海上平臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)的啟動(dòng)過(guò)程及點(diǎn)火故障分析

鄧紅濤

中國(guó)海洋石油國(guó)際有限公司 北京 100027

燃?xì)廨啓C(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)成本低、碳排放低以及燃料多樣性的優(yōu)點(diǎn)，因而被用作海上平臺(tái)的主力發(fā)電機(jī)組[1]。壓氣機(jī)、燃燒室、透平是燃?xì)廨啓C(jī)做功過(guò)程中的重要組成部件。壓氣機(jī)吸入一定的空氣并壓縮到一定的壓力,在燃燒室中，壓縮后的空氣與燃?xì)饣旌宵c(diǎn)火后變?yōu)楦邷厝細(xì)猓哂辛俗龉δ芰Γ細(xì)庠谕钙街兴龅墓Υ笥趬簹鈾C(jī)所耗的功，使燃?xì)廨啓C(jī)能輸出功率來(lái)帶動(dòng)負(fù)載。透平的功能是將高溫高壓燃?xì)庵械哪芰哭D(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，其中約2/ 3 的能量用以帶動(dòng)自身壓氣機(jī)壓縮空氣，其余的能量則作為燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率帶動(dòng)負(fù)載。

以海上平臺(tái)較常見(jiàn)的小型燃?xì)廨啓C(jī)為例，介紹燃?xì)廨啓C(jī)的啟動(dòng)過(guò)程及點(diǎn)火故障分析。SOLAR C40 機(jī)組是卡特皮勒旗下的SOLAR 公司生產(chǎn)的適用于海上平臺(tái)孤立電網(wǎng)的雙燃料燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組，機(jī)組可以使用天然氣和柴油2 種燃料。在一般情況下，因?yàn)橛吞锷a(chǎn)會(huì)產(chǎn)生大量伴生氣，可以作為燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組的燃料，機(jī)組以燒天然氣為主，只有當(dāng)氣體燃料系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者需要檢修，或者氣體燃料的壓力不足時(shí)，才使用柴油做燃料。再則就是油田投產(chǎn)之初或者油田停產(chǎn)大修，工藝流程無(wú)法提供天然氣作為燃料時(shí)，機(jī)組運(yùn)行必須使用柴油。天然氣與柴油的轉(zhuǎn)換采用了自動(dòng)和手動(dòng)兼有的操作方式，即由天然氣工況轉(zhuǎn)換為柴油工況，既可以由控制系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換（當(dāng)燃?xì)鈮毫Φ陀谠O(shè)定值），也可以通過(guò)柴油燃料選擇開(kāi)關(guān)手動(dòng)操作來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。然而由柴油返回到天然氣時(shí)，只能通過(guò)氣體燃料選擇開(kāi)關(guān)手動(dòng)操作來(lái)完成，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)換，因?yàn)榇藭r(shí)需要操作人員確認(rèn)氣體燃料系統(tǒng)已完全恢復(fù)正常，燃?xì)廨啓C(jī)在進(jìn)行燃料切換時(shí)會(huì)出現(xiàn)短暫的燃油和燃?xì)馔瑫r(shí)使用的情況，此時(shí)需注意燃?xì)廨啓C(jī)的失速現(xiàn)象。

1 燃?xì)廨啓C(jī)的啟動(dòng)過(guò)程

從燃?xì)廨啓C(jī)的工作原理可以知道，燃?xì)廨啓C(jī)不具備自啟動(dòng)能力，必須用啟動(dòng)機(jī)來(lái)帶動(dòng)它旋轉(zhuǎn)加速，在氣體通道中建立氣流，進(jìn)行系統(tǒng)吹掃，吹掃完成后進(jìn)行點(diǎn)火，點(diǎn)火成功后由啟動(dòng)馬達(dá)和透平共同驅(qū)動(dòng)，燃燒穩(wěn)定之后，在控制系統(tǒng)的控制下增大燃料，透平的輸出功率迅速增大，當(dāng)透平本身的做功能力增至大于壓氣機(jī)和摩擦耗功后，燃?xì)廨啓C(jī)具備了獨(dú)立運(yùn)行的條件，啟動(dòng)機(jī)脫扣，燃?xì)廨啓C(jī)靠自身加速至空載工況。

燃?xì)廨啓C(jī)的啟動(dòng)一般可以分為3 個(gè)階段。第一階段是冷加速，燃?xì)廨啓C(jī)依靠啟動(dòng)機(jī)帶動(dòng)從靜止?fàn)顟B(tài)加速到N1，通常N1=(15%～20%)N0(N0 為額定轉(zhuǎn)速)。對(duì)于使用氣體燃料的機(jī)組，中間包括一次閥門密閉性檢測(cè)和清吹過(guò)程以吹走機(jī)體內(nèi)可能存有的可燃?xì)怏w，避免點(diǎn)火或者運(yùn)行過(guò)程中可能產(chǎn)生的爆炸等危險(xiǎn)狀況。第二階段是熱加速，機(jī)組從N1 加速至N2(45%～60%)N0,過(guò)程中燃?xì)鉁囟蕊@著升高，透平輸出功率不斷增大，機(jī)組靠啟動(dòng)機(jī)和透平的力矩來(lái)共同克服阻力矩加速，加速至自持轉(zhuǎn)速后，就為啟動(dòng)機(jī)脫扣創(chuàng)造了條件，通常N2> 自持轉(zhuǎn)速一定數(shù)值，以確保可靠的啟動(dòng)。一般來(lái)說(shuō)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速越高，機(jī)組達(dá)到自持狀態(tài)的透平入口溫度越低。環(huán)境溫度越高，達(dá)到自持狀態(tài)的透平入口溫度越高[7]。第三階段是繼續(xù)熱加速，從N2 到額定轉(zhuǎn)速，這段時(shí)間內(nèi)全靠透平的力矩克服阻力矩來(lái)加速。在此階段特定時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組的燃?xì)廨啓C(jī)會(huì)開(kāi)始投入勵(lì)磁，讓發(fā)電機(jī)開(kāi)始建立磁場(chǎng)，最終建立電壓，保持額定的電壓和頻率。

SOLAR 機(jī)組的啟動(dòng)過(guò)程同樣如此。在使用燃?xì)鈺r(shí)，SOALR 機(jī)組經(jīng)過(guò)閥門檢測(cè)、清掃循環(huán)、點(diǎn)火程序、加速階段后實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)，而使用燃油時(shí)，則通過(guò)清掃循環(huán)、點(diǎn)火程序、加速階段后到啟動(dòng)成功狀態(tài)，點(diǎn)火程序在啟動(dòng)工程中是必不可少的一個(gè)過(guò)程，也是燃?xì)廨啓C(jī)從冷態(tài)到熱態(tài)的一個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程。由于海上油氣田孤立電網(wǎng)的特殊性，燃?xì)廨啓C(jī)必須保障使用燃油和燃?xì)舛寄軌蝽樌c(diǎn)火，而點(diǎn)火故障也是燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)過(guò)程中較常見(jiàn)的一種和頻繁出現(xiàn)的一種。

2 索拉機(jī)組的點(diǎn)火故障分析

以SOLAR C40 機(jī)組為例，使用燃?xì)夂腿加偷狞c(diǎn)火控制流程是使用燃?xì)鈺r(shí)燃料氣系統(tǒng)的主要部件包括燃?xì)膺^(guò)濾器、2 個(gè)由儀表風(fēng)驅(qū)動(dòng)電磁閥控制的失敗安全型關(guān)斷閥（V2P933 和V2P934）、1 個(gè)燃?xì)饪刂崎y（EGF344）、燃?xì)夥峙洵h(huán)管等組成，另從兩級(jí)關(guān)斷閥之間引出一股燃?xì)饨?jīng)過(guò)兩級(jí)減壓后用作點(diǎn)火燃?xì)狻．?dāng)燃?xì)廨啓C(jī)達(dá)到設(shè)定的盤車轉(zhuǎn)速，控制系統(tǒng)控制進(jìn)行清掃循環(huán)，完成清掃循環(huán)完成后，燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)控制燃?xì)庀到y(tǒng)進(jìn)入點(diǎn)火狀態(tài)，燃?xì)恻c(diǎn)火閥（L340－l）將打開(kāi)，點(diǎn)火變壓器（G340）充電，燃?xì)庖患?jí)關(guān)斷閥（V2P933）和燃?xì)饪刂崎y（EGF344）打開(kāi)，燃料氣經(jīng)過(guò)兩級(jí)減壓后進(jìn)入點(diǎn)火頭，此時(shí)二級(jí)關(guān)斷閥尚未打開(kāi)，只有點(diǎn)火頭內(nèi)有燃?xì)膺M(jìn)入。火花塞（G340）點(diǎn)火，時(shí)間為10S），點(diǎn)火成功后，點(diǎn)火頭火焰引燃環(huán)形燃燒室內(nèi)的混合氣體。燃?xì)饬髁坑扇細(xì)饪刂崎y（EGF344）調(diào)節(jié)。

使用燃油時(shí)燃油系統(tǒng)由三級(jí)過(guò)濾器系統(tǒng)，二級(jí)增壓系統(tǒng)和燃油關(guān)斷閥，燃油流量閥，點(diǎn)火管線等組成。清掃循環(huán)結(jié)束后，控制系統(tǒng)稍開(kāi)燃油控制閥（ELF344）、燃油壓力調(diào)節(jié)閥（PCV938），部分燃油進(jìn)入到燃油點(diǎn)火回路，火花塞（G340）充電，燃油啟動(dòng)開(kāi)始。霧化的燃油被點(diǎn)火頭引燃。同時(shí)，主油路的噴嘴里充滿燃油。壓縮空氣也進(jìn)入噴嘴來(lái)充分霧化燃油，然后被點(diǎn)火回路已經(jīng)點(diǎn)著的火引燃。如果透平第三級(jí)噴嘴出口的溫度檢測(cè)T5>400oF，則機(jī)組控制程序認(rèn)為機(jī)組已經(jīng)點(diǎn)火成功，進(jìn)入到加速過(guò)程，燃油點(diǎn)火時(shí)間設(shè)置一般比燃?xì)恻c(diǎn)火設(shè)置時(shí)間稍長(zhǎng)，為15s。

3 點(diǎn)火系統(tǒng)故障

無(wú)論使用燃油還是燃?xì)猓c(diǎn)火程序都是必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。點(diǎn)火系統(tǒng)故障是點(diǎn)火故障中較常見(jiàn)的故障之一。SOALR 機(jī)組的點(diǎn)火火花塞電源從控制系統(tǒng)的保險(xiǎn)F2061A 接出，接出后經(jīng)過(guò)繼電器K2060- 0 的常開(kāi)點(diǎn)到點(diǎn)火火花塞，到達(dá)點(diǎn)火時(shí)序后，程序?qū)òl(fā)出點(diǎn)火指令，促使繼電器K2060- 0 吸合動(dòng)作，繼電器K2060- 0 線圈得電，線圈得電后，常開(kāi)觸點(diǎn)導(dǎo)通，到點(diǎn)火火花塞的24V 電源導(dǎo)通，火花塞動(dòng)作點(diǎn)火。點(diǎn)火火花塞電路系統(tǒng)常見(jiàn)的故障是火花塞（G340）的損壞，可以通過(guò)在程序內(nèi)強(qiáng)制點(diǎn)火，測(cè)試點(diǎn)火線路是否工作正常和點(diǎn)火火花塞是否完好，強(qiáng)制點(diǎn)火時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)拆除火花塞進(jìn)行測(cè)試，需要做好防護(hù)措施，旁通透平區(qū)域平臺(tái)火氣系統(tǒng)，機(jī)組火氣系統(tǒng)火焰探頭用黑色膠袋包裹，防止機(jī)組火氣系統(tǒng)誤動(dòng)作。

點(diǎn)火系統(tǒng)另外一種故障較為少見(jiàn)，點(diǎn)火混合裝置的堵塞，燃油或者燃?xì)馀c點(diǎn)火助燃空氣在進(jìn)入點(diǎn)火時(shí)序后都會(huì)進(jìn)入環(huán)形燃燒室內(nèi)的點(diǎn)火混合裝置內(nèi)，形成可燃性混合氣體，在火花塞產(chǎn)生的火花作用下燃燒，點(diǎn)火混合裝置的堵塞會(huì)導(dǎo)致可燃?xì)怏w無(wú)法進(jìn)入點(diǎn)火腔室內(nèi)或進(jìn)入的量不夠而無(wú)法點(diǎn)火成功。點(diǎn)火混合裝置內(nèi)的燃?xì)夂椭伎諝馔ǖ蓝荚O(shè)計(jì)的極為精細(xì)，需要定期使用儀表風(fēng)強(qiáng)力吹掃確保通暢，或定期進(jìn)行超聲波清洗。

4 助燃空氣系統(tǒng)故障

點(diǎn)火助燃空從儀表風(fēng)系統(tǒng)接入的儀表風(fēng)經(jīng)過(guò)電磁閥L350- 1，壓力控制閥PCV933，單向閥VCH932，電磁閥L348- 2 后進(jìn)入點(diǎn)火裝置，壓力控制閥PCV933 壓力設(shè)點(diǎn)為如4.5- 17PSIG(31- 48.3KPA)ABOVE PCD。另有一路主助燃空氣經(jīng)過(guò)壓力控制閥PCV952 后供給各燃燒噴嘴助燃空氣。

助燃空氣系統(tǒng)常見(jiàn)2 種故障，一是由于壓力控制節(jié)流導(dǎo)致的儀表風(fēng)中的水蒸氣凝結(jié)成液態(tài)水集聚在助燃空氣管線內(nèi)，導(dǎo)致點(diǎn)火混合物濕度大從而導(dǎo)致點(diǎn)火效果不佳[8]，需要定期拆開(kāi)點(diǎn)火助燃空氣管線進(jìn)行清理。另外一種是由于壓力控制閥設(shè)點(diǎn)漂移造成的助燃空氣供氣不足，此種情況主要發(fā)生于PCV952 或者PCV933，處理方法為對(duì)2 個(gè)閥門進(jìn)行校驗(yàn)或者更換新的壓力控制閥。助燃空氣系統(tǒng)中的電磁閥故障不能打開(kāi)同樣會(huì)造成點(diǎn)火失敗，電磁閥的故障可以通過(guò)在PLC 程序中強(qiáng)制電磁閥動(dòng)作來(lái)驗(yàn)證電磁閥是否完好。助燃空氣系統(tǒng)中的壓力控制閥故障對(duì)柴油霧化效果的影響，是造成柴油點(diǎn)火故障的重要原因之一。

5 燃料系統(tǒng)故障

SOLAR 機(jī)組是雙燃料機(jī)組，主要使用油田伴生天然氣為燃料，柴油為備用燃料。使用天然氣或柴油點(diǎn)火不成功時(shí)需要分別檢查天然氣系統(tǒng)或柴油系統(tǒng)。

5.1 天然氣系統(tǒng)故障

點(diǎn)火燃?xì)鈴闹魅剂蠚夤芫€的二次關(guān)斷閥V2P932 和燃料氣控制閥EGF388 之間引出，經(jīng)過(guò)兩級(jí)減壓PCV930- 1 和PCV930- 2 以及關(guān)斷閥V2P940 及單向閥VCS933- 2 后進(jìn)入點(diǎn)火混合裝置。其中經(jīng)過(guò)二級(jí)減壓閥后的壓力根據(jù)PCV930- 2 的設(shè)點(diǎn)判斷約為35kPa 左右。燃?xì)庀到y(tǒng)造成的點(diǎn)火故障在機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)中較為少見(jiàn)，燃?xì)庀到y(tǒng)的關(guān)斷和壓力控制閥均具有較高的穩(wěn)定可靠性。如遇燃?xì)庀到y(tǒng)故障可外在點(diǎn)火器處外接壓力傳感器來(lái)判斷具體是哪個(gè)閥門產(chǎn)生的故障。一般燃?xì)恻c(diǎn)火故障可以從點(diǎn)火頭是否堵塞，點(diǎn)火燃?xì)鈨杉?jí)減壓后的壓力是否符合要求等方面著手，點(diǎn)火器堵塞會(huì)造成點(diǎn)火器內(nèi)燃?xì)膺M(jìn)入量過(guò)少，而兩級(jí)減壓閥失效會(huì)造成進(jìn)入點(diǎn)火器內(nèi)的燃料過(guò)多，2 種情況都不利于燃?xì)廨啓C(jī)的點(diǎn)火。

5.2 柴油系統(tǒng)故障

燃油點(diǎn)火流程與主燃油流程在關(guān)斷閥V2P949 之前相同，在關(guān)斷閥之后，點(diǎn)火燃油線路經(jīng)過(guò)電磁閥L348- 1，單向閥VCS933，經(jīng)過(guò)單向閥VCS933 之后，點(diǎn)火燃油一路經(jīng)過(guò)孔板FO936 到點(diǎn)火裝置，多余的燃油經(jīng)過(guò)孔板FO934 到廢油箱。

主燃油系統(tǒng)中增壓泵，高壓泵工作正常與否，雙聯(lián)過(guò)濾器，高壓過(guò)濾器是否堵塞都是影響柴油能否順利點(diǎn)火的重要因素，需定期檢查更換過(guò)濾器。在點(diǎn)火過(guò)程中要觀察燃油增壓泵和高壓泵出口壓力，增壓泵出口壓100～200kPa，高壓泵出口壓力為2000～3000kPa, 如壓力異常，需要檢查柴油增壓泵和高壓泵。

柴油系統(tǒng)中常見(jiàn)的引起點(diǎn)火失敗故障的兩個(gè)部件為孔板FO936 和孔板FO934，前一個(gè)的堵塞容易造成進(jìn)入點(diǎn)火混合裝置內(nèi)的柴油不足，無(wú)法點(diǎn)燃，而后一個(gè)的堵塞容易造成進(jìn)入點(diǎn)火裝置內(nèi)的柴油過(guò)量，同樣會(huì)造成無(wú)法點(diǎn)火，對(duì)這2 個(gè)孔板需要定期的清理清洗或更換。

控制系統(tǒng)中與柴油系統(tǒng)相關(guān)的2 個(gè)重要參數(shù)也會(huì)影響點(diǎn)火的成功率，一個(gè)是點(diǎn)火時(shí)的噴油量，一個(gè)點(diǎn)火成功后的遞減量。噴油量過(guò)小導(dǎo)致不易點(diǎn)火，遞減量過(guò)大有可能導(dǎo)致點(diǎn)火后熄火，合理調(diào)整這2 個(gè)參數(shù)也是機(jī)組使用柴油成功點(diǎn)火的關(guān)鍵因素。

6 結(jié)語(yǔ)

燃?xì)廨啓C(jī)的點(diǎn)火故障根據(jù)燃燒的基本原理進(jìn)行排查。可燃物，氧氣，點(diǎn)火源是燃燒的3 個(gè)要素，缺一不可。在燃?xì)廨啓C(jī)點(diǎn)火過(guò)程中，可燃物是柴油和天然氣，氧氣是儀表風(fēng)助燃系統(tǒng)，點(diǎn)火源是火花塞。根據(jù)各自的流程圖對(duì)故障可以追根溯源，逐步進(jìn)行排查。同時(shí)日常運(yùn)行中的經(jīng)驗(yàn)和一些方法也可以加速故障查找的過(guò)程，節(jié)約時(shí)間，燃油燃?xì)舛紵o(wú)法點(diǎn)火成功時(shí)，需要首先考慮點(diǎn)火系統(tǒng)的故障原因，僅是燃油點(diǎn)火故障時(shí)則可以先從燃油系統(tǒng)故障開(kāi)始排查。