海上油气田发电机燃料气系统改造研究与实践
  作者:陈湛泓    来源:众智文化论文网     查看:452次 字体:
    摘要:由于海上油气田发电机燃料气系统的工艺流程中未配置缓冲罐,且燃料气管线长度短,管径小,在发电机油气燃料的转换过程中,因燃气波动过大造成发电机关停。本文通过详细分析燃料气系统流程与发电机对燃气的要求,提出发电机燃料气系统改造的方案,在发电机燃料进口管线上增加燃料气缓冲罐,从而提高发电机油气燃料转换的成功率。
  关键词:发电机 燃料气系统 油气燃料转换 燃料气缓冲罐 燃料气压力波动
  某海上气田生产平台使用两台美国索拉(SOLAR)公司生产的金牛座(TAURUS)60型双燃料燃气轮机驱动的主发电机组[1],作为乐东气田的主电站,运行模式为一用一备。该主电站除了为CEP平台提供电负荷之外,还通过海底电缆将电力输送到PRP平台。在发电机组正常运转过程中,使用气田生产的天然气作为燃料;在失去天然气燃料供应时,发电机组将进行燃料切换,使用柴油作为燃料维持运转。改造前发电机组的燃料气系统未配置燃料气缓冲罐(如图1所示),燃气管线长度短,管径小,管线内燃料气容量小。在发电机组切换过程中,两台机组同时运行需要大量天然气,管线内的燃料气量无法满足要求,燃料气压力迅速下降至平台关停设点;在发电机组燃料切换过程中,当燃油阀门开启,燃气阀门关闭时,燃料气压力迅速上涨至平台关停设点,从而导致气田CEP与PRP平台生产中断,造成不必要的产量损失。
  图1
  为了防止发电机组在机组切换过程和燃料切换中燃料气压力波动过大的现象发生,改造前平台操作人员采用的是调整燃料气压力控制阀PID参数的方法。通过调整燃料气压力控制阀的PID参数,改变控制阀开关的灵敏度[2],以满足发电机组用气要求。这种方法虽然可以在机组切换或燃料切换时满足燃料气压力要求,但是切换过后燃料气压力波动需要花很长时间才能稳定,而且人工操作速度慢,精度低,存在很大的风险。当燃料气控制阀参数调整过慢或参数设置错误,控制阀无法准确控制燃料气压力,将会造成平台生产关停。为了防止平台生产关停,作者通过详细分析燃料气系统工艺流程图和发电机组规格参数,提出适合海上平台发电机组使用的一套燃料气系统改造方案,在原有的燃料气系统工艺流程中,增加一套燃料气缓冲罐,增大发电机组燃料气流程上的燃气容量,确保满足发电机组的燃气使用量要求,从而取代调整燃料气压力控制阀PID参数的做法,消除机组切换与燃料切换过程中因燃气量不能满足要求而导致平台生产关停、平台失电的风险,使油气生产更稳定。
  1、燃料气系统设计
  1.1 系统组成
  普通发电机组燃料气系统由燃料气洗涤罐、燃料气加热器、燃料气控制阀和放空阀组成,本次发电机组燃料气系统改造方案的特点是在原有燃料气系统的流程上增加一套燃料气缓冲罐,以增大发电机组燃料气系统工艺流程中的燃气容量,满足机组切换与燃料切换过程中,发电机组所需要的燃气使用量,确保燃料气压力的平稳,消除发电机组关停的风险,避免由此引起气田生产关停而带来的产量损失。燃料气系统设计图(如图2所示):
  图2
  1.2 关键参数
  从燃料气压力调节阀PV-3118A/B到透平发电机入口燃气控制阀的燃料气系统管线为3″双向不锈钢管线,长度为15m,由于这两个调节阀之间的管线容积小,当下游透平燃料气用量发生变化的时候,由于在两个调节阀之间没有足够的缓冲空间,上游的控制阀不能迅速动作,导致两个控制阀之间的压力剧烈波动,在正常运行时,由于发电机负载的变化的影响,燃料气的压力波动值一直在1650KPaG至1850KPaG之间,而在发电机带负载的情况下透平进行油转气或者气转油时,由于燃料气流量比较大,调节阀之间的管线缓冲容积比较小,就会导致压力剧烈波动,从而引起PT-3119的压力低低或者压力高高触发而导致生产关停,无法进行成功的转换。
  在发电机空载时,由于没有负载,发电机的燃料气用量比较小,可以在中控通过提高压力设点来使油气切换成功,将PV-3118A/B设点从1750kPaG调高到1900kPaG,当透平转气时用气量增加,由于设点提高,当压力下降时PV-3118A/B有足够的时间打开,确保了透平燃气进口压力大于PT-3119低低设点,基本可以实现燃料油转气。在透平进行气转油过程中,由于机组燃料转油成功后,机组不再使用燃料气,透平的燃料气调节阀将完全关闭,而上游的压力调节阀PV-3118A/B无法迅速关闭,导致两个调节阀之间的管线压力迅速升高,当PT-3119压力达到2068kPaG时,平台将因燃气进口压力高高导致生产关停。
  发电机组燃料气缓冲罐的关键作用在于增大燃料气调节阀PV-3118A/B到透平燃料气控制阀之间的管线容积,增加管线储气量,降低两个调节阀之间的压力波动,提高发电机组切换与燃料切换过程的可靠性,防止发电机组因燃气压力波动过大等原因导致机组关停。发电机组燃气参数[3]与燃料气缓冲罐参数[4]如下表所示:
  1.3 改进技术可行性论证
  在原有流程基础上并联增加一个缓冲罐,保证现有机组运行正常,不影响施工和调试,在投用缓冲罐时,保证现有流程不变,用柴油启动备用机组,把负载全部转移到备用机组,保证在测试期间平台电力正常,然后逐步缓慢导通燃料气缓冲罐,原有流程继续使用,两个流程都处于投用状态,进行控制阀PID参数调节,进行机组油气切换测试,使压力控制更为平稳。
  2、实施此设计配套的技术要求与步骤
  2.1 设计配套的技术要求
  由于发电机组运转与机组切换对燃料气压力要求非常高,而燃料气管线是一个重要的影响因素,因此,燃料气缓冲罐的安装位置应考虑安全的和与发电机组相邻的地点设置,具体位置可以是燃料气橇块与发电机组之间的空间。同时在放空管线上设置自力式调节阀,确保机组在燃料气/油切换过程中,减少燃料气使用量时,迅速积聚的燃料气能够及时释放,使燃料气压力处于平稳状态。
  为了减少海上平台现场安装工作量,可在陆地制作燃料气缓冲罐罐体,并按相关标准进行强度测试。若罐体制作时间与气田停产时间不匹配,可在气田停产时在燃料气橇块燃气管线上预制接口,并做好隔离,等罐体安装完毕之后,进行不停产接入。在安装燃料气缓冲罐连接管线时,可以先在车间预制完成后移到现场进行安装,以便减少管线使用量和方便连接,同时提前预制也可以减少现场热工作业,降低施工风险。 2.2 实施步骤
  (1)在陆岸场地制作燃料气缓冲罐,并对罐体进行强度测试,检测合格后运送至海上平台;
  (2)利用平台停产检修期间,按照图2进行流程改造,准备好燃料气系统改造所需的材料工具,并在燃料气管线上预留接口;
  (3)利用平台吊车与手拉葫芦将燃料气缓冲罐在甲板面上就位,焊接固定,安装区域消防设备;
  (4)在安装好的罐体上将仪表设备逐个进行安装连接;
  (5)按ASMESectionV标准对对焊焊缝进行100%射线探伤检查,对插焊焊缝进行100%渗透探伤检查;
  (6)根据水压曲线(如图3所示),对现场预制的管线进行水压试验检查;
  (7)对燃料气缓冲罐与管线充入氮气进行惰化,经安全检测合格后,可将其接入燃料气系统;
  (8)所有安装工作结束后对仪表参数进行调节测试,使各参数和系统满足设计要求。
  图3
  3、对本系统的评价
  改造前简单的燃料气系统无法满足透平发电机对压力快速、稳定的需求,透平发电机在负荷波动时燃料气压力波动过大有导致关停的风险;一台透平发电机在运行,需要切换透平发电机时,备用机组若用气启动会导致燃料气压力波动过大使机组关停,这时需要用柴油启动机组,保证负载在用柴油的机组,机组切换及其困难,有关停风险并且消耗大量柴油;透平发电机为双燃料,在紧急情况下不能进行油气切换(燃料气压力波动大导致关停);机组正常运行时,燃料气压力波动最大200kPaG,最小也有80kPaG(如图4所示),导致燃料气控制阀寿命大为缩短。
  燃料气系统改造后消除以上风险,机组正常运行燃料气压力波动在3kPaG以内,机组油气切换时燃料气压力波动在50kPaG以内(如图5所示),具有很大的经济效益,减少平台关停次数(每年至少三次因此原因关停),每次关停损失60万元人民币(透平发电机关停会导致CEP平台和PRP平台同时关停),共计180万元人民币;减少柴油消耗量,每年切换机组12次,每次消耗柴油的费用2.5万元人民币,共计30万人民币;减少透平发电机燃料气控制阀更换次数,每年一次,每个控制阀16万人民币;此次改造累计每年节省费用226万元人民币,目前燃料气压力稳定,机组运行稳定,油气切换平稳,为CEP平台和PRP平台的稳定生产打下坚实基础。
  图4
  图

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