TITAN130透平辅助仪表气管汇中冷凝水的排放改造

钟凯诚，邱海滨

(中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津 300459)

透平发电机组是海上平台主要动力设备，为平台生产和生活提供电力，其是否稳定运行关乎油田生产的稳定性。油田发现索拉TITAN130透平经常出现柴油启机时点火失败的现象，经现场检查确认，在辅助仪表气管汇的低点有大量冷凝水，此处的冷凝水在透平机组燃油启机点火时会直接喷到点火器和喷嘴上，打湿点火器的火花塞，易造成燃油模式点火失败，影响透平运行稳定性。本文通过分析冷凝水形成原因和来源，提出冷凝水排放的改造方案。

1 原因分析

1.1 辅助仪表气的作用

索拉TITAN130机组在燃油模式启机点火时，盘车转速仅为20%，压气机出口的压缩空气即 PCD压力小，仅依靠机组自身的压气机气流不足以对高热值的柴油进行雾化，因此燃油启机点火时需要使用外接辅助仪表气对柴油进行雾化。

从图1可以看出，仪表气的去路有两路，一路是去点火器，另一路是去透平机组的空气管汇，对柴油进行雾化。当转速＞65%时，不再用外接的仪表气，利用机组本身 PCD气体即可雾化柴油，维持机组高速运转。从图2可以看出，燃油模式点火激活并且转速＜65%时，电磁阀 L350-1(间接控制外接仪表气的阀门)得电，故机组在燃油模式点火和 NGP＜65%的爬坡阶段利用外接仪表气对柴油进行雾化。

1.2 冷凝水形成原因分析

辅助仪表气管汇中的冷凝水主要存在于图1中的①和②处，尤其是①处的冷凝水较多。透平机组所用仪表气为公用气经干燥塔干燥后的气体，压力为8bar左右，露点为-70℃，仪表气较干燥，所以此处的冷凝水并非来自仪表气。辅助仪表气管汇中冷凝水是从后方管线及机组空气管汇中倒流过来，并聚集在单流阀VCH932前，即图1中的①处。

图1 外接仪表气流程图[1]Fig.1 External instrument gas flow[1]

图2 PLC程序中控制L350-1语句Fig.2 L350-1 control statement in PLC program

空气是由干空气和一定量的水蒸气混合而成的，因此也叫做湿空气，当管线表面温度低于此处气体的露点温度时，水汽凝结就会发生在管壁上，从而产生冷凝水[2]。当空气中水分的含量超过饱和浓度，水就会冷凝出来，其产生量一般与空气的含湿量、露点温度、温度有关系。

透平机组在每次停机时，机组在盘车马达的带动下转速 15%，执行 4h的后润滑。由于海上环境湿度较大，夏天能达到 60%～80%，机组逐渐冷却的过程中，冷凝水开始形成，同时潮湿空气经机组压气机的轻微增压，更容易形成冷凝水。冷凝水沿着内壁向下流，并在机组底部聚集，燃烧室和排气尾椎的冷凝水可以分别通过其底部的排液管线排掉，而辅助空气管汇和点火器的空气管线内的冷凝水则沿着管线流至最低点直至有单流阀处，即图1中的①处。每次透平机组停机都会产生一定量的冷凝水，燃气模式是透平机组主要燃料模式，燃气模式启机时不使用外接仪表气，造成辅助仪表气管汇中的冷凝水越积越多，这样很容易引起机组在燃油启机时点火失败。

2 改造思路及方案分析

2.1 改造思路

经过上述分析可知，辅助仪表气管汇中的冷凝水是从机组内部倒流并汇集在一起的，因此首先考虑能否采取措施从源头上抑制冷凝水的产生。影响冷凝水形成的因素包括空气湿度、温度、压力。透平吸入的空气经过两级滤器过滤，吸入的空气量很大，最大达到 14110m3/h[3]，再加上海上空气湿度较大，在空气入口处设法降低空气的湿度显然不可行。由于冷凝水是机组内部较热的气体在接触到温度较低的辅助仪表气管汇产生，而辅助空气管汇距离机组很近，试图增加仪表气管汇的温度也是不可行的。通过分析可知，其他条件不变的情况下，降低压力能减少冷凝水的形成，但仪表气管汇内的压力无法改变。因此解决仪表气管汇中冷凝水的问题，归结为如何有效地将冷凝水排放掉。

冷凝水形成后会沿着管壁向下流动，因此在最低点处进行收集和排液最有效。经过现场验证，在单流阀VCH932前增加排液管线(图3)，此处有单流阀能阻止冷凝水继续向前流动，而且是管线最低点。排放管线上的排放阀可以选用截止阀手动进行放液，也可以增加电磁阀自动控制放液。根据排液阀的控制方式不同，探讨冷凝水排放改造的不同方案。

图3中①处位于单流阀前也是管线最低点，该处冷凝水比较多，其来自机组空气主环管；②处的水分相对较少一些，来自点火器的助燃空气管线。

2.2 方案探讨

方案一：排放管线上增加集液包和手动截止阀。

利用现场余料制作集液包，并且使到集液包的管线略微向下倾斜，以利于冷凝水流向集液包。在集液包底部加装截止阀，可以方便地进行手动排液，流程图如图4所示。经现场点温枪测量，机组正常运行时辅助仪表气管汇(图3中的①处)只有 20℃，因此选用150LB等级的截止阀即可。

优点：只需增加管线、集液包、截止阀，简单易行，不改动程序。

缺点：需现场手动放液，操作不便。

图3 排液管线增加集液包和截止阀Fig.3 Increased collection package and globe valve

方案二：外接时间继电器自动控制排液阀。

该方案可以实现机组停机后，每隔 24h开阀放水一次，每次放水 2min；并设置手动开阀放液开关。采用 3台机组联控控制，共同使用同一套时间继电器。如图5所示，机组停机后，手动闭合开关(SB A或SB B或SB C)，时间继电器KT1得电，计时24h，KT1.0延时闭合触点闭合，继电器 KM 得电，触点KM.0闭合，电磁阀得电开阀放液；与此同时 KT1.1延时闭合触点闭合，延时 2min后，KT2延时断开触点断开，时间继电器 KT1失电，电磁阀关闭。通过KT1和 KT2的互锁，实现每隔 24h开阀一次，每次只开阀2min。(KT2是为了控制 KT1的延时闭合触点闭合2min)。图5(a)中，SB A/B/C与图5(b)中的SB A/B/C采用同一个开关。在手动强制开启某一台机组(如 A 机)的电磁阀时，需将手动强制开关和对应机组的停机开关闭合(即SB A)。

图4 电气原理Fig.4 Electrical principle

优点：能够实现机组停机后手自动放液。

缺点：所需备件较多，接线复杂。

方案三：修改SOLOR程序自动控制排液阀。

通过 LOGIX5000修改透平控制程序，实现机组停机后，在控制盘上能控制排液阀开启放液，每次排液 200s。如图6所示，在排液管线上新增电磁阀L931和气动球阀 V2P931，通过程序控制电磁阀L931的通断，实现V2P931控制气源的通断，进而控制V2P931球阀的开关，进行排液。

新增PLC如图6所示，程序说明：在控制盘上点击排液按钮，程序判断机组状态(需停机状态)，继电器 L391得电 200s(即连续排液 200s)，并在控制盘上进行状态反馈。计时 200s后，继电器L391失电，排液球阀V2P931关闭。

优点：实现自动放液，所需备件少。

缺点：需要改动程序(需SOLAR授权)。

通过综合评价 3种方案，并结合现场情况，确定采用方案一，现场增加冷凝水集液包和放液阀(图7)。该方案简单易行，操作方便，同时能有效地将辅助仪表气管汇中的冷凝水收集至集液包中并排放掉。

图5 方案三改造流程图Fig.5 Flow chart of retrofit scheme three

图6 PLC需要新增程序的部分截图Fig.6 Some screenshots of new program for PLC

图7 现场增加积液包和截止阀Fig.7 Liquid loading pocket and globe valve added on-site

3 结 语

通过分析仪表气管汇冷凝水形成的原因，根据放液阀不同的控制原理，提出 3种改造方案。创新性提出在辅助仪表气管汇上新增冷凝水排液管线，现场采用最简单有效的方案，即在排液管线上安装集液包和手动排液阀。经过现场验证，此次改造能高效地将从机组的辅助空气管汇倒流回来的冷凝水排放掉，切实提高了透平燃油启机的成功率。