楊 樹(shù)， 張 棣， 沈志恒

(海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)公司， 天津 300451)

海洋平臺(tái)透平電站超溫?zé)釄?chǎng)研究

楊 樹(shù)， 張 棣， 沈志恒

(海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)公司， 天津 300451)

海洋平臺(tái)提供電力的透平電站往往布置在受限空間內(nèi)，沒(méi)有很好的通風(fēng)條件，如遇到夏季高溫工況，會(huì)出現(xiàn)機(jī)組散熱故障以及超溫報(bào)警的情況，嚴(yán)重時(shí)將造成電站停機(jī)。該文通過(guò)對(duì)透平機(jī)組超溫?zé)釄?chǎng)的分析，提出合理的風(fēng)機(jī)安裝方案，改善了電站周圍空間熱氣流組織流動(dòng)效果，利用ANSYS仿真分析，研究了空間熱場(chǎng)的分布情況，驗(yàn)證了此方案的正確性。

透平電站；氣流組織；空間熱場(chǎng)；模擬分析

0 引言

南海油田某采油平臺(tái)，透平電站進(jìn)入夏季后，發(fā)電機(jī)和滑油溫度持續(xù)出現(xiàn)報(bào)警，嚴(yán)重影響透平發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行，如果電站失效，整個(gè)平臺(tái)的工藝系統(tǒng)將停止運(yùn)行，損失不可估量[1-5]。為了解決上述問(wèn)題，平臺(tái)操作方采取啟用發(fā)電機(jī)備用風(fēng)機(jī)加大冷卻風(fēng)量的方法[6-8]，但效果甚微，發(fā)電機(jī)冷卻溫度和滑油冷卻器回油溫度都已接近報(bào)警值，如環(huán)境溫度繼續(xù)升高，透平發(fā)電機(jī)組將會(huì)停機(jī)。該文從分析問(wèn)題產(chǎn)生的原因、提出解決方案、建立仿真模型、借助ANSYS軟件對(duì)電站周圍熱場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真[9-13]等幾方面進(jìn)行分析研究。

1 透平電站的布置

透平電站為美國(guó)SOLAR廠家兩臺(tái)型號(hào)TAURAS 70透平發(fā)電機(jī)組，使用工況為一用一備，透平排煙經(jīng)過(guò)廢熱回收裝置，為平臺(tái)工藝系統(tǒng)提供熱源。

透平電站布置在平臺(tái)下層甲板靠中部，平臺(tái)南側(cè)為進(jìn)氣端，平臺(tái)北側(cè)為排氣端，兩側(cè)為設(shè)備安裝區(qū)和組塊房間區(qū)域，如圖1、圖2所示。這種布置方案主要考慮了南北向的自然通風(fēng)滿足電站進(jìn)氣和散熱需求，但是當(dāng)遇到海上無(wú)風(fēng)、環(huán)境溫度超高或周圍設(shè)備散熱量過(guò)大時(shí)，對(duì)于透平電站出現(xiàn)超溫報(bào)警的狀況，往往由于平臺(tái)布置不能改變而出現(xiàn)停機(jī)狀況。

圖1 透平電站所在層設(shè)備、房間布置圖 圖2 透平電站及廢熱回收裝置布置圖

2 透平電站超溫問(wèn)題分析及解決方案

造成透平發(fā)電機(jī)冷卻進(jìn)氣的超溫說(shuō)明透平區(qū)域空氣流通困難，熱量不斷積累，隨著進(jìn)氣溫度的升高，會(huì)影響透平的出力和發(fā)電機(jī)、機(jī)組罩殼、滑油風(fēng)扇的冷卻故障。因此解決方案需考慮如下幾個(gè)問(wèn)題：(1)透平電站的進(jìn)/排氣冷卻通道：發(fā)電機(jī)為風(fēng)冷通道，透平罩殼為風(fēng)冷通道，滑油冷卻器為風(fēng)冷通道，之間都存在相互影響；(2)加強(qiáng)風(fēng)冷效果只能靠增加風(fēng)量和降低送風(fēng)溫度，而改變開(kāi)敞大空間空氣溫度很難；(3)平臺(tái)空間很有限，空間是選擇設(shè)備的首要因素；(4)配電盤開(kāi)關(guān)能力有限，數(shù)量和電功率受到限制。

針對(duì)問(wèn)題(1)和問(wèn)題(2)，提出增加大通風(fēng)流量強(qiáng)化透平電站局部通風(fēng)冷卻，對(duì)進(jìn)/排風(fēng)采用機(jī)械強(qiáng)制通風(fēng)，替代之前靠風(fēng)向自然通風(fēng)的方式。針對(duì)問(wèn)題(3)，風(fēng)機(jī)的安裝位置成為重要因素，初步方案為：1)透平機(jī)組進(jìn)氣端增加2臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)，分別對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)氣和透平罩殼進(jìn)氣正面送風(fēng)，位置安裝在操維平臺(tái)下方；2)透平機(jī)組排氣端增加2臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)，對(duì)滑油冷卻器和送風(fēng)端來(lái)流熱空氣進(jìn)行快速排出；3)將透平上方的操維平臺(tái)行走甲板改為格柵，加強(qiáng)下部熱氣的向上流動(dòng)，形成平臺(tái)下部進(jìn)風(fēng)，上部排風(fēng)的合理氣流組織。針對(duì)問(wèn)題(4)，選用軸流風(fēng)機(jī)，基于最大電功率對(duì)風(fēng)機(jī)選型，再反算風(fēng)量、風(fēng)壓是否滿足散熱要求，從而保證方案可行。

3 風(fēng)機(jī)選型對(duì)比計(jì)算

以透平電站所在平臺(tái)中部氣流通道為研究對(duì)象，分析最大影響透平出力的夏季無(wú)風(fēng)高溫時(shí)自然通風(fēng)和風(fēng)機(jī)機(jī)械通風(fēng)的各項(xiàng)參數(shù)，判斷風(fēng)機(jī)選型是否合理和推測(cè)周邊空間熱場(chǎng)變化情況。

環(huán)境基礎(chǔ)參數(shù)：(1)夏季最高溫度為34℃；(2)自然風(fēng)速為1 m/s；(3)單臺(tái)透平機(jī)組四周氣流通道有效截面積為20 m2。供電及設(shè)備選型限制條件：由于風(fēng)機(jī)為后加設(shè)備，MCC預(yù)留的開(kāi)關(guān)負(fù)荷為380 V，20 A。風(fēng)機(jī)最大選型參數(shù)為：風(fēng)量為50 000 m3/h，全壓為550 Pa。各項(xiàng)參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 參數(shù)對(duì)比表

對(duì)比分析表1內(nèi)的數(shù)據(jù)，得出如下結(jié)論：(1)自然通風(fēng)量少于燃燒進(jìn)氣量要求，入口的負(fù)壓會(huì)再吸入空氣滿足燃燒要求，而對(duì)于設(shè)備散熱不能有外部空氣進(jìn)行冷卻，造成周圍空間熱量不斷累積，溫度持續(xù)升高；(2)自然通風(fēng)形成的壓差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于風(fēng)機(jī)形成的壓差，除燃燒進(jìn)氣形成負(fù)壓進(jìn)入透平外，氣流對(duì)散熱無(wú)作用；(3) 透平電站散熱量升溫作用明顯，需要大量外部低溫空氣引入降溫；(4)透平機(jī)組除解決自身散熱外，還受到外部熱源影響，加速氣體溫升；(5)從對(duì)比數(shù)據(jù)可以判斷，風(fēng)機(jī)機(jī)械通風(fēng)設(shè)計(jì)合理，除燃燒進(jìn)氣外，剩余風(fēng)量可以消除各項(xiàng)散熱，且形成的大壓差將快速置換空間內(nèi)的氣流，從本質(zhì)上解決超溫問(wèn)題。

4 空間熱場(chǎng)數(shù)值模擬仿真結(jié)果對(duì)比

對(duì)于現(xiàn)有透平電站的布置情況，利用軟件仿真，分析此空間內(nèi)的熱場(chǎng)分布，找出問(wèn)題的根源，對(duì)于環(huán)境無(wú)風(fēng)或夏季高溫的工況，設(shè)置透平機(jī)組進(jìn)氣和散熱環(huán)境參數(shù)情況，得到量化的結(jié)果，為方案設(shè)計(jì)作出指導(dǎo)，并驗(yàn)證方案的正確性。ANSYS軟件分析流程：(1) 根據(jù)現(xiàn)有透平機(jī)組資料，建立研究對(duì)象模型；(2) 對(duì)設(shè)備外部氣流空間進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并設(shè)定各工況邊界條件；(3) 運(yùn)行有限元分析計(jì)算，輸出仿真結(jié)果。透平機(jī)組和周圍氣流空間在夏季高溫環(huán)境中，自然通風(fēng)和機(jī)械強(qiáng)制通風(fēng)不同的有限元分析模型和仿真結(jié)果如圖3～圖10所示。

由圖3～圖10中的模擬計(jì)算分析結(jié)果可以看出，在自然通風(fēng)工況下：(1)發(fā)電機(jī)排風(fēng)口氣流溫度明顯升高，并在出口上部積聚；(2)滑油冷卻器出風(fēng)口氣流溫度處于高溫，與周圍低溫氣流混合并加熱冷卻器進(jìn)風(fēng)溫度；(3)發(fā)電機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度已是高溫，從透平進(jìn)氣端方向沒(méi)有低溫空氣能夠到達(dá)入口位置，周圍氣體都受熱升溫，究其原因是透平燃燒進(jìn)氣口形成負(fù)壓，造成氣流組織方向改變，沒(méi)有從透平尾部排除，而是向進(jìn)氣端流動(dòng)，同時(shí)與外部空氣加熱混合，循環(huán)送風(fēng)/排風(fēng)并使溫度保持高溫，造成設(shè)備超溫報(bào)警。在強(qiáng)制通風(fēng)工況下：(1)發(fā)電機(jī)排風(fēng)口氣流溫度雖然升高，但隨著遠(yuǎn)離出口，受到外部低溫空氣的混合影響，溫度降低并向透平尾部流動(dòng)；(2)滑油冷卻器出風(fēng)口氣流溫度明顯降低，周圍低溫氣體流動(dòng)充足，熱量無(wú)積聚；(3)發(fā)電機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度得到徹底改善，進(jìn)風(fēng)保持低溫空氣充足，雖然周圍有熱氣流參雜，但沒(méi)有明顯溫升，氣流組織由透平進(jìn)氣端到尾部運(yùn)動(dòng)軌跡清晰，機(jī)組周圍空間空氣溫度得到有效控制。

圖3 透平機(jī)組模型 圖4 透平發(fā)電機(jī)排風(fēng)口立面溫度分布

圖5 透平滑油冷卻器立面溫度分布 圖6 透平發(fā)電機(jī)進(jìn)風(fēng)口立面溫度分布

圖7 透平機(jī)組加風(fēng)機(jī)模型 圖8 透平發(fā)電機(jī)排風(fēng)口立面溫度分布

圖9 透平滑油冷卻器立面溫度分布 圖10 透平發(fā)電機(jī)進(jìn)風(fēng)口立面溫度分布

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)透平電站超溫問(wèn)題分析，提出解決方案，并建立了透平機(jī)組有限元分析模型，使用ANSYS軟件分析，得出超溫工況和強(qiáng)制通風(fēng)工況的仿真數(shù)值結(jié)果，經(jīng)過(guò)比較分析，可以得出如下結(jié)論：

(1) 深入研究透平電站超溫?zé)釄?chǎng)的產(chǎn)生機(jī)理和問(wèn)題解決的切入點(diǎn)，對(duì)比結(jié)果驗(yàn)證了方案的正確性，目前此平臺(tái)上透平電站超溫情況得到解決，說(shuō)明此分析方法為類似透平電站散熱超溫問(wèn)題解決提供了新的研究思路。

(2) 通過(guò)理論分析和實(shí)踐證明，平臺(tái)透平電站的布置位置對(duì)透平機(jī)組是否穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生了極大影響，尤其布置在中下層甲板受限空間內(nèi)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮外部通風(fēng)是否滿足燃燒、散熱要求，深入分析計(jì)算獲得可靠結(jié)論。如不能滿足要求，則必須將透平電站布置在開(kāi)敞空間，同時(shí)也要考慮夏季高溫環(huán)境，透平運(yùn)行是否需要輔助措施。

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Research on Turbine Power Station Super Warm Field Offshore Platform

YANG Shu, ZHANG Di, SHEN Zhi-heng

(Engineering Company of Offshore Oil Engineering Co., Ltd, Tianjin 300451, China)

The turbine generator plant unit which offers power for offshore platform is usually placed in limited space, so the ventilation condition is bad. When the temperature is high in summer, it may faces the problem of heat dissipation and over temperature alarm, when serious, the plant will be shutdown . The over temperature thermal field of turbine generator plant was studied in this paper. A feasible scheme for vent installation was raised. The flow effect of hot air flow organization was improved. The distribution of space thermal field was studied through simulation with ANSYS. The scheme for vent installation was proved to be correct.

turbine generator unit; air distribution; space thermal field; simulation analysis

2014-12-19

楊 樹(shù)(1980-)，男，工程師。

1001-4500(2015)02-0091-05

P75

A