海上平臺(tái)透平發(fā)電機(jī)搬遷的技術(shù)研究

郝亮

[摘 ? ?要]隨著海上油氣田開采技術(shù)不斷發(fā)展，海上油氣田處理工藝及開采產(chǎn)量日益增加，對(duì)用電需求不斷加大，對(duì)海上孤島電網(wǎng)供電提出更高的挑戰(zhàn)。為滿足大功率設(shè)備的運(yùn)行與用電安全，需利用大型透平發(fā)電機(jī)并網(wǎng)供電形式，開展各電壓等級(jí)機(jī)組與高電壓等級(jí)大型機(jī)組的組網(wǎng)技術(shù)研究。通過(guò)增加各電壓等級(jí)發(fā)電機(jī)組與平臺(tái)現(xiàn)有大容量機(jī)組進(jìn)行組網(wǎng)以補(bǔ)充平臺(tái)用電缺口，在降低改造工程投資的情況下解決電力缺口問(wèn)題。

[關(guān)鍵詞]海洋石油平臺(tái);透平發(fā)電機(jī)組;搬遷工程設(shè)計(jì)

[中圖分類號(hào)]TM31;TE95 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2022）03–00–03

Technical Research on Relocation of Turbine Generator on Offshore Platform

Hao Liang

[Abstract]With the continuous development of offshore oil and gas field production technology， the treatment process and production output of offshore oil and gas fields are increasing， and the demand for electricity is increasing. It poses a higher challenge to the power supply of offshore island power grid. In order to meet the operation and power safety of high-power equipment， the grid connected power supply form of large turbine generator is used. Research on networking technology of various voltage level units and high voltage level large units. The power gap of the platform is supplemented by increasing the networking between the generator units of various voltage levels and the existing high-capacity units of the platform， so as to solve the power gap under the condition of reducing the investment of the reconstruction project.

[Keywords]offshore oil platform; turbine generator set; relocation engineering design

隨著海上油氣田生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，電力負(fù)荷持續(xù)的增加，局部油田區(qū)域出現(xiàn)電力短缺的狀況。本文以渤海地區(qū)某項(xiàng)目為例進(jìn)行研究，該項(xiàng)目中電站能力已經(jīng)無(wú)法滿足供電需求。對(duì)比增加柴油發(fā)電機(jī)故障率與燃料成本高，并出于減排目的，故考慮增加采用燃?xì)獍l(fā)電機(jī)，這樣既能減少柴油消耗量又能使原本放空的天然氣得到充分的利用。

為使閑置資產(chǎn)能夠發(fā)揮更好作用，故對(duì)閑置透平發(fā)電機(jī)進(jìn)行搬遷。本次搬遷機(jī)組來(lái)自渤海某閑置FPSO，該機(jī)組為SOLAR T60，其額定功率為4552 kW。搬遷投產(chǎn)后將大幅緩解所在區(qū)域的用電瓶頸問(wèn)題。且透平機(jī)組采用交換機(jī)組的方式進(jìn)行返廠大修，可以保證設(shè)計(jì)年限內(nèi)機(jī)組運(yùn)行的安全與可靠性。本次使用的透平發(fā)電機(jī)組參數(shù)見(jiàn)表1。

1 針對(duì)透平的搬遷與安裝開展了以下相關(guān)研究

1.1 發(fā)電機(jī)組擺放位置研究

由于透平屬于高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備，在常規(guī)項(xiàng)目中設(shè)備布置選取在平臺(tái)的軸間位置，以保證設(shè)備可穩(wěn)定減少對(duì)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)沖擊，更好地保證設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行。由于改造項(xiàng)目的特殊性，需要盡量減少項(xiàng)目改造量，縮短項(xiàng)目周期并控制項(xiàng)目開支達(dá)到經(jīng)濟(jì)性的原則，本項(xiàng)目對(duì)新增透平的擺放位置做了專題研究，并對(duì)每個(gè)位置的利弊進(jìn)行論證。最終考慮把透平放置在西南側(cè)舷外，通過(guò)增補(bǔ)甲板放置透平及其附屬設(shè)備。

此方案的優(yōu)點(diǎn)：對(duì)平臺(tái)原有系統(tǒng)改造量小，無(wú)需對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行移位等改造，減少停產(chǎn)時(shí)間。頂甲板利于設(shè)備吊裝就位等施工。

存在的問(wèn)題：放置在平臺(tái)西南角外側(cè)位置，結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱，無(wú)法做到對(duì)樁基直接的支撐。外延部分易產(chǎn)生震動(dòng)：對(duì)機(jī)組運(yùn)行不利，易造成設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)。因此在設(shè)計(jì)中為了規(guī)避兩個(gè)不利點(diǎn)做了一些特殊設(shè)計(jì)。

為了解決外側(cè)位置結(jié)構(gòu)薄弱與振動(dòng)問(wèn)題，對(duì)設(shè)備的就位精度及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有著更高的要求，本項(xiàng)目透平移位后放置于外擴(kuò)甲板處，距離平臺(tái)樁腿較遠(yuǎn)，采用透平發(fā)電機(jī)底座支撐加支撐的方式。并根據(jù)結(jié)構(gòu)形式和透平振動(dòng)進(jìn)行核算，通過(guò)振動(dòng)分析對(duì)結(jié)構(gòu)和透平進(jìn)行校核。通過(guò)對(duì)透平支點(diǎn)下方增加立柱的方式，保證透平運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)與受力能夠更好地向下傳導(dǎo)。圖1中新增甲板結(jié)構(gòu)用紅色桿件表示，綠色桿件為透平支點(diǎn)下方的立柱。除此之外，還對(duì)透平的底座進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，采用FPSO專用三角底座，此底座較常規(guī)底座能夠有效地阻止外界振動(dòng)干擾傳到機(jī)組，也可以對(duì)設(shè)備支撐點(diǎn)產(chǎn)生的不均衡進(jìn)行抵消。

1.2 振動(dòng)分析

海洋石油平臺(tái)是海洋油氣資源開發(fā)的基礎(chǔ)設(shè)施，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、造價(jià)昂貴，且所處環(huán)境惡劣。平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)主要包括兩個(gè)方面：①由于環(huán)境載荷作用，平臺(tái)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng);②平臺(tái)上的各種設(shè)備（如透平發(fā)電機(jī)、壓縮機(jī)、外輸泵、吊機(jī)等）運(yùn)行過(guò)程中引發(fā)平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)。設(shè)備振動(dòng)導(dǎo)致平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)不可小覷，不僅會(huì)對(duì)平臺(tái)工作人員舒適度造成影響，甚至有可能造成平臺(tái)結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞，危及作業(yè)人員安全，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

（1）曹妃甸11-6IWP平臺(tái)有限元模型：搜集整理平臺(tái)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，研究設(shè)備振動(dòng)分析方法，采用有限元分析軟件ANSYS，建立曹妃甸11-6IWP平臺(tái)上部組塊有限元模型，包括三層甲板以及各種梁、柱、設(shè)備單元。

（2）平臺(tái)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析：首先對(duì)平臺(tái)上部組塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體模態(tài)分析，識(shí)別平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體振動(dòng)特性;然后研究透平發(fā)電機(jī)位置的局部振動(dòng)特性，分析平臺(tái)局部模型振動(dòng)頻率和模態(tài)振型，并對(duì)平臺(tái)組塊結(jié)構(gòu)的頻率儲(chǔ)備進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（3）平臺(tái)結(jié)構(gòu)局部振動(dòng)分析：針對(duì)透平發(fā)電機(jī)工作特性，建立其運(yùn)行振動(dòng)分析模型，研究透平運(yùn)轉(zhuǎn)下平臺(tái)結(jié)構(gòu)不同位置的響應(yīng)特性，評(píng)價(jià)平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)水平。

（4）平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)等級(jí)校核：依據(jù)ISO 6954—2000（E）與ISO2372評(píng)估平臺(tái)結(jié)構(gòu)在透平發(fā)電機(jī)作用下的振動(dòng)等級(jí)，校核平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全性。

ANSYS有限元軟件對(duì)曹妃甸IWP平臺(tái)上部新增透平發(fā)電機(jī)進(jìn)行了模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析和瞬態(tài)響應(yīng)分析。得出如下結(jié)論：

（1）建立了平臺(tái)的上部組塊有限元模型，對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析，得到上部組塊的整體結(jié)構(gòu)與局部結(jié)構(gòu)的固有頻率和固有振型。從模態(tài)振型圖可知，上部組塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，整體剛度及質(zhì)量分布較為均衡，無(wú)明顯的薄弱部位。

（2）對(duì)平臺(tái)局部結(jié)構(gòu)區(qū)域的一階固有頻率儲(chǔ)備系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明符合中國(guó)船級(jí)社《船上振動(dòng)控制指南》2000版的規(guī)定，透平發(fā)電機(jī)的激勵(lì)相對(duì)于平臺(tái)固有頻率屬于高頻激勵(lì)，改造后的IWP平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體與局部結(jié)構(gòu)一階自振頻率均較低，有效避開了透平振源的共振區(qū)，且具有較大的頻率儲(chǔ)備。

（3）對(duì)平臺(tái)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了諧響應(yīng)分析，得到了透平發(fā)電機(jī)周圍各測(cè)點(diǎn)Z方向位移幅頻響應(yīng)曲線以及發(fā)電機(jī)工作頻率（25 Hz）下局部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力結(jié)果，評(píng)估結(jié)果詳細(xì)描述如下：①當(dāng)外激勵(lì)為0.38 Hz時(shí)局部結(jié)構(gòu)發(fā)生共振，響應(yīng)出現(xiàn)最大峰值;在發(fā)電機(jī)工作頻率25 Hz的激勵(lì)下，結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離共振頻率，位移響應(yīng)很小。②在發(fā)電機(jī)工作頻率（25 Hz）下，局部結(jié)構(gòu)板材最大Von-mises應(yīng)力為4.77 MPa，梁最大Von-mises應(yīng)力為6.02 MPa，立柱最大Von-mises應(yīng)力為7.90 MPa，均遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力，結(jié)構(gòu)安全。

（4）對(duì)平臺(tái)上部組塊進(jìn)行了瞬態(tài)響應(yīng)分析，得到了透平位置甲板區(qū)域各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)曲線，基于ISO6954-2000E與ISO2372對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果表明，在透平發(fā)電機(jī)工作時(shí)，設(shè)備基座附近的最大速度響應(yīng)值為1.5 mm/s（小于工作區(qū)域最小值4 mm/s），最大加速度響應(yīng)值為202 mm/s2（小于286 mm/s2），振動(dòng)速度和加速度均滿足振動(dòng)規(guī)范要求，且振動(dòng)級(jí)別為A級(jí)，良好。

綜上所述，改造后的IWP平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性與振動(dòng)響應(yīng)均能夠滿足新增透平發(fā)電機(jī)的振動(dòng)要求，平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，強(qiáng)度與剛度均滿足要求。

1.3 電壓等級(jí)研究

本次搬遷的透平電壓等級(jí)為6.3 kV，但搬遷后平臺(tái)的中壓系統(tǒng)為10.5 kV，存在電壓差。由于存在電壓差，故討論兩套方案進(jìn)行方案對(duì)比：

（1）發(fā)電機(jī)部分進(jìn)行改造。經(jīng)過(guò)與廠家的溝通，確認(rèn)對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行改造將會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)容量造成20%的折損，且改造費(fèi)用高。

（2）利用變壓器改變電壓等級(jí)。通過(guò)在發(fā)電機(jī)下方增加變壓器方式改變電壓，考慮變壓器涌流沖擊，故取消發(fā)電機(jī)與變壓器間的斷路器，做成發(fā)變組方式進(jìn)行供電（圖2）。

通過(guò)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比及技術(shù)方案研究，最終確認(rèn)本項(xiàng)目采用發(fā)變組形式。電網(wǎng)接入點(diǎn)選擇及組網(wǎng)后與電網(wǎng)中其他機(jī)組的控制策略。本項(xiàng)目只在原電網(wǎng)中增加一臺(tái)機(jī)組用于電網(wǎng)容量的擴(kuò)充，新增透平發(fā)電機(jī)接入后采用額定功率輸出的方式，原電網(wǎng)供電系統(tǒng)的供電形式不變。在項(xiàng)目新增電站平臺(tái)增加一套優(yōu)先脫扣系統(tǒng)，當(dāng)電網(wǎng)解列或出現(xiàn)機(jī)組故障時(shí)，保證電網(wǎng)能夠平穩(wěn)運(yùn)行。

1.4 透平產(chǎn)生的煙氣的影響研究

由于CFD11-6WHPD平臺(tái)需要新增一臺(tái)T60燃?xì)馔钙剑撏钙脚艧煖囟容^高（約500 ℃）、煙氣排量較大且排煙管布置距離生活樓以及直升機(jī)甲板非常近。透平機(jī)組所排放的高溫?zé)煔饪赡軙?huì)對(duì)直升機(jī)起降、吊機(jī)操作間和生活樓產(chǎn)生影響。為評(píng)估發(fā)電機(jī)組高溫?zé)煔鈹U(kuò)散的危害及影響，開展了透平機(jī)組排煙擴(kuò)散的仿真模擬，從而定量評(píng)估排煙布置的合理性及安全性，分析過(guò)程如圖3所示。

平臺(tái)透平機(jī)組功率為6 MW的中型機(jī)組，排煙溫度以及排煙量較大，而且排煙管距離生活樓及直升機(jī)甲板距離較近。根據(jù)總圖布置和機(jī)組廠家資料，透平機(jī)組撬距離吊機(jī)操作區(qū)4 m左右。排煙管設(shè)計(jì)為豎直向上排放，排煙口距離上層甲板約6.5 m，距直升機(jī)甲板約20 m。高溫?zé)煔饪赡軙?huì)導(dǎo)致直升機(jī)起降區(qū)域環(huán)境溫度的升高，考慮到直升機(jī)起降對(duì)直升機(jī)甲板上方一定范圍的溫升有一定的要求，因此需要分析機(jī)組排煙導(dǎo)致環(huán)境溫升對(duì)直升機(jī)起降的影響，同時(shí)考察其對(duì)吊機(jī)操作區(qū)的影響。

海洋平臺(tái)高溫排煙的危害分析：電站機(jī)組所排放的高溫?zé)煔庠谕饨绛h(huán)境條件下擴(kuò)散至平臺(tái)范圍內(nèi)，對(duì)平臺(tái)上人員、設(shè)備、生活樓以及直升機(jī)起降造成危害。因此分析高溫?zé)煔獾挠绊懶枰Y(jié)合平臺(tái)總體布置、電站等設(shè)備選型及運(yùn)行工況，考慮風(fēng)頻聯(lián)合分布以及機(jī)組組合運(yùn)行工況等在CFD環(huán)境下分析高溫?zé)煔獾臄U(kuò)散規(guī)律。通過(guò)分析煙氣擴(kuò)散濃度及溫度分布情況來(lái)定量評(píng)估排煙布置的合理性。

煙氣擴(kuò)散分析結(jié)論：①煙氣擴(kuò)散模擬表明，風(fēng)向SE、SSE、S為將熱排煙吹向直升機(jī)甲板的主要風(fēng)向。目前工程方案中，直升機(jī)甲板由于溫升導(dǎo)致的年不可用率約為6.64%。②根據(jù)模擬結(jié)果，平臺(tái)的各風(fēng)向、風(fēng)速條件下，直升機(jī)甲板上方由于高溫?zé)煔馑鶎?dǎo)致的溫升均不會(huì)超過(guò)30 ℃。③根據(jù)模擬結(jié)果，對(duì)于平臺(tái)在SE、SSE和S的部分風(fēng)速條件下，直升機(jī)甲板上方30 m以內(nèi)溫升超過(guò)2 ℃低于30 ℃的風(fēng)向和風(fēng)速條件，需要告知直升機(jī)運(yùn)行方，以便采取合理的飛行操作。④由于煙管高于上甲板6.5 m（出口標(biāo)高為EL+35.5 m），吊機(jī)駕駛室的高度相對(duì)較高，在SW的部分風(fēng)速條件下，煙羽可能提高平臺(tái)南側(cè)吊機(jī)（駕駛室標(biāo)高約為EL+40.0 m）操作區(qū)的操作溫度，年累積影響概率為3.63%，建議操作時(shí)注意相關(guān)影響或采取一定措施。⑤根據(jù)目前的模擬結(jié)果，透平排煙不會(huì)對(duì)透平進(jìn)氣產(chǎn)生影響。

2 結(jié)束語(yǔ)

透平發(fā)電機(jī)作為海洋石油平臺(tái)主要的發(fā)電設(shè)備，隨著油田產(chǎn)氣量的變動(dòng)與調(diào)整將會(huì)有更多的透平需要搬遷再利用，本項(xiàng)目已投產(chǎn)竣工，目前機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了補(bǔ)充電網(wǎng)容量的預(yù)期效果。未來(lái)應(yīng)依據(jù)海上油田的特點(diǎn)，優(yōu)化資源配置提升設(shè)備利用價(jià)值，促進(jìn)資源利用最大化。

參考文獻(xiàn)

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