天然气差压余能综合利用项目安装调试的主要问题分析

李庆有

上海申能临港燃机发电有限公司

引言

1 项目简介

1.1 生产工艺

差压发电项目的简要工艺流程为：（1）从LNG储气罐气化升压后的常温高压天然气首先进入杂用水换热器，利用电厂机组杂用水余热对其进行前置加热；（2）经加热后的高压天然气直接进入透平膨胀机做功，膨胀机通过齿轮箱带动发电机对外发电；（3）膨胀减压后的低温天然气进入海水换热器，利用机组闭冷器、凝汽器余热将低温天然气加热到常温，然后直接进入城市管网；（4）从海水换热器出来的经降温后的循环水，排入循环水回水井平衡回水井温度，实现生态排放，或是参与冷却机组凝汽器和闭冷器，以提高机组效率；（5）为保证下游城市管网用气安全，对膨胀机并联设置了2×100%容量调压调流旁路。

1.2 主要设备

差压发电项目主要设备包括：一套天然气膨胀发电机组、一台前置杂用水换热器、2台60%容量后置海水换热器、2组100%容量调压调流旁路和相关连接气水管路等。其中，膨胀发电机组主要由单级透平膨胀机、减速齿轮箱、发电机等设备组成，包括润滑油系统、干气密封系统等辅助系统；前置杂用水换热器和后置海水换热器均为管壳式换热器，天然气在前置加热器中从管道内侧走，在后置换热器中从壳侧走；每组调压调流旁路主要包括1个紧急切断阀、1个调压阀、1个调流阀及前后2个手动隔绝门等。该项目重要设备和质能流程图见图1。

图1 差压发电项目质能流程图

2 调试的主要问题

该项目作为国内最大的天然气差压发电项目，所采用的透平膨胀机、天然气前置和后置换热器、调压调流旁路等系统设备，在国内尚未有相当容量等级机组的安装、调试经验。项目建设过程中发生过诸如ESV阀动作时间长、干气密封流量不稳定、发电机轴承振动异常等问题，具体情况如下。

2.1 ESV阀动作时间长

ESV阀作为膨胀机天然气入口紧急关断装置，对膨胀机紧急情况下的安全保护发挥着关键作用。阀门为气动蝶阀，仪用气压力要求4.1～5.5bar，为防止异常情况下膨胀机超速，设置该阀动作时间＜0.5秒；为防止阀门动作后，阀后余气带动膨胀机超速，安装过程中要求阀后天然气管道总长不超过2倍管道直径。

ESV阀安装就位后，在首次调试过程中，阀门快关时间为0.97秒；调试人员将仪用气管容降至最低，并将气缸供气压力由5.0bar降至4.5bar后，快关时间降至0.706秒，仍不能满足要求。

2.2 干气密封流量不稳定

膨胀发电机组中的透平膨胀机与齿轮箱安装在一起，为防止天然气经高速轴外漏或渗入齿轮箱，在高速轴上设置一套干气密封装置。该装置分天然气密封和氮气密封两部分，两个系统主要设备和工艺流程相似。其中，天然气密封气源取自膨胀机进口高压管路（压力大于65bar），氮气密封气源来自单独设立的制氮机（压力为8bar）；干气密封结构和工艺流程见图2。在机组运行时，为防止天然气外漏或渗入齿轮箱，要求通过差压调节阀将系统中孔板前后差压恒定在20～50kPa之间。

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图2 干气密封结构和工艺流程图

在调试天然气密封过程中，调试人员按照设备供应商指导隔离相关阀门，在进气过程中将天然气密封差压调节阀气膜打穿。在对差压调节阀结构仔细检查后发现该系统在设计时缺少部分必要的隔离阀；同时，供应商指导调试流程与差压调节阀使用说明书中调试流程存在差异。经优化该系统后，在第二次调试过程中发现：当调整好差压调节阀后，孔板前后压差受膨胀机进出口压差影响较大，两者存在明显的线性关系（见图3），不能恒定在20～50kPa之间。

图3 天然气密封孔板差压与膨胀机进出口差压关系图

2.3 发电机轴承振动异常

发电机轴承振动在调试过程中的主要问题如下：（1）发电机安装就位后，在单机试转过程中，发电机本体前后轴承振动较大，驱动端水平方向座振最高为4.137mm/s，明显高于发电机出厂要求值（3.8mm/s）；（2）发电机单转调试合格后，膨胀发电机组系统调试时，发电机轴承振动信号在开启膨胀机辅机时容易发生突变，影响机组调试。

2.4 膨胀机高速轴推力瓦温度高

在膨胀发电机组负荷调试过程中，膨胀机高速轴推力瓦温度受机组运行工况的影响较为明显。发电机组低负荷时，推力瓦温度会逐渐升高至近115℃，接近机组跳机温度；升高负荷后，推力瓦温度会逐渐降低至正常温度（80～95℃）。

2.5 旁路调流振荡

膨胀机调压调流旁路在调试过程中碰到的问题如下：（1）膨胀机停机后，旁路设置成自动调流方式后，调流阀出现明显的振荡现象（见图4），天然气流量也伴随波动；（2）在天然气通流情况下，调流阀最大开度仅为40%，无法继续增大开度，不能满足一般工况下的调流作用。

图4 旁路调流阀调试过程中波动情况

2.6 IGV波动

膨胀机自动调节模式主要包括：IGV手动控制模式、流量控制模式、压力控制模式、负荷过载限制模式和天然气低温限制模式，模式之间可以通过控制切换。在模式切换调试过程中，因膨胀机入口IGV大幅波动，导致膨胀机负荷也随着大幅波动，影响机组安全。

3 问题分析与处理

3.1 ESV阀动作时间长

ESV阀控制流程见图5，该阀门气动执行机构主要包括：主气缸、气动排气球阀、自动排气阀、电磁阀1、电磁阀2、仪用气调压阀和滤网等。ESV阀打开过程中，电磁阀1打开，自动排气阀和气动排气球阀关闭；然后，电磁阀2打开，主气缸进气，阀门缓慢打开。紧急情况下，电磁阀1和2同时关闭，自动排气阀打开，先将气动排气球阀的小气缸泄压后，排气球阀打开，然后ESV阀主气缸放气，阀门关闭。ESV阀动作总时间t0包括：气动排气球阀小气缸放气时间t1和ESV阀主气缸泄压时间t2。

图5 膨胀机进口ESV阀控制系统图

调试过程中，专业人员发现t1和t2几乎相同，均约0.4s。因此，仅通过改变气动排气球阀口径或优化气缸排气阀型式，是不能满足ESV阀动作时间要求的。经多方专业人员分析讨论后，确定该阀执行机构选型错误，需要对ESV阀主气缸尺寸和气缸排气球阀型式进行重新优化，以同时缩短气动排气球阀打开时间t1和主气缸排气时间t2。优化后，主气缸容积缩小、气缸排气阀通径不变，气动排气阀动作时间缩短。最终，ESV阀动作时间缩短至0.45s，满足设计要求。

3.2 干气密封流量不稳定

天然气密封差压调节阀气膜打穿，主要原因为：（1）设计厂家对国外引进的技术未能消化吸收；（2）面对从未接触过的工艺流程，专业人员对设计图纸未能严格技术审核。在后续调试中，天然气密封孔板前后差压一直受气源压力和膨胀机进出口压差影响，不能恒定在要求的范围内。设计厂方请阀门专家来现场检查分析，初步判断为差压调节阀管路设计不合理；但是按照相关建议改造后，仍然不能解决这一问题。

经分析讨论发现，氮气密封和天然气密封所采用的差压调节阀结构形式完全相同。但是，氮气密封差压调节阀是将8bar的气源控制在20～50kPa的级别；天然气差压调节阀是将＞65bar的气源控制在20～50kPa的级别。两者相对控制精度和灵敏度差距几乎是一个数量级，但仍然选用结构形式相同的差压调节阀，说明差压阀的选型可能不合理。经与厂家协商后更换了控制精度和灵敏度更高的天然气差压调节阀后，天然气密封调试运行正常。

3.3 发电机轴承振动异常

在发电机单转调试过程中，针对轴承振动大的问题，振动分析人员借助ADRE 408振动分析仪对发电机轴承振动进行了分析，振动曲线见图6。根据振动频谱图和轴心轨迹图，初步断定本次轴承振动异常原因为动平衡问题[3]。随后，现场对发电机转子进行动平衡试验，并通过平衡块将发电机各轴承振动调整至2.5mm/s以内。

图6 发电机轴承座振图

在膨胀发电机组系统调试过程中，针对发电机轴承振动信号突变的问题，经振动方面的专业人员分析和试验后，查明为发电机轴承振动探头引出线屏蔽层接线设计错误（两点接地），导致发电机振动信号容易受到外部干扰。经对相关接地线进行了调整，发电机轴承振动良好。

3.4 膨胀机高速轴推力瓦温度高

膨胀发电机组主要包括：透平叶轮、斜齿轮减速箱和发电机。其中，透平叶轮与齿轮箱高速轴通过hirth齿连接在一起，齿轮箱低速轴通过靠背轮与发电机连接在一起。高速轴的受力分析见图7，主要包括膨胀机出口天然气反推力F1、透平背部干气密封气推力F2、斜齿轮作用力F3和推力瓦作用力F4，四者关系见公式1。

F4=F1-F2-F3 （1）

F1和F2主要受膨胀机进出口压力影响较大，正常运行时膨胀机进出口压力波动较小，因此这两个力变化不大；F3与传输负荷的关系见公式2[1]，受负荷影响较大；F4的大小又直接影响推力瓦温度的变化。

F3=2*(9.55*106*P/( d *n))*tanβ （2）

其中，P-传输功率；d-高速轴齿轮公称直径；n-转速；β-斜齿轮螺旋角。

因此，推力瓦温度高的根本原因为运行负荷较额定负荷偏差较大，这与调试过程中的实际情况相吻合（见图8）。但作为差压余能利用装置，差发运行负荷主要受到天然气流量和前后差压控制，不可能恒定在额定负荷。

图7 膨胀机高速轴结构与轴向受力图

图8 膨胀机高速轴推力瓦温度与负荷、前后差压的关系

针对膨胀机高速轴推力瓦温度高的状况，主要处理措施：（1）减小推力瓦作用力F4；（2）降低推力瓦润滑油温度；（3）增加推力瓦润滑油流量。第1种处理措施，需要对膨胀发电机组进行一定规模的改造，难度较大。为了最大限度使推力瓦温度降低至合理值，同时采取了后两种措施：（1）将齿轮箱进油温度从49℃降低至40℃；（2）适当提高润滑油母管压力，增加齿轮箱进油量。采取了以上措施以后，低负荷时推力瓦温度从115℃降低至110℃，处于正常范围内。

3.5 旁路调流振荡

膨胀机旁路调流阀为气动调节球阀，执行机构采用单作用式、弹簧气缸，失气时靠弹簧力使阀门常开。该阀门执行机构开度与最大输出扭矩的关系曲线见图9。关于旁路调流阀问题原因分析如下：（1）从关系曲线中可以看出，阀门开度达到40%时，执行机构最大输出扭矩最小；这与调试过程中最大开度40%相吻合。由此说明，天然气通流情况下阀门最大开度只能达到40%，主要原因为阀门执行机构输出力矩过小。（2）该调流阀调节特性为非线性，调流阀智能定位器存在一定调节死区，导致用调流阀自动调节天然气流量时，出现明显的振荡问题。针对上述情况，经与制造商讨论分析，将调流阀执行机构改为防爆型电动调节式执行机构，解决了上述问题，使用情况良好。

图9 调流阀执行机构最大输出扭矩与阀门开度的关系

3.6 IGV波动

膨胀发电机组采用PLC控制，分析其原始控制逻辑发现，该启动程控未考虑回路切换的平滑过渡，导致在调试阶段机组并网后IGV大幅波动，影响了膨胀机的正常运行。膨胀机在并网前其IGV的打开速率为开环控制，而并网后会切换到闭环控制过程，闭环控制包括流量控制或压力控制模式。原始设计中闭环控制模块即使在IGV开环控制阶段其PID运算始终处于激活状态，但此时由于IGV并不处于闭环控制模式，膨胀机流量/压力与设定值之间必然存在偏差，因而由于积分作用，此时PID的输出可能趋向于最小值或者最大值。而当膨胀机并网后，IGV控制模式从开环切至闭环，会直接将该PID输出值作为IGV开度指令，从而造成较大的扰动，导致系统不稳定。

热控专业人员将控制逻辑修改为当IGV处于开环控制模式时，闭环控制的PID模块不被激活，其输出始终跟踪IGV的当前开度。这样，在IGV控制模式切换时，其开度指令并不会有阶跃，从而保证了系统运行的稳定性。

4 思考与建议

根据差压发电项目在安装、调试过程中遇到的上述问题，建议如下：

（1）严格审查设计方案。安装、调试中遇到的大部分问题，比如ESV阀动作时间长、干气密封流量不稳定、旁路调流振荡等，其根本原因是设计方设备选型或设计失误。因此建议：（a）设计单位应严格审核设计方案和设备选型，避免仅采用一级审核；（b）专业人员要潜心阅读学习相关技术材料，掌握其工作原理，必要时可邀请外部专家共同严格审查新型设备的设计和调试方案。

（2）关键设备的重要节点加强验收。项目中部分关键设备，比如ESV阀和发电机，虽然在出厂时都提供了设备合格、测试证明材料，但是，现场单机试验过程中依然会发生不合格情况。因此建议：（a）生产厂家严格监督执行设备出厂前的测试，尽量提供较为具体的出厂测试证明材料；（b）专业人员在关键设备生产重要节点，也要加强验收。如条件允许，可去测试现场验收设备，进一步保证出厂测试的严格执行。

（3）增强专业自信，避免盲目信从外方专家。面对全新技术或设备，调试过程中难免会碰到各类问题，比如IGV波动大的问题，其根本原因是因外方专家在PLC编程过程中未考虑充分所致。因此，建议在处理问题过程中，专业人员要充分自信，积极与外方专家探讨以解决调试中出现的各类问题。