能滿足燃機穩定運轉需求。

燃機廠家提出將兩臺風機調整為自動啟?？刂?，因自動啟停方式只能提供階梯式的風量調節，且環境溫度低時最低階的風量仍大于換熱需求，技術人員基于海上平臺的資源條件，自主實施以下的優化改造方案：

冷卻風機電機是可以變頻運行的，最低運行頻率5Hz。利用MM420小型變頻器可實現對風機進行轉速控制，實測密封氣溫度可以暫時穩定，變頻器頻率需要根據環境溫度、機組負載等情況實現自動調節。西門子透平與平臺中央控制系統（后續簡稱：中控）存在485通訊，通過中控可以實時監控透平部分數據，通過該通訊鏈路可以實現對密封氣溫度監控，再由中控系統組態PID控制回路，輸出對變頻器的模擬量和開關量控制，從而實現密封氣溫度的恒溫控制。

本改造方案整體結構如圖1。

3? 恒溫控制方案的設計與實施

3.1 PID變頻器恒溫系統總體方案設計

燃氣輪機密封氣溫度恒定控制的實現主要通過動力系統與儀控系統的協調配合實現，主要有變頻器、溫度傳感器、中央控制器和變頻風機組成。動力系統主要包括風機與變頻器，儀控系統主要包括溫度變送器、中央控制器等。本次改造的特點在于利用透平現有控制系統并不做改變，通過平臺中控系統系統實現中央控制器和溫度控制的功能。

3.2 動力系統

動力系統配置主要包括電纜敷設與接線、變頻器安裝、變頻器設置與空載調試。電氣施工對空閑配電柜進行改造，拆除原內部器件，重新安裝固定MM420變頻器。鋪設通訊電纜，使變頻器與中控系統建立聯系。通過對變頻器的參數設置，實現中控系統通過模擬量進行調速控制功能、中控遠程啟動與停止風機功能，同時主開關間變頻柜處可實現就地啟停與BOP面板調速功能。通過模擬量信號整定與頻率上下限設置，可實現4—20mA電流信號對應5—50Hz頻率調節。

3.3 儀控系統

3.3.1 儀控系統設計

儀表施工涉及中控系統組態，中控系統接線箱至變頻器電纜敷設和PID回路調試。利用通訊點進行PID控制在中控系統中并不常應用，為保證密封氣溫度的可靠性，在保證PID可以手自動控制的前提下，增加開關量邏輯啟動停止變頻器，即可以在中控設定變頻器的啟動和停止溫度。恒溫控制系統框圖如圖2。

在溫度控制中普遍存在參數時變、大滯后、非線性等特點，透平運行情況負責，密封氣的溫度又與機組的帶載有一定關系，并且受環境溫度變化影響較大，為保持密封氣溫度穩定和變頻風機運行頻率平穩，PID各參數的設置要反復調試和校準。

3.3.2 溫度PID控制

這是一個典型的閉環控制系統，用于控制加密封氣的溫度（PV）保持在恒定的溫度目標值（SV）。系統通過西門子透平本機溫度采集單元反饋回來的實時溫度信號通過485通訊傳至EMERSON Deltav 系統中，獲取偏差值（EV），偏差值經過 PID 調節器運算輸出，控制風機變頻器的頻率，以克服偏差，促使偏差趨近于零。

溫度控制系統是一個慣性較大的系統，也就是說，當給冷卻器開始降溫之后，并不能立即觀察得到溫區溫度的明顯上升;同樣的，當關閉風機之后，溫區的溫度仍然有一定程度的下降。另外，熱電偶對溫度的檢測，與實際的溫區溫度相比較，也存在一定的滯后效應。這給溫度的控制帶來了困難。因此，如果在溫度檢測值（PV）到達設定值時才關斷輸出，可能因溫度的滯后效應而長時間超出設定值，需要較長時間才能回到設定值;如果在溫度檢測值（PV）未到設定值時即關斷輸出，則可能因關斷較早而導致溫度難以達到設定值。同時現場冷卻器分為兩組，前段為溫度高熱端冷卻器，后端為冷端冷卻器，密封氣的溫度受兩個冷卻器的狀態影響，同時受環境溫度和透平帶載都有一定影響，這給密封氣的恒溫控制帶來了很大的難度，為了合理地處理系統響應速度與系統穩定性之間的矛盾，需要反復調試PID參數的設置和整體控制邏輯。

在實際調試過程中，由于機組負載和環境溫度等多重影響的變化，造成了整體系統很難達到穩態，運用典型PID控制原理及其算法，根據調解得到曲線將OP值的低限根據負載和環境溫度的變化做設定，在低限到10%時，整體溫度波動基本處于長期穩定狀態。實施恒溫改造前后，燃氣輪機軸承密封氣溫度變化趨勢如圖3。

4? 效果與總結

在密封氣溫度高于55℃時現場風機自動啟動，溫度低于40℃時現場風機自動停止，實現冷卻風機的自動啟停功能和保護。根據實際溫度，中控系統PID控制有效調節冷卻風機運行頻率，密封氣溫度基本恒定在工廠推薦值60℃左右，穩定后現場冷卻風機保持穩定頻率運行。在發電機組帶載變化、環境溫度變化等干擾出現后，能夠自動調節風機轉速，穩定后能使溫度有效回歸并保持在60℃左右。

變頻器停機報警、燃氣輪機密封氣高溫報警為觸發條件，可設置備用冷卻風機的啟停邏輯，進而總體上實現密封氣冷卻系統的安全可靠，獨立的控制單元沒有對燃氣輪機的控制系統產生干擾和影響。在冬季降溫、氣候回暖、負載波動或劇烈變化、晝夜溫度變化等情況下，均能實現自動調節透平燃氣輪機密封氣溫度并保持穩定。

對于西門子工業機型的燃氣輪機，說服廠家主動做出調整十分困難。上述改造在實施初期，服務工程師以種種理由說明對控制系統的改動權限非常高，成本高并且具有其他風險。我們采用變頻器和工業系統PID控制這種非常成熟的工業技術，獨立于燃氣輪機控制系統本身，實現了密封氣溫度的跟隨控制，最終獲得其現場服務工程師的高度評價。在防控新型冠狀病毒肺炎時期，動員國外人員、物資非常困難，依托現有資源，及時處理燃機運行的關鍵性問題，也給企業帶來可觀的經濟效益。

參考文獻：

[1]西門子變頻器MM420使用說明書.

[2]饒林森.變頻器中PLC自動控制技術的運用[J].山東工業技術，2019（02）.

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