[摘 要]隨著海上油氣田開(kāi)采技術(shù)不斷發(fā)展，海上油氣田處理工藝及開(kāi)采產(chǎn)量日益增加，對(duì)用電需求不斷加大，對(duì)海上孤島電網(wǎng)供電提出更高的挑戰(zhàn)。為滿足大功率設(shè)備的運(yùn)行與用電安全，需利用大型透平發(fā)電機(jī)并網(wǎng)供電形式，開(kāi)展各電壓等級(jí)機(jī)組與高電壓等級(jí)大型機(jī)組的組網(wǎng)技術(shù)研究。通過(guò)增加各電壓等級(jí)發(fā)電機(jī)組與平臺(tái)現(xiàn)有大容量機(jī)組進(jìn)行組網(wǎng)以補(bǔ)充平臺(tái)用電缺口，在降低改造工程投資的情況下解決電力缺口問(wèn)題。

　　[關(guān)鍵詞]海洋石油平臺(tái);透平發(fā)電機(jī)組;搬遷工程設(shè)計(jì)

　　隨著海上油氣田生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，電力負(fù)荷持續(xù)的增加，局部油田區(qū)域出現(xiàn)電力短缺的狀況。本文以渤海地區(qū)某項(xiàng)目為例進(jìn)行研究，該項(xiàng)目中電站能力已經(jīng)無(wú)法滿足供電需求。對(duì)比增加柴油發(fā)電機(jī)故障率與燃料成本高，并出于減排目的，故考慮增加采用燃?xì)獍l(fā)電機(jī)，這樣既能減少柴油消耗量又能使原本放空的天然氣得到充分的利用。

　　為使閑置資產(chǎn)能夠發(fā)揮更好作用，故對(duì)閑置透平發(fā)電機(jī)進(jìn)行搬遷。本次搬遷機(jī)組來(lái)自渤海某閑置FPSO，該機(jī)組為SOLAR T60，其額定功率為4552 kW。搬遷投產(chǎn)后將大幅緩解所在區(qū)域的用電瓶頸問(wèn)題。且透平機(jī)組采用交換機(jī)組的方式進(jìn)行返廠大修，可以保證設(shè)計(jì)年限內(nèi)機(jī)組運(yùn)行的安全與可靠性。本次使用的透平發(fā)電機(jī)組參數(shù)見(jiàn)表1。

　　1 針對(duì)透平的搬遷與安裝開(kāi)展了以下相關(guān)研究

　　1.1 發(fā)電機(jī)組擺放位置研究

　　由于透平屬于高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備，在常規(guī)項(xiàng)目中設(shè)備布置選取在平臺(tái)的軸間位置，以保證設(shè)備可穩(wěn)定減少對(duì)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)沖擊，更好地保證設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行。由于改造項(xiàng)目的特殊性，需要盡量減少項(xiàng)目改造量，縮短項(xiàng)目周期并控制項(xiàng)目開(kāi)支達(dá)到經(jīng)濟(jì)性的原則，本項(xiàng)目對(duì)新增透平的擺放位置做了專題研究，并對(duì)每個(gè)位置的利弊進(jìn)行論證。最終考慮把透平放置在西南側(cè)舷外，通過(guò)增補(bǔ)甲板放置透平及其附屬設(shè)備。

　　此方案的優(yōu)點(diǎn)：對(duì)平臺(tái)原有系統(tǒng)改造量小，無(wú)需對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行移位等改造，減少停產(chǎn)時(shí)間。頂甲板利于設(shè)備吊裝就位等施工。

　　存在的問(wèn)題：放置在平臺(tái)西南角外側(cè)位置，結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱，無(wú)法做到對(duì)樁基直接的支撐。外延部分易產(chǎn)生震動(dòng)：對(duì)機(jī)組運(yùn)行不利，易造成設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)。因此在設(shè)計(jì)中為了規(guī)避兩個(gè)不利點(diǎn)做了一些特殊設(shè)計(jì)。

　　為了解決外側(cè)位置結(jié)構(gòu)薄弱與振動(dòng)問(wèn)題，對(duì)設(shè)備的就位精度及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有著更高的要求，本項(xiàng)目透平移位后放置于外擴(kuò)甲板處，距離平臺(tái)樁腿較遠(yuǎn)，采用透平發(fā)電機(jī)底座支撐加支撐的方式。并根據(jù)結(jié)構(gòu)形式和透平振動(dòng)進(jìn)行核算，通過(guò)振動(dòng)分析對(duì)結(jié)構(gòu)和透平進(jìn)行校核。通過(guò)對(duì)透平支點(diǎn)下方增加立柱的方式，保證透平運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)與受力能夠更好地向下傳導(dǎo)。圖1中新增甲板結(jié)構(gòu)用紅色桿件表示，綠色桿件為透平支點(diǎn)下方的立柱。除此之外，還對(duì)透平的底座進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，采用FPSO專用三角底座，此底座較常規(guī)底座能夠有效地阻止外界振動(dòng)干擾傳到機(jī)組，也可以對(duì)設(shè)備支撐點(diǎn)產(chǎn)生的不均衡進(jìn)行抵消。

　　1.2 振動(dòng)分析

　　海洋石油平臺(tái)是海洋油氣資源開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)設(shè)施，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、造價(jià)昂貴，且所處環(huán)境惡劣。平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)主要包括兩個(gè)方面：①由于環(huán)境載荷作用，平臺(tái)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng);②平臺(tái)上的各種設(shè)備(如透平發(fā)電機(jī)、壓縮機(jī)、外輸泵、吊機(jī)等)運(yùn)行過(guò)程中引發(fā)平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)。設(shè)備振動(dòng)導(dǎo)致平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)不可小覷，不僅會(huì)對(duì)平臺(tái)工作人員舒適度造成影響，甚至有可能造成平臺(tái)結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞，危及作業(yè)人員安全，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

　　(1)曹妃甸11-6IWP平臺(tái)有限元模型：搜集整理平臺(tái)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，研究設(shè)備振動(dòng)分析方法，采用有限元分析軟件ANSYS，建立曹妃甸11-6IWP平臺(tái)上部組塊有限元模型，包括三層甲板以及各種梁、柱、設(shè)備單元。

　　(2)平臺(tái)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析：首先對(duì)平臺(tái)上部組塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體模態(tài)分析，識(shí)別平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體振動(dòng)特性;然后研究透平發(fā)電機(jī)位置的局部振動(dòng)特性，分析平臺(tái)局部模型振動(dòng)頻率和模態(tài)振型，并對(duì)平臺(tái)組塊結(jié)構(gòu)的頻率儲(chǔ)備進(jìn)行評(píng)價(jià)。

　　(3)平臺(tái)結(jié)構(gòu)局部振動(dòng)分析：針對(duì)透平發(fā)電機(jī)工作特性，建立其運(yùn)行振動(dòng)分析模型，研究透平運(yùn)轉(zhuǎn)下平臺(tái)結(jié)構(gòu)不同位置的響應(yīng)特性，評(píng)價(jià)平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)水平。

　　(4)平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)等級(jí)校核：依據(jù)ISO 6954—2000(E)與ISO2372評(píng)估平臺(tái)結(jié)構(gòu)在透平發(fā)電機(jī)作用下的振動(dòng)等級(jí)，校核平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全性。

　　ANSYS有限元軟件對(duì)曹妃甸IWP平臺(tái)上部新增透平發(fā)電機(jī)進(jìn)行了模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析和瞬態(tài)響應(yīng)分析。得出如下結(jié)論：

　　(1)建立了平臺(tái)的上部組塊有限元模型，對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析，得到上部組塊的整體結(jié)構(gòu)與局部結(jié)構(gòu)的固有頻率和固有振型。從模態(tài)振型圖可知，上部組塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，整體剛度及質(zhì)量分布較為均衡，無(wú)明顯的薄弱部位。

　　(2)對(duì)平臺(tái)局部結(jié)構(gòu)區(qū)域的一階固有頻率儲(chǔ)備系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明符合中國(guó)船級(jí)社《船上振動(dòng)控制指南》2000版的規(guī)定，透平發(fā)電機(jī)的激勵(lì)相對(duì)于平臺(tái)固有頻率屬于高頻激勵(lì)，改造后的IWP平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體與局部結(jié)構(gòu)一階自振頻率均較低，有效避開(kāi)了透平振源的共振區(qū)，且具有較大的頻率儲(chǔ)備。

　　(3)對(duì)平臺(tái)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了諧響應(yīng)分析，得到了透平發(fā)電機(jī)周圍各測(cè)點(diǎn)Z方向位移幅頻響應(yīng)曲線以及發(fā)電機(jī)工作頻率(25 Hz)下局部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力結(jié)果，評(píng)估結(jié)果詳細(xì)描述如下：①當(dāng)外激勵(lì)為0.38 Hz時(shí)局部結(jié)構(gòu)發(fā)生共振，響應(yīng)出現(xiàn)最大峰值;在發(fā)電機(jī)工作頻率25 Hz的激勵(lì)下，結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離共振頻率，位移響應(yīng)很小。②在發(fā)電機(jī)工作頻率(25 Hz)下，局部結(jié)構(gòu)板材最大Von-mises應(yīng)力為4.77 MPa，梁最大Von-mises應(yīng)力為6.02 MPa，立柱最大Von-mises應(yīng)力為7.90 MPa，均遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力，結(jié)構(gòu)安全。

　　(4)對(duì)平臺(tái)上部組塊進(jìn)行了瞬態(tài)響應(yīng)分析，得到了透平位置甲板區(qū)域各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)曲線，基于ISO6954-2000E與ISO2372對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果表明，在透平發(fā)電機(jī)工作時(shí)，設(shè)備基座附近的最大速度響應(yīng)值為1.5 mm/s(小于工作區(qū)域最小值4 mm/s)，最大加速度響應(yīng)值為202 mm/s2(小于286 mm/s2)，振動(dòng)速度和加速度均滿足振動(dòng)規(guī)范要求，且振動(dòng)級(jí)別為A級(jí)，良好。

　　綜上所述，改造后的IWP平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性與振動(dòng)響應(yīng)均能夠滿足新增透平發(fā)電機(jī)的振動(dòng)要求，平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，強(qiáng)度與剛度均滿足要求。

　　1.3 電壓等級(jí)研究

　　本次搬遷的透平電壓等級(jí)為6.3 kV，但搬遷后平臺(tái)的中壓系統(tǒng)為10.5 kV，存在電壓差。由于存在電壓差，故討論兩套方案進(jìn)行方案對(duì)比：

　　(1)發(fā)電機(jī)部分進(jìn)行改造。經(jīng)過(guò)與廠家的溝通，確認(rèn)對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行改造將會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)容量造成20%的折損，且改造費(fèi)用高。

　　(2)利用變壓器改變電壓等級(jí)。通過(guò)在發(fā)電機(jī)下方增加變壓器方式改變電壓，考慮變壓器涌流沖擊，故取消發(fā)電機(jī)與變壓器間的斷路器，做成發(fā)變組方式進(jìn)行供電(圖2)。

　　通過(guò)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比及技術(shù)方案研究，最終確認(rèn)本項(xiàng)目采用發(fā)變組形式。電網(wǎng)接入點(diǎn)選擇及組網(wǎng)后與電網(wǎng)中其他機(jī)組的控制策略。本項(xiàng)目只在原電網(wǎng)中增加一臺(tái)機(jī)組用于電網(wǎng)容量的擴(kuò)充，新增透平發(fā)電機(jī)接入后采用額定功率輸出的方式，原電網(wǎng)供電系統(tǒng)的供電形式不變。在項(xiàng)目新增電站平臺(tái)增加一套優(yōu)先脫扣系統(tǒng)，當(dāng)電網(wǎng)解列或出現(xiàn)機(jī)組故障時(shí)，保證電網(wǎng)能夠平穩(wěn)運(yùn)行。

　　1.4 透平產(chǎn)生的煙氣的影響研究

　　由于CFD11-6WHPD平臺(tái)需要新增一臺(tái)T60燃?xì)馔钙剑撏钙脚艧煖囟容^高(約500 ℃)、煙氣排量較大且排煙管布置距離生活樓以及直升機(jī)甲板非常近。透平機(jī)組所排放的高溫?zé)煔饪赡軙?huì)對(duì)直升機(jī)起降、吊機(jī)操作間和生活樓產(chǎn)生影響。為評(píng)估發(fā)電機(jī)組高溫?zé)煔鈹U(kuò)散的危害及影響，開(kāi)展了透平機(jī)組排煙擴(kuò)散的仿真模擬，從而定量評(píng)估排煙布置的合理性及安全性，分析過(guò)程如圖3所示。

　　平臺(tái)透平機(jī)組功率為6 MW的中型機(jī)組，排煙溫度以及排煙量較大，而且排煙管距離生活樓及直升機(jī)甲板距離較近。根據(jù)總圖布置和機(jī)組廠家資料，透平機(jī)組撬距離吊機(jī)操作區(qū)4 m左右。排煙管設(shè)計(jì)為豎直向上排放，排煙口距離上層甲板約6.5 m，距直升機(jī)甲板約20 m。高溫?zé)煔饪赡軙?huì)導(dǎo)致直升機(jī)起降區(qū)域環(huán)境溫度的升高，考慮到直升機(jī)起降對(duì)直升機(jī)甲板上方一定范圍的溫升有一定的要求，因此需要分析機(jī)組排煙導(dǎo)致環(huán)境溫升對(duì)直升機(jī)起降的影響，同時(shí)考察其對(duì)吊機(jī)操作區(qū)的影響。

　　海洋平臺(tái)高溫排煙的危害分析：電站機(jī)組所排放的高溫?zé)煔庠谕饨绛h(huán)境條件下擴(kuò)散至平臺(tái)范圍內(nèi)，對(duì)平臺(tái)上人員、設(shè)備、生活樓以及直升機(jī)起降造成危害。因此分析高溫?zé)煔獾挠绊懶枰Y(jié)合平臺(tái)總體布置、電站等設(shè)備選型及運(yùn)行工況，考慮風(fēng)頻聯(lián)合分布以及機(jī)組組合運(yùn)行工況等在CFD環(huán)境下分析高溫?zé)煔獾臄U(kuò)散規(guī)律。通過(guò)分析煙氣擴(kuò)散濃度及溫度分布情況來(lái)定量評(píng)估排煙布置的合理性。

　　煙氣擴(kuò)散分析結(jié)論：①煙氣擴(kuò)散模擬表明，風(fēng)向SE、SSE、S為將熱排煙吹向直升機(jī)甲板的主要風(fēng)向。目前工程方案中，直升機(jī)甲板由于溫升導(dǎo)致的年不可用率約為6.64%。②根據(jù)模擬結(jié)果，平臺(tái)的各風(fēng)向、風(fēng)速條件下，直升機(jī)甲板上方由于高溫?zé)煔馑鶎?dǎo)致的溫升均不會(huì)超過(guò)30 ℃。③根據(jù)模擬結(jié)果，對(duì)于平臺(tái)在SE、SSE和S的部分風(fēng)速條件下，直升機(jī)甲板上方30 m以內(nèi)溫升超過(guò)2 ℃低于30 ℃的風(fēng)向和風(fēng)速條件，需要告知直升機(jī)運(yùn)行方，以便采取合理的飛行操作。④由于煙管高于上甲板6.5 m(出口標(biāo)高為EL+35.5 m)，吊機(jī)駕駛室的高度相對(duì)較高，在SW的部分風(fēng)速條件下，煙羽可能提高平臺(tái)南側(cè)吊機(jī)(駕駛室標(biāo)高約為EL+40.0 m)操作區(qū)的操作溫度，年累積影響概率為3.63%，建議操作時(shí)注意相關(guān)影響或采取一定措施。⑤根據(jù)目前的模擬結(jié)果，透平排煙不會(huì)對(duì)透平進(jìn)氣產(chǎn)生影響。

　　2 結(jié)束語(yǔ)

　　透平發(fā)電機(jī)作為海洋石油平臺(tái)主要的發(fā)電設(shè)備，隨著油田產(chǎn)氣量的變動(dòng)與調(diào)整將會(huì)有更多的透平需要搬遷再利用，本項(xiàng)目已投產(chǎn)竣工，目前機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了補(bǔ)充電網(wǎng)容量的預(yù)期效果。未來(lái)應(yīng)依據(jù)海上油田的特點(diǎn)，優(yōu)化資源配置提升設(shè)備利用價(jià)值，促進(jìn)資源利用最大化。

　　參考文獻(xiàn)

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