一種燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組積水排放改造方案設(shè)計(jì)及實(shí)施效果

任林鵬

中海石油（中國(guó)）有限公司曹妃甸作業(yè)公司 天津 300452

燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組（以下簡(jiǎn)稱“機(jī)組”）作為海上平臺(tái)的主要電力來(lái)源，為海上石油開發(fā)、生產(chǎn)提供動(dòng)力，與陸上相比，具有調(diào)壓動(dòng)作時(shí)間短、速度快、勵(lì)磁能力和過(guò)載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，且可充分利用海上石油平臺(tái)采集到的伴生天然氣，將其作為燃?xì)廨啓C(jī)的燃料供給，節(jié)省燃?xì)膺\(yùn)輸費(fèi)用。由于機(jī)組具有功率大、體積小、效率高、運(yùn)行靈活、啟動(dòng)快捷、排放氣體污染小等特點(diǎn)，在海上石油平臺(tái)中得到了廣泛應(yīng)用［1-2］。

某海上石油平臺(tái)配備3 臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組，單臺(tái)機(jī)組功率可達(dá)25 MW，排煙溫度較高（約480 ℃），排煙量大。由于排煙管頂部安裝有防雨帽，致使機(jī)組運(yùn)行時(shí)排放的高溫?zé)煔庀蛳聡姵觯瑫r(shí)向四周擴(kuò)散。受海上平臺(tái)空間的限制，在某些風(fēng)向下，高溫?zé)煔庵苯哟迪蚺R近的吊車、修井機(jī)，致使相關(guān)設(shè)備液壓、電控系統(tǒng)受熱高溫報(bào)警，更有甚者導(dǎo)致其失靈，嚴(yán)重危害附近吊車、修井機(jī)施工作業(yè)安全［3-4］。因此，拆除排煙管防雨帽可在最大程度上減輕機(jī)組對(duì)周邊設(shè)施、設(shè)備的熱輻射影響，以及消除安全隱患。防雨帽摘除后，雨水可沿排氣筒進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)下的備用機(jī)組內(nèi)，并在排氣蝸殼底部積聚，機(jī)組原有設(shè)備管線不具備排水功能，積水到一定程度可能會(huì)侵襲機(jī)組內(nèi)部。通過(guò)進(jìn)行積水自動(dòng)排放改造，避免內(nèi)部結(jié)構(gòu)受雨水侵蝕，延長(zhǎng)機(jī)組使用壽命。

1 平臺(tái)概況及氣象、風(fēng)頻數(shù)據(jù)

1.1 平臺(tái)概況

該平臺(tái)的3 臺(tái)機(jī)組集中布置在平臺(tái)頂層甲板，緊靠平臺(tái)東西兩側(cè)的吊車及南側(cè)的修井機(jī)，機(jī)組運(yùn)行時(shí)，排放的高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)頂部排氣筒排放至周圍大氣。該平臺(tái)燃?xì)馔钙健⒌踯嚒⑿蘧畽C(jī)位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 該海上平臺(tái)的布置Fig.1 Layout of offshore platform

1.2 氣象數(shù)據(jù)

經(jīng)查詢歷史氣象，該平臺(tái)所處區(qū)域以晴天為主，雨天較少見(jiàn)，暴雨、特大暴雨天氣較為罕見(jiàn)，如圖2、3所示。暴雨按其降水強(qiáng)度大小分為3 個(gè)等級(jí)，即24 h降水量50～99.9 mm 稱“暴雨”；100～250 mm 以下為“大暴雨”；250 mm以上稱“特大暴雨”。

圖2 該區(qū)域晴雨天氣統(tǒng)計(jì)Fig.2 Statistics of sunny and rainy weather in this region

圖3 該區(qū)域歷史天氣統(tǒng)計(jì)Fig.3 Historical weather statistics for this region

1.3 風(fēng)頻數(shù)據(jù)

平臺(tái)所在地的風(fēng)頻、風(fēng)速數(shù)據(jù)如表1、圖4 所示。圖4 中，風(fēng)向North代表風(fēng)從地理正北方向吹來(lái)。基于平臺(tái)平面布局圖，平臺(tái)北向?yàn)榈乩碚毕蚰鏁r(shí)針旋轉(zhuǎn)90°。

表1 風(fēng)頻—風(fēng)向累年概率分布（%）Tab.1 Annual probability distribution of wind speed and direction

圖4 風(fēng)速—風(fēng)向累年概率分布（%）Fig.4 Annual probability distribution of wind speed and direction

2 改造方案

為解決高溫?zé)煔鈹U(kuò)散影響，拆除排氣筒防雨帽，排氣口直接暴露在大氣中，雨水可由此進(jìn)入機(jī)組。機(jī)組運(yùn)行時(shí)，排氣壓力為正壓，排煙溫度高，能抵抗雨水侵襲。機(jī)組停機(jī)時(shí)，雨水沿排氣筒流至機(jī)組橇內(nèi)排氣蝸殼。若不及時(shí)排出，雨水會(huì)持續(xù)堆積倒流至機(jī)組內(nèi)部。防雨帽拆除后，備用機(jī)組遇雨水天氣存在以下風(fēng)險(xiǎn)：雨水排放不及時(shí)，在機(jī)組內(nèi)部堆積到一定程度會(huì)侵蝕機(jī)組內(nèi)部核心機(jī)；海上鹽霧大，雨水鹽分多，雨水進(jìn)入機(jī)組內(nèi)部后，腐蝕機(jī)組核心機(jī)內(nèi)部涂層；機(jī)組缺少自動(dòng)排污水的能力；惡劣天氣下，作業(yè)人員手動(dòng)排放積水風(fēng)險(xiǎn)高。

為避免防雨帽拆除后，機(jī)組停機(jī)時(shí)遇雨水天氣造成機(jī)組內(nèi)部腐蝕，改造增加停機(jī)自動(dòng)排水功能，減輕操作人員在惡劣天氣手動(dòng)排水的作業(yè)強(qiáng)度，減少工作量，同時(shí)增加機(jī)組運(yùn)行的可靠性。

3 改造設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)方案

因機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)正壓排煙，故機(jī)組僅在停機(jī)時(shí)存在雨水進(jìn)入機(jī)組的風(fēng)險(xiǎn)，本著簡(jiǎn)單、可靠、可行的原則，水洗排水取樣口處的手動(dòng)球閥改成自動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟閉功能。當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速為零時(shí)，閥門自動(dòng)開啟，轉(zhuǎn)速大于零時(shí)，閥門自動(dòng)關(guān)閉。

3.2 儀表及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

儀表施工涉及中控系統(tǒng)接線箱XV閥電纜敷設(shè)和DC（設(shè)備控制）回路組態(tài)調(diào)試。利用燃?xì)廨啓C(jī)NGP轉(zhuǎn)速比較，完成XV閥啟閉，以實(shí)現(xiàn)在機(jī)組停機(jī)后排水閥的自動(dòng)開啟，如圖5 所示［5］。

圖5 控制系統(tǒng)接線示意圖Fig.5 Diagram of control system wiring

電纜使用工程余料電纜，協(xié)調(diào)施工隊(duì)伍根據(jù)實(shí)際走向敷設(shè)電纜；氣動(dòng)閥采用空壓機(jī)干燥塔KV閥執(zhí)行器備件，執(zhí)行器與球閥之間自制連接鍵；儀表氣源就近使用各機(jī)組撬外氣動(dòng)閥門氣源分支，自行完成對(duì)中控的組態(tài)調(diào)試，如圖6 所示。

圖6 排水系統(tǒng)示意圖Fig.6 Diagram of drainage system

3.3 機(jī)組排氣蝸殼儲(chǔ)水量計(jì)算

為了解機(jī)組排氣蝸殼儲(chǔ)水量，摸底機(jī)組安全儲(chǔ)水能力，確定以機(jī)組和排氣蝸殼連接處底邊為設(shè)計(jì)計(jì)算邊界，如圖7 所示。

圖7 燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Diagram of gas turbine structure

因廠家提供資料中未包含機(jī)組排氣蝸殼結(jié)構(gòu)參數(shù)，故現(xiàn)場(chǎng)對(duì)相應(yīng)尺寸進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)對(duì)尺寸參數(shù)進(jìn)行1:100 縮放，并建立簡(jiǎn)化模型，如圖8、9 所示。

圖8 排氣蝸殼簡(jiǎn)化模型Fig.8 Simplified model of exhaust volute

圖9 排氣蝸殼簡(jiǎn)化模型尺寸示意圖Fig.9 Simplified model size diagram of exhaust volute

蝸殼模型扇形總面積：

模型扇形上部三角形面積：

底部存水部分面積：

底部存水區(qū)域體積：

D是排氣蝸殼的立體厚度，1.6 m。考慮排氣蝸殼為不規(guī)則形狀，取體積修正系數(shù)α=0.7，則實(shí)際底部?jī)?chǔ)水容積為：

其中：半徑測(cè)量長(zhǎng)度r=2 000 mm；扇形底部高度h=600 mm。

3.4 機(jī)組進(jìn)水量計(jì)算

為確保機(jī)組具備應(yīng)對(duì)極端天氣的能力，機(jī)組日進(jìn)水量以特大暴雨天氣降雨量為準(zhǔn)。排煙口直徑為2 400 mm，以降水量250 mm進(jìn)行計(jì)算。

機(jī)組24 h進(jìn)水量為：

蝸殼儲(chǔ)水量-進(jìn)水量=

由此得出，排氣蝸殼儲(chǔ)水容積大于特大暴雨天氣下雨水沿排氣口進(jìn)入機(jī)組橇內(nèi)排氣蝸殼的進(jìn)水量，雨水不會(huì)對(duì)機(jī)組內(nèi)部造成進(jìn)一步危害。

3.5 排水管線測(cè)算

為避免持續(xù)降雨對(duì)機(jī)組的影響，設(shè)計(jì)增加機(jī)組自動(dòng)排水功能，以減輕操作人員在惡劣天氣的作業(yè)強(qiáng)度。為確保機(jī)組自動(dòng)排水功能，同時(shí)最大程度減少機(jī)組管線改造工作量，在機(jī)組現(xiàn)有排水管線的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，現(xiàn)對(duì)機(jī)組取樣口處管線排水能力進(jìn)行核算，其中排水管線為3/4 管線，并對(duì)管線排水能力進(jìn)行核算，如圖10 所示。

圖10 排放管線自動(dòng)控制閥Fig.10 Automatic control valve of discharge line

其中：R為排水管線直徑，m；S為排水管線橫截面積，m2；v為排水管水流速度，0.1 m/s；Q為排水管線流量，m3/s；T為時(shí)間，24 h；V為管線日最大排水量，m3。

經(jīng)計(jì)算，管線日最大排水量遠(yuǎn)大于機(jī)組最大進(jìn)雨量和機(jī)組安全儲(chǔ)水容量，故此處管線滿足機(jī)組排水要求。

4 改造效果

改造成自動(dòng)閥后，經(jīng)控制信號(hào)與機(jī)組轉(zhuǎn)速關(guān)聯(lián)，機(jī)組停機(jī)后，閥門開啟，實(shí)現(xiàn)蝸殼排放管線暢通，將積水及時(shí)導(dǎo)出至蝸殼外，可避免積水大量堆積后倒流至機(jī)組內(nèi)部腐蝕冷卻孔道、PT葉片，從而延長(zhǎng)機(jī)組使用壽命，改造效果如圖11 所示。

圖11 改造效果圖Fig.11 Reconstruction effect diagram