海上设施燃气轮机发电机逆功率分析与处理

2022-08-03贺启昌杜圣道

石油和化工设备 2022年7期

关键词：联轴器燃气轮机剪切

贺启昌，杜圣道

（中海石油（中国）有限公司深圳分公司，广东深圳 518000）

1 T130型燃气轮机发电机工作原理及特点

燃气轮机发电机是海上设施的心脏，为整个设施提供电能，是平台的关键设备之一，是海上设施正常运转的保障！燃气轮机发电机的主体结构一般可分为：燃气轮机机组、减速齿轮箱、联轴器和发电机四个部分，如图1所示。

图1 为某设施燃气轮机发电机组成图

与传统柴油机的奥拓循环相比，燃气轮机机组采用布雷顿循环，具体分为压缩、燃烧、膨胀、排气四个过程，如图2所示。布雷顿循环的四个过程在燃气轮机机组内同时发生，比普通柴油机效率高，具有相同体积情况下输出功率更大等优点。

图2 为燃气轮机机组采用的布雷顿循环与柴油机的奥拓循环

2 燃气轮机发电机逆功率现象

2020年12月某设施现场两台燃气轮机并网带载，总负载为6100KW左右，燃气轮机A 机正常带载运行，有功功率为 3082KW，所有参数正常。在19时43分燃气轮机A 机出现逆功率现象，现场人员立即尝试手动调节机组有功功率，但其有功功率没有任何变化，随后手动断开 A 机发电机断路器，一段时间后燃气轮机自动停机。

众所周知，正常情况下发电机的功率方向应该由发电机流向系统方向。但在某种情况下，如燃气轮机失去原动力，而发电机的开关断路器又未能及时跳闸，发电机将向系统吸收有功功率，即发电机变为电动机运行，称为逆功率。而发电机变为电动机带动燃气轮机旋转，燃气轮机叶片在无动力源情况下高速旋转会引起叶片震动，导致燃气轮机的损坏事故，所以要尽可能避免燃气轮机出现逆功率故障和机组逆功率运行时长。

3 燃气轮机发电机逆功率故障分析

故障出现后，维修人员第一时间现场检测燃气轮机机组状况，经初步检查发现燃气轮机机组本体无明显异常，燃气轮机后润滑正常，控制系统提示低频报警，经查验程序发现当发电机保护装置检测到频率低于48HZ时，将触发20秒倒计时的低频率停机信号。维修人员综合分析燃气轮机停机数据和现象后（如图3所示），认为燃气轮机发电机出现逆功率的原因可能有：1、燃气轮机机联轴器故障；2、燃气轮机机组故障或其他原因导致原动力不足或超速；3、发电机有功功率负荷分配回路故障；4、电力系统异常波动；5、发电机故障；

图3 为燃气轮机机组逆功率时系统记录的数据

3.1 燃气轮机机联轴器故障

维修人员拆除燃气轮机联轴器护罩后，发现联轴器的剪切螺栓已全部断裂，部分螺栓根部和部分垫片有明显的磨损痕迹，每个螺栓的断裂面都非常不规则。初步判断是因为燃气轮机剪切螺栓断裂，导致发电机逆功率，但仍要排查其他原因并查找剪切螺栓断裂的根本原因。

3.2 燃气轮机机组故障或其他原因导致原动力不足或超速

现场对燃气轮机本体进行全面检查，同时对燃气系统的一二次燃气阀进行模拟测试和试压测试，均未见异常。结合燃气轮机逆功率记录的数据可以看出（如图3所示），发电机发生逆功率时燃气轮机转速略有增加，经核实燃料气化验数据得知燃气轮机燃料气各项组分均比较稳定：C1和C2占比68%左右，C3和C4占比12%左右，燃料气加热温度也维持在64℃，均未见异常，如图4所示。所以可以排除燃气轮机动力不足的因素。

图4 为燃气轮机燃料气化验数据

若机组因为超速而导致联轴器螺栓断裂，在超速的同时有功功率应该会增加。然而从燃气轮机系统记录数据中可以发现：燃气轮机转速增加的同时有功功率突变为负值，且断开发电机断路器后燃气轮机转速仍维持在100%转速，所以可以排除燃气轮机超速的因素。

3.3 发电机功率分配模块故障

由于故障时两台机组并网运行，若发电机功率分配模块故障，也可能导致逆功率现象。经检查现场未发现功率分配模块接线异常，同时从燃气轮机内部记录的数据可以看出：在剪切螺栓断裂后有功功率立即转为负值，无功功率增加，说明发电机功率分配模块无异常。另外将该数据发给厂家工程师后，厂家工程师认为功率分配模块无异常。所以可以排除发电机功率分配模块故障的因素。

3.4 电力系统异常波动

经核对现场电力管理系统，当时没有设备启动，整个电力系统负荷维持在6200KW左右。同时经查阅燃气轮机开关柜综合保护装置数据后发现：综合保护装置记录的数据中查到了三次逆功率保护触发计时的记录，持续时间分别为170mS、135 mS和60 mS（与燃气轮机内部数据时间一致），但未达到综合保护装置计时器的1500ms。综合以上情况可以排除电力系统异常波动的因素。

3.5 发电机故障

通过燃气轮机的数据可以看出（如图3所示），发电机的励磁电流和励磁电压在发电机转速维持相对稳定情况下均无异常，且在剪切螺栓断裂后励磁电压随发电机功率变化出现波动，说明发电机的励磁系统无异常。另外测量后发现发电机定子线圈阻值基本相等，说明发电机处于正常状态。

4 剪切螺栓断裂原因核实

经重新对中检查，发现发电机和燃气轮机对中值均满足厂家要求，但发现齿轮箱与发电机联轴器的轴间距为 814.85mm，而厂家提供的机械安装图纸要求其间距为 810.77±0.38mm，两者相差4mm，至此基本锁定燃气轮机发电机逆功率的原因：齿轮箱与发电机联轴器的轴间距偏大，剪切螺栓承受额外应力导致其无法承受预定扭矩而断裂，进而导致发电机失去动力而产生逆功率。随后维修人员按照厂家安装图纸调整齿轮箱与发电机联轴器的轴间距，并对机组重新检查确认后测试未发现异常，且机组运行一年来均未出现此故障。另外现场人员结合实际情况总结了后续如何避免此类故障：1、设施拖航前或其他类似大型作业时应考虑脱开大型机组联轴器，防止因拖航过程中摇摆或结构受力而导致机组位移；2、建议设施工艺流程变化后重新检查大型机组对中情况；3、大型机组应定期检查机组位移情况。