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大功率燃?xì)廨啓C(jī)軸承密封氣冷卻系統(tǒng)優(yōu)化

2021-02-20 06:01:07宮有志蔡東升
內(nèi)燃機(jī)與配件 2021年2期
關(guān)鍵詞:PID控制燃?xì)廨啓C(jī)溫度控制

宮有志 蔡東升

摘要:大功率燃?xì)廨啓C(jī)關(guān)鍵軸承采用壓縮氣體輔助密封,密封氣冷卻器使用海水作為冷卻介質(zhì),在某些特定工況有海水滲漏進(jìn)入滑油系統(tǒng)進(jìn)而損傷核心機(jī)的風(fēng)險。本文針對上述隱患提出優(yōu)化改造,并系統(tǒng)闡述將密封氣海水冷卻改造為風(fēng)冷的技術(shù)方案:利用風(fēng)冷器、變頻器、中央控制系統(tǒng)等設(shè)備,借助原有通訊經(jīng)PID調(diào)節(jié)控制,實現(xiàn)空氣冷卻器風(fēng)機(jī)的自動變頻控制和溫度保護(hù)啟停,解決環(huán)境溫度和機(jī)組負(fù)載對冷卻器溫度控制的波動影響,最終實現(xiàn)對燃?xì)廨啓C(jī)軸承密封氣風(fēng)冷系統(tǒng)恒溫控制,解決限制其穩(wěn)定運行的關(guān)鍵難題。

關(guān)鍵詞:軸承密封氣冷卻器;變頻器;PID控制;溫度控制;燃?xì)廨啓C(jī)

中圖分類號:TM62;TK473? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號:1674-957X(2021)02-0061-02

1? 背景簡介

海上采油平臺多采用燃?xì)廨啓C(jī)作為電站為其生產(chǎn)活動提供電源,渤海某平臺電站配置了3臺25MW西門子SGT-700型工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組。這種燃?xì)廨啓C(jī)的2#軸承采用密封氣輔助密封,密封氣源為輪機(jī)前端壓氣機(jī)產(chǎn)生的高溫壓縮空氣,經(jīng)過外置的海水冷卻器換熱降低溫度后進(jìn)行軸承密封。因海水具有高腐蝕性,盡管冷卻器芯子的材質(zhì)考慮了耐腐蝕要求,實際運行中仍有腐蝕沖蝕導(dǎo)致?lián)Q熱器穿孔泄露的風(fēng)險。機(jī)組在運行狀態(tài)下,壓縮空氣壓力高于海水壓力,使得冷卻器泄露有很強的隱蔽性,在機(jī)組降速或者報警關(guān)停時,海水就會大量泄漏至機(jī)組內(nèi)部,導(dǎo)致污染滑油,甚至損傷軸承、腐蝕燃燒室及動力渦輪等核心部件。一旦發(fā)生上述情況,該燃?xì)廨啓C(jī)往往需要返廠大修,產(chǎn)生高昂的維修成本,并會進(jìn)一步影響油田的穩(wěn)定生產(chǎn)。

某機(jī)組在正常停機(jī)后發(fā)現(xiàn)滑油箱體液位有上升趨勢,經(jīng)排查確認(rèn)為上述故障情況,工況相同的其它機(jī)組也存在類似風(fēng)險。為了從根源上消除隱患,保障燃?xì)廨啓C(jī)本質(zhì)運行安全,需要對密封氣冷器系統(tǒng)進(jìn)行故障處理或優(yōu)化改造。

技術(shù)人員與工廠協(xié)商,擬定解決方案如下:

①工廠發(fā)送新的冷卻器芯替換安裝,并對泄露產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)故障進(jìn)行排查處理。因不能從本質(zhì)上消除隱患,予以否定;

②工廠按換熱量提供風(fēng)冷式換熱器,替換安裝;

③仍然使用原型號冷卻器,額外加裝一套淡水循環(huán)系統(tǒng),采用海水冷卻淡水、淡水冷卻密封氣。

由于第二方案時效性較高,且能相對徹底的解決潛在風(fēng)險,成為首選方案。但冷卻方式的調(diào)整會導(dǎo)致新的技術(shù)問題,以下具體介紹風(fēng)冷換熱器的改造實施方案。

2? 技術(shù)方案的確定

空冷器替換水冷安裝完畢后,啟動燃機(jī)進(jìn)行測試,發(fā)現(xiàn)密封氣溫度大幅波動:在不啟動風(fēng)機(jī)的情況下,上升較快,很快接近燃機(jī)密封氣高溫報警/關(guān)斷設(shè)定值,啟動單臺風(fēng)機(jī)工頻運行時,溫度又急速下降,低于工廠推薦的允許值。糾其原因,相較換熱量穩(wěn)定的水冷裝置,風(fēng)冷裝置對環(huán)境條件更加敏感,燃機(jī)負(fù)載變化、環(huán)境溫度變化需要的換熱量變化劇烈,不能滿足燃機(jī)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)需求。

燃機(jī)廠家提出將兩臺風(fēng)機(jī)調(diào)整為自動啟??刂?,因自動啟停方式只能提供階梯式的風(fēng)量調(diào)節(jié),且環(huán)境溫度低時最低階的風(fēng)量仍大于換熱需求,技術(shù)人員基于海上平臺的資源條件,自主實施以下的優(yōu)化改造方案:

冷卻風(fēng)機(jī)電機(jī)是可以變頻運行的,最低運行頻率5Hz。利用MM420小型變頻器可實現(xiàn)對風(fēng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制,實測密封氣溫度可以暫時穩(wěn)定,變頻器頻率需要根據(jù)環(huán)境溫度、機(jī)組負(fù)載等情況實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。西門子透平與平臺中央控制系統(tǒng)(后續(xù)簡稱:中控)存在485通訊,通過中控可以實時監(jiān)控透平部分?jǐn)?shù)據(jù),通過該通訊鏈路可以實現(xiàn)對密封氣溫度監(jiān)控,再由中控系統(tǒng)組態(tài)PID控制回路,輸出對變頻器的模擬量和開關(guān)量控制,從而實現(xiàn)密封氣溫度的恒溫控制。

本改造方案整體結(jié)構(gòu)如圖1。

3? 恒溫控制方案的設(shè)計與實施

3.1 PID變頻器恒溫系統(tǒng)總體方案設(shè)計

燃?xì)廨啓C(jī)密封氣溫度恒定控制的實現(xiàn)主要通過動力系統(tǒng)與儀控系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合實現(xiàn),主要有變頻器、溫度傳感器、中央控制器和變頻風(fēng)機(jī)組成。動力系統(tǒng)主要包括風(fēng)機(jī)與變頻器,儀控系統(tǒng)主要包括溫度變送器、中央控制器等。本次改造的特點在于利用透平現(xiàn)有控制系統(tǒng)并不做改變,通過平臺中控系統(tǒng)系統(tǒng)實現(xiàn)中央控制器和溫度控制的功能。

3.2 動力系統(tǒng)

動力系統(tǒng)配置主要包括電纜敷設(shè)與接線、變頻器安裝、變頻器設(shè)置與空載調(diào)試。電氣施工對空閑配電柜進(jìn)行改造,拆除原內(nèi)部器件,重新安裝固定MM420變頻器。鋪設(shè)通訊電纜,使變頻器與中控系統(tǒng)建立聯(lián)系。通過對變頻器的參數(shù)設(shè)置,實現(xiàn)中控系統(tǒng)通過模擬量進(jìn)行調(diào)速控制功能、中控遠(yuǎn)程啟動與停止風(fēng)機(jī)功能,同時主開關(guān)間變頻柜處可實現(xiàn)就地啟停與BOP面板調(diào)速功能。通過模擬量信號整定與頻率上下限設(shè)置,可實現(xiàn)4—20mA電流信號對應(yīng)5—50Hz頻率調(diào)節(jié)。

3.3 儀控系統(tǒng)

3.3.1 儀控系統(tǒng)設(shè)計

儀表施工涉及中控系統(tǒng)組態(tài),中控系統(tǒng)接線箱至變頻器電纜敷設(shè)和PID回路調(diào)試。利用通訊點進(jìn)行PID控制在中控系統(tǒng)中并不常應(yīng)用,為保證密封氣溫度的可靠性,在保證PID可以手自動控制的前提下,增加開關(guān)量邏輯啟動停止變頻器,即可以在中控設(shè)定變頻器的啟動和停止溫度。恒溫控制系統(tǒng)框圖如圖2。

在溫度控制中普遍存在參數(shù)時變、大滯后、非線性等特點,透平運行情況負(fù)責(zé),密封氣的溫度又與機(jī)組的帶載有一定關(guān)系,并且受環(huán)境溫度變化影響較大,為保持密封氣溫度穩(wěn)定和變頻風(fēng)機(jī)運行頻率平穩(wěn),PID各參數(shù)的設(shè)置要反復(fù)調(diào)試和校準(zhǔn)。

3.3.2 溫度PID控制

這是一個典型的閉環(huán)控制系統(tǒng),用于控制加密封氣的溫度(PV)保持在恒定的溫度目標(biāo)值(SV)。系統(tǒng)通過西門子透平本機(jī)溫度采集單元反饋回來的實時溫度信號通過485通訊傳至EMERSON Deltav 系統(tǒng)中,獲取偏差值(EV),偏差值經(jīng)過 PID 調(diào)節(jié)器運算輸出,控制風(fēng)機(jī)變頻器的頻率,以克服偏差,促使偏差趨近于零。

溫度控制系統(tǒng)是一個慣性較大的系統(tǒng),也就是說,當(dāng)給冷卻器開始降溫之后,并不能立即觀察得到溫區(qū)溫度的明顯上升;同樣的,當(dāng)關(guān)閉風(fēng)機(jī)之后,溫區(qū)的溫度仍然有一定程度的下降。另外,熱電偶對溫度的檢測,與實際的溫區(qū)溫度相比較,也存在一定的滯后效應(yīng)。這給溫度的控制帶來了困難。因此,如果在溫度檢測值(PV)到達(dá)設(shè)定值時才關(guān)斷輸出,可能因溫度的滯后效應(yīng)而長時間超出設(shè)定值,需要較長時間才能回到設(shè)定值;如果在溫度檢測值(PV)未到設(shè)定值時即關(guān)斷輸出,則可能因關(guān)斷較早而導(dǎo)致溫度難以達(dá)到設(shè)定值。同時現(xiàn)場冷卻器分為兩組,前段為溫度高熱端冷卻器,后端為冷端冷卻器,密封氣的溫度受兩個冷卻器的狀態(tài)影響,同時受環(huán)境溫度和透平帶載都有一定影響,這給密封氣的恒溫控制帶來了很大的難度,為了合理地處理系統(tǒng)響應(yīng)速度與系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的矛盾,需要反復(fù)調(diào)試PID參數(shù)的設(shè)置和整體控制邏輯。

在實際調(diào)試過程中,由于機(jī)組負(fù)載和環(huán)境溫度等多重影響的變化,造成了整體系統(tǒng)很難達(dá)到穩(wěn)態(tài),運用典型PID控制原理及其算法,根據(jù)調(diào)解得到曲線將OP值的低限根據(jù)負(fù)載和環(huán)境溫度的變化做設(shè)定,在低限到10%時,整體溫度波動基本處于長期穩(wěn)定狀態(tài)。實施恒溫改造前后,燃?xì)廨啓C(jī)軸承密封氣溫度變化趨勢如圖3。

4? 效果與總結(jié)

在密封氣溫度高于55℃時現(xiàn)場風(fēng)機(jī)自動啟動,溫度低于40℃時現(xiàn)場風(fēng)機(jī)自動停止,實現(xiàn)冷卻風(fēng)機(jī)的自動啟停功能和保護(hù)。根據(jù)實際溫度,中控系統(tǒng)PID控制有效調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)機(jī)運行頻率,密封氣溫度基本恒定在工廠推薦值60℃左右,穩(wěn)定后現(xiàn)場冷卻風(fēng)機(jī)保持穩(wěn)定頻率運行。在發(fā)電機(jī)組帶載變化、環(huán)境溫度變化等干擾出現(xiàn)后,能夠自動調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,穩(wěn)定后能使溫度有效回歸并保持在60℃左右。

變頻器停機(jī)報警、燃?xì)廨啓C(jī)密封氣高溫報警為觸發(fā)條件,可設(shè)置備用冷卻風(fēng)機(jī)的啟停邏輯,進(jìn)而總體上實現(xiàn)密封氣冷卻系統(tǒng)的安全可靠,獨立的控制單元沒有對燃?xì)廨啓C(jī)的控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾和影響。在冬季降溫、氣候回暖、負(fù)載波動或劇烈變化、晝夜溫度變化等情況下,均能實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)透平燃?xì)廨啓C(jī)密封氣溫度并保持穩(wěn)定。

對于西門子工業(yè)機(jī)型的燃?xì)廨啓C(jī),說服廠家主動做出調(diào)整十分困難。上述改造在實施初期,服務(wù)工程師以種種理由說明對控制系統(tǒng)的改動權(quán)限非常高,成本高并且具有其他風(fēng)險。我們采用變頻器和工業(yè)系統(tǒng)PID控制這種非常成熟的工業(yè)技術(shù),獨立于燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)本身,實現(xiàn)了密封氣溫度的跟隨控制,最終獲得其現(xiàn)場服務(wù)工程師的高度評價。在防控新型冠狀病毒肺炎時期,動員國外人員、物資非常困難,依托現(xiàn)有資源,及時處理燃機(jī)運行的關(guān)鍵性問題,也給企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn):

[1]西門子變頻器MM420使用說明書.

[2]饒林森.變頻器中PLC自動控制技術(shù)的運用[J].山東工業(yè)技術(shù),2019(02).

[3]姜忠良,陳秀云.溫度的測量與控制[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

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