TITAN130 透平新增VGV 扭力檢測(cè)

鐘凱誠(chéng)，劉瑞奇

（中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300459）

0 引言

透平發(fā)電機(jī)組是海上平臺(tái)動(dòng)力設(shè)施，為平臺(tái)生產(chǎn)和生活提供電力保障。某海上油田使用的透平為SOLAR TITAN130，原動(dòng)機(jī)ISO 工況（環(huán)境溫度15 ℃，大氣壓力101.3 kPa，大氣相對(duì)濕度60%）下額定功率15 MW，配置的發(fā)電機(jī)額定功率為12.5 MW。原機(jī)組壓氣機(jī)的VGV（Variable Guide Vane，可轉(zhuǎn)靜葉片）無(wú)力矩反饋，一旦VGV 發(fā)生卡澀則可能導(dǎo)致可轉(zhuǎn)靜葉片的力臂發(fā)生彎折變形甚至斷裂，嚴(yán)重影響機(jī)組安全運(yùn)行。

利用TITAN130 壓氣機(jī)VGV 電動(dòng)執(zhí)行器預(yù)留的MTR CURRENT 反饋口，通過(guò)敷設(shè)電纜和增加相應(yīng)程序，增加VGV扭力反饋，VGV 啟機(jī)測(cè)試和手動(dòng)測(cè)試功能。當(dāng)程序檢測(cè)到扭力達(dá)到350 lbf（1556.88 N）時(shí)觸發(fā)機(jī)組報(bào)警，達(dá)到500 lbf（2224.11 N）時(shí)觸發(fā)關(guān)斷；機(jī)組啟機(jī)過(guò)程中在盤(pán)車(chē)階段，自動(dòng)開(kāi)關(guān)VGV，并檢測(cè)開(kāi)啟的力矩；停機(jī)狀態(tài)下，可以手動(dòng)測(cè)試VGV是否存在卡滯，方便日常維保。通過(guò)新增VGV 力矩反饋功能和手動(dòng)測(cè)試功能，提高機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。

1 IGV 的作用

透平機(jī)組壓氣機(jī)的作用是將過(guò)濾的空氣進(jìn)行壓縮，用于機(jī)組冷卻和燃燒。TITAN130 機(jī)組壓氣機(jī)為軸流式，壓縮比為17∶1，由IGV（Inlet Guide Vane，進(jìn)口導(dǎo)流葉片）、14 級(jí)靜葉片和14 級(jí)動(dòng)葉片組成，其中14 級(jí)靜葉片由6 級(jí)VGV（Variable Guid Vane，可轉(zhuǎn)靜葉片）和8 級(jí)GV（Guid Vane，不可轉(zhuǎn)靜葉片）組成。

IGV 主要控制機(jī)組進(jìn)氣量，防止機(jī)組喘振，并參與機(jī)組控制：壓氣機(jī)動(dòng)葉片在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中增大氣流速度，靜葉片沿進(jìn)氣方向呈喇叭口狀，壓縮氣流經(jīng)過(guò)時(shí)空間變大、氣流速度降低，壓力增大（圖1）。經(jīng)動(dòng)靜葉片循環(huán)加速、加壓，壓氣機(jī)出口壓力達(dá)到14.0 bar（1.40 MPa）左右，壓縮空氣用于機(jī)組燃燒和冷卻。

圖1 壓氣機(jī)靜葉片和動(dòng)葉片

透平IGV 主要控制進(jìn)氣量，在機(jī)組運(yùn)行中起著關(guān)鍵的控制作用。IGV 控制主要目的有3 個(gè)：一是防止壓氣機(jī)喘振；二是實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度的控制，在燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行在部分負(fù)荷下就要投溫控；三是溫度匹配聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)前，需要對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度進(jìn)行限制，讓排氣溫度與汽輪機(jī)金屬溫度匹配，滿足汽輪機(jī)進(jìn)汽需求[1]。

海上進(jìn)氣鹽分大、濕度高，在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中可能發(fā)生IGV轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)銹蝕和磨損，引起IGV 發(fā)生卡澀，一旦發(fā)生卡澀，IGV 的力臂在電動(dòng)執(zhí)行器扭力作用下發(fā)生彎折變形，導(dǎo)致葉片角度偏差增大。IGV 葉片角度偏差大將影響壓氣機(jī)的進(jìn)氣量，造成不同位置進(jìn)氣量不均勻，有可能導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定、部分壓氣機(jī)葉片應(yīng)力過(guò)大等問(wèn)題，嚴(yán)重威脅燃機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[2]。

2 VGV 增加扭力檢測(cè)方案

通過(guò)查閱壓氣機(jī)VGV 電動(dòng)執(zhí)行器EGV339（品牌為Precision，型號(hào)ACT200）相關(guān)材料，執(zhí)行器接線箱的MTR CURRENT點(diǎn)可以反饋VGV 扭力值（以4～20 mA 信號(hào)輸出）（圖2）。通過(guò)敷設(shè)信號(hào)線從現(xiàn)場(chǎng)VGV 到MCC（Motor Control Center，發(fā)動(dòng)機(jī)控制中心）控制柜，進(jìn)行相關(guān)邏輯和HMI（Human Machine Interface，人機(jī)界面）修改，即可實(shí)現(xiàn)VGV 扭力檢測(cè)顯示、VGV 啟機(jī)測(cè)試和VGV 手動(dòng)測(cè)試功能。

圖2 EGV339 反饋接口至模擬量輸入模塊ZF2085 CH7

首先，敷設(shè)一組信號(hào)線從現(xiàn)場(chǎng)VGV 接線箱的MTR CURRENT 接口（3#、4#接線端子）至MCC 控制柜AI（Analog Input）ZF2085 模塊的通道7（即CH7，包括14#、31#接線端子）。

對(duì)機(jī)組邏輯進(jìn)行修改，首先添加扭力反饋信號(hào)短路和開(kāi)路的報(bào)警信號(hào)組態(tài)。按照索拉TL 8-6-111d 規(guī)則，修改控制邏輯Fuel routine 840 和850，并增加VGV 扭力顯示和啟機(jī)測(cè)試功能（圖3）。設(shè)置VGV 扭力的報(bào)警和關(guān)斷值為350 lbf 和500 lbf，如果程序檢測(cè)到扭力值達(dá)到設(shè)定值，延時(shí)0.5 s，會(huì)觸發(fā)機(jī)組高報(bào)警和關(guān)斷，此時(shí)就需要立即檢查。

圖3 增加VGV 力矩報(bào)警和關(guān)斷值

按照索拉TL 8-6-113b 規(guī)則，修改機(jī)組控制邏輯Fuel routine 850 和HMI routine 580，增加機(jī)組啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行VGV 開(kāi)關(guān)測(cè)試，增加停機(jī)狀態(tài)下的手動(dòng)開(kāi)關(guān)測(cè)試功能（圖4、圖5）。停機(jī)狀態(tài)下，在透平HMI 上位機(jī)上點(diǎn)擊VGV 系統(tǒng)測(cè)試，VGV 開(kāi)度即可從0%升至最大、再降至0%，在此過(guò)程中實(shí)時(shí)顯示開(kāi)啟的扭矩值。

圖4 增加手動(dòng)和啟機(jī)時(shí)VGV 測(cè)試

圖5 HMI 上位機(jī)手動(dòng)測(cè)試界面

最后，對(duì)新增的邏輯進(jìn)行功能測(cè)試，要求：①VGV 啟機(jī)測(cè)試和手動(dòng)測(cè)試功能正常，從0%到最大位置開(kāi)閉正常，扭力顯示正常；②模擬反饋信號(hào)MTR CURRENT 值，觀察是否觸發(fā)報(bào)警和關(guān)斷。

3 效果評(píng)價(jià)

利 用 TITAN130 壓氣機(jī)VGV 電動(dòng)執(zhí)行器預(yù)留的MTR CURRENT 反饋口，通過(guò)敷設(shè)電纜和修改邏輯，即可增加VGV 扭力顯示、VGV 啟機(jī)測(cè)試和手動(dòng)測(cè)試功能。對(duì)于備用機(jī)組，油田利用新增加的手動(dòng)測(cè)試功能進(jìn)行例行測(cè)試和檢查，能夠有效防止VGV 卡澀。通過(guò)此次改造，大大降低了壓氣機(jī)VGV 卡滯，提高了透平機(jī)組整體運(yùn)行穩(wěn)定性。