海上平台透平发电机搬迁的技术研究

郝亮

[摘    要]随着海上油气田开采技术不断发展，海上油气田处理工艺及开采产量日益增加，对用电需求不断加大，对海上孤岛电网供电提出更高的挑战。为满足大功率设备的运行与用电安全，需利用大型透平发电机并网供电形式，开展各电压等级机组与高电压等级大型機组的组网技术研究。通过增加各电压等级发电机组与平台现有大容量机组进行组网以补充平台用电缺口，在降低改造工程投资的情况下解决电力缺口问题。

[关键词]海洋石油平台;透平发电机组;搬迁工程设计

[中图分类号]TM31;TE95 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2022）03–00–03

Technical Research on Relocation of Turbine Generator on Offshore Platform

Hao Liang

[Abstract]With the continuous development of offshore oil and gas field production technology， the treatment process and production output of offshore oil and gas fields are increasing， and the demand for electricity is increasing. It poses a higher challenge to the power supply of offshore island power grid. In order to meet the operation and power safety of high-power equipment， the grid connected power supply form of large turbine generator is used. Research on networking technology of various voltage level units and high voltage level large units. The power gap of the platform is supplemented by increasing the networking between the generator units of various voltage levels and the existing high-capacity units of the platform， so as to solve the power gap under the condition of reducing the investment of the reconstruction project.

[Keywords]offshore oil platform; turbine generator set; relocation engineering design

随着海上油气田生产规模不断扩大，电力负荷持续的增加，局部油田区域出现电力短缺的状况。本文以渤海地区某项目为例进行研究，该项目中电站能力已经无法满足供电需求。对比增加柴油发电机故障率与燃料成本高，并出于减排目的，故考虑增加采用燃气发电机，这样既能减少柴油消耗量又能使原本放空的天然气得到充分的利用。

为使闲置资产能够发挥更好作用，故对闲置透平发电机进行搬迁。本次搬迁机组来自渤海某闲置FPSO，该机组为SOLAR T60，其额定功率为4552 kW。搬迁投产后将大幅缓解所在区域的用电瓶颈问题。且透平机组采用交换机组的方式进行返厂大修，可以保证设计年限内机组运行的安全与可靠性。本次使用的透平发电机组参数见表1。

1 针对透平的搬迁与安装开展了以下相关研究

1.1 发电机组摆放位置研究

由于透平属于高速旋转设备，在常规项目中设备布置选取在平台的轴间位置，以保证设备可稳定减少对平台的结构冲击，更好地保证设备的平稳运行。由于改造项目的特殊性，需要尽量减少项目改造量，缩短项目周期并控制项目开支达到经济性的原则，本项目对新增透平的摆放位置做了专题研究，并对每个位置的利弊进行论证。最终考虑把透平放置在西南侧舷外，通过增补甲板放置透平及其附属设备。

此方案的优点：对平台原有系统改造量小，无需对现有设备进行移位等改造，减少停产时间。顶甲板利于设备吊装就位等施工。

存在的问题：放置在平台西南角外侧位置，结构相对薄弱，无法做到对桩基直接的支撑。外延部分易产生震动：对机组运行不利，易造成设备损坏的风险。因此在设计中为了规避两个不利点做了一些特殊设计。

为了解决外侧位置结构薄弱与振动问题，对设备的就位精度及结构强度有着更高的要求，本项目透平移位后放置于外扩甲板处，距离平台桩腿较远，采用透平发电机底座支撑加支撑的方式。并根据结构形式和透平振动进行核算，通过振动分析对结构和透平进行校核。通过对透平支点下方增加立柱的方式，保证透平运转时振动与受力能够更好地向下传导。图1中新增甲板结构用红色杆件表示，绿色杆件为透平支点下方的立柱。除此之外，还对透平的底座进行了特殊设计，采用FPSO专用三角底座，此底座较常规底座能够有效地阻止外界振动干扰传到机组，也可以对设备支撑点产生的不均衡进行抵消。

1.2 振动分析

海洋石油平台是海洋油气资源开发的基础设施，其结构复杂、体积庞大、造价昂贵，且所处环境恶劣。平台结构振动主要包括两个方面：①由于环境载荷作用，平台结构产生振动;②平台上的各种设备（如透平发电机、压缩机、外输泵、吊机等）运行过程中引发平台结构振动。设备振动导致平台结构振动不可小觑，不仅会对平台工作人员舒适度造成影响，甚至有可能造成平台结构发生疲劳破坏，危及作业人员安全，造成重大经济损失。

（1）曹妃甸11-6IWP平台有限元模型：搜集整理平台结构基础数据，研究设备振动分析方法，采用有限元分析软件ANSYS，建立曹妃甸11-6IWP平台上部组块有限元模型，包括三层甲板以及各种梁、柱、设备单元。

（2）平台结构模态分析：首先对平台上部组块结构进行整体模态分析，识别平台结构整体振动特性;然后研究透平发电机位置的局部振动特性，分析平台局部模型振动频率和模态振型，并对平台组块结构的频率储备进行评价。

（3）平台结构局部振动分析：针对透平发电机工作特性，建立其运行振动分析模型，研究透平运转下平台结构不同位置的响应特性，评价平台结构振动水平。

（4）平台结构振动等级校核：依据ISO 6954—2000（E）与ISO2372评估平台结构在透平发电机作用下的振动等级，校核平台结构安全性。

ANSYS有限元软件对曹妃甸IWP平台上部新增透平发电机进行了模态分析、谐响应分析和瞬态响应分析。得出如下结论：

（1）建立了平台的上部组块有限元模型，对平台结构进行了模态分析，得到上部组块的整体结构与局部结构的固有频率和固有振型。从模态振型图可知，上部组块结构设计合理，整体刚度及质量分布较为均衡，无明显的薄弱部位。

（2）对平台局部结构区域的一阶固有频率储备系数进行了计算，结果表明符合中国船级社《船上振动控制指南》2000版的规定，透平发电机的激励相对于平台固有频率属于高频激励，改造后的IWP平台结构整体与局部结构一阶自振频率均较低，有效避开了透平振源的共振区，且具有较大的频率储备。

（3）对平台局部结构进行了谐响应分析，得到了透平发电机周围各测点Z方向位移幅频响应曲线以及发电机工作频率（25 Hz）下局部结构的应力结果，评估结果详细描述如下：①当外激励为0.38 Hz时局部结构发生共振，响应出现最大峰值;在发电机工作频率25 Hz的激励下，结构远离共振频率，位移响应很小。②在发电机工作频率（25 Hz）下，局部结构板材最大Von-mises应力为4.77 MPa，梁最大Von-mises应力为6.02 MPa，立柱最大Von-mises应力为7.90 MPa，均远小于结构许用应力，结构安全。

（4）对平台上部组块进行了瞬态响应分析，得到了透平位置甲板区域各测点的振动响应曲线，基于ISO6954-2000E与ISO2372对计算结果进行评估，结果表明，在透平发电机工作时，设备基座附近的最大速度响应值为1.5 mm/s（小于工作区域最小值4 mm/s），最大加速度响应值为202 mm/s2（小于286 mm/s2），振动速度和加速度均满足振动规范要求，且振动级别为A级，良好。

综上所述，改造后的IWP平台结构振动特性与振动响应均能够满足新增透平发电机的振动要求，平臺结构设计合理，强度与刚度均满足要求。

1.3 电压等级研究

本次搬迁的透平电压等级为6.3 kV，但搬迁后平台的中压系统为10.5 kV，存在电压差。由于存在电压差，故讨论两套方案进行方案对比：

（1）发电机部分进行改造。经过与厂家的沟通，确认对发电机进行改造将会对发电机容量造成20%的折损，且改造费用高。

（2）利用变压器改变电压等级。通过在发电机下方增加变压器方式改变电压，考虑变压器涌流冲击，故取消发电机与变压器间的断路器，做成发变组方式进行供电（图2）。

通过经济性对比及技术方案研究，最终确认本项目采用发变组形式。电网接入点选择及组网后与电网中其他机组的控制策略。本项目只在原电网中增加一台机组用于电网容量的扩充，新增透平发电机接入后采用额定功率输出的方式，原电网供电系统的供电形式不变。在项目新增电站平台增加一套优先脱扣系统，当电网解列或出现机组故障时，保证电网能够平稳运行。

1.4 透平产生的烟气的影响研究

由于CFD11-6WHPD平台需要新增一台T60燃气透平，该透平排烟温度较高（约500 ℃）、烟气排量较大且排烟管布置距离生活楼以及直升机甲板非常近。透平机组所排放的高温烟气可能会对直升机起降、吊机操作间和生活楼产生影响。为评估发电机组高温烟气扩散的危害及影响，开展了透平机组排烟扩散的仿真模拟，从而定量评估排烟布置的合理性及安全性，分析过程如图3所示。

平台透平机组功率为6 MW的中型机组，排烟温度以及排烟量较大，而且排烟管距离生活楼及直升机甲板距离较近。根据总图布置和机组厂家资料，透平机组撬距离吊机操作区4 m左右。排烟管设计为竖直向上排放，排烟口距离上层甲板约6.5 m，距直升机甲板约20 m。高温烟气可能会导致直升机起降区域环境温度的升高，考虑到直升机起降对直升机甲板上方一定范围的温升有一定的要求，因此需要分析机组排烟导致环境温升对直升机起降的影响，同时考察其对吊机操作区的影响。

海洋平台高温排烟的危害分析：电站机组所排放的高温烟气在外界环境条件下扩散至平台范围内，对平台上人员、设备、生活楼以及直升机起降造成危害。因此分析高温烟气的影响需要结合平台总体布置、电站等设备选型及运行工况，考虑风频联合分布以及机组组合运行工况等在CFD环境下分析高温烟气的扩散规律。通过分析烟气扩散浓度及温度分布情况来定量评估排烟布置的合理性。

烟气扩散分析结论：①烟气扩散模拟表明，风向SE、SSE、S为将热排烟吹向直升机甲板的主要风向。目前工程方案中，直升机甲板由于温升导致的年不可用率约为6.64%。②根据模拟结果，平台的各风向、风速条件下，直升机甲板上方由于高温烟气所导致的温升均不会超过30 ℃。③根据模拟结果，对于平台在SE、SSE和S的部分风速条件下，直升机甲板上方30 m以内温升超过2 ℃低于30 ℃的风向和风速条件，需要告知直升机运行方，以便采取合理的飞行操作。④由于烟管高于上甲板6.5 m（出口标高为EL+35.5 m），吊机驾驶室的高度相对较高，在SW的部分风速条件下，烟羽可能提高平台南侧吊机（驾驶室标高约为EL+40.0 m）操作区的操作温度，年累积影响概率为3.63%，建议操作时注意相关影响或采取一定措施。⑤根据目前的模拟结果，透平排烟不会对透平进气产生影响。

2 结束语

透平发电机作为海洋石油平台主要的发电设备，随着油田产气量的变动与调整将会有更多的透平需要搬迁再利用，本项目已投产竣工，目前机组运行稳定，达到了补充电网容量的预期效果。未来应依据海上油田的特点，优化资源配置提升设备利用价值，促进资源利用最大化。

参考文献

[1] 王子堂，胡永明，王晓蕾，等.海上某平台透平发电机振动问题研究与分析[J].石油和化工设备，2021（6）：9-15.

[2] 魏成革，程涛，张秋华.海洋平台大型透平发电机安装工艺方案设计[J].中国造船，2012（1）：101-106.