工业燃气轮机润滑油冷却器改造与应用

针对燃气轮机夏季运行期间润滑油温度高，造成设备运行稳定性低，甚至出现因润滑油温度高高产生关断的问题。发动机润滑油长期运行在高温状态，不仅容易造成润滑油容易变质、影响设备使用寿命，甚至影响海上油气田生产，根据润滑油系统，结合海上油气生产环境实际情况，重新进行热量计算，在投入成本最小，改造最简便的前提下对润滑油冷却器进行改造。

[关键词]燃气轮机；翅片管散热器；轴流风机

Modification of lubricating oil cooler for gas turbine engine

Guo Yuande MiaoCanJun Liu Xinwei Liu Bo

（CNOOC （China） Ltd.TianjinBranch；Tianjin；300452）

[Abstract]In view of the high temperature of lubricating oil in the gas turbine during the summer operation， the stability of equipment operation is low， and even the problem of the high temperature of the lubricating oil is produced. Engine lubricating oil in the condition of high temperature in the long run， not only likely to cause lubricating oil is easy to metamorphism， affect the equipment service life， and even affect the production of offshore oil and gas fields， in accordance with the lubrication oil system， combined with the actual situation of the offshore oil and gas production environment， RE heat calculation， investment cost minimum， transformation of the simple premise of lubricating oil cooler transformation.

[Key words]gas turbine finned tube radiator axial flow fan

中图分类号：TU313 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）42-0069-02

前言

燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。燃气轮机是油气生产企业的重要设备，主要为发电机、压缩机、各种泵类提供原动力。燃气轮机能否稳定、可靠运行均与设备最初设计息息相关。某海上石油生产平台使用3台进口燃气轮机，因燃气轮机安装在顶层甲板，进入夏季生产以后润滑油散热器在太阳直射，甲板烘烤的作用下，散热效果一直很差。针对此问题，对往散热器效果差原因进行了分析，并提出可行性解决方案。

1 现场情况

1.1 设备润滑原理

润滑油系统主要是通过一台直流备用泵、一台预/后润滑油油泵、一台主泵、一台润滑油冷却器、一台温控阀、一套双联过滤器为燃气轮机、齿轮箱和发电机提供润滑油。在设备正常运行的情况下主泵为整个润滑系统提供润滑油，在设备初期启动或冷却停机过程中由预/后润滑油泵提供润滑油，在预/后润滑油泵故障或机组其他故障的情况下后备泵运行。润滑油系统的热量通过风冷紫铜翅片管散热器传递到周围环境中。温控阀通过控制冷却前后润滑油的掺混比例，为设备提供温度较恒定的润滑油（图1）。

1.2 设备运行过程中存在的问题：

海上石油生产平台甲板面积受限，只能安装顶甲板上。三台燃气轮机并排安装，自南向北燃气轮机一字排开。受平台面积限制，燃气轮机东侧距生活楼1.3米，散热器安装位置高出燃气轮机大约4.5米左右。滑油冷却器受到阳光直射（夏季高温季节，环境温度达45度左右。）和火炬热辐射，环境温度比周围至少高出10℃左右，燃气轮机北侧40米左右设有高空放空火炬。受以上因素影响燃气轮机设备稳定运行。

设备设计初期没有充分考虑到设备润滑油散热问题，造成设备在夏季需要通过外媒冷却方式才能稳定运行。

设备原配散热器的风扇和电机是通过皮带传动，在高温环境下运行，皮带的使用寿命降低，发生张紧力不足的现象。冷却风扇在张紧力不足的情况下运行就会出现风扇丢转的情况，造成散热器散热效率下降。

2、润滑油温度高原因分析

造成散热器出口滑油温度高的原因多种多样，综合分析有以下几方面：

*散热器翅片脏堵、积灰等造成通过翅片风量减小或热阻增加，引起散热器效率降低。

*环境温度高，环境温度与被散热介质温差小。

*设计、選型中使用的散热风扇风量小，不能满足散热器要求。

*温度传感器故障，不能显示准确数据。

2.1散热器脏堵

平台检修人员每月定期对设备进行维护，使用高压水对散热器翅片进行清洗，检查风扇皮带张紧力。根据每月维护情况判断，冷却器脏堵并非主要原因。

2.2环境温度高

环境温度高是设备运行过程中确实存在的问题。在项目设计阶段

2.3冷却器散热量设计偏小endprint

2.3.1原设计风机实际风量18150CFM（1CFM=28.3185L/MIN）约合30838m3/h。

2.3.2设计风机进风温度（摄氏度）35°C，设计风机出风温度62.5°C。

2.3.3原设计标准状态下空气的换热量：通过公式Q=Δt*m*C（C：比热容；m：质量；Δt：温度差；）Q=30838*1.1389*（62.5-35）*1.0073=972889.07KJ（空气密度、比热容均取36.85℃时数据。）。

2.3.4滑油冷却器实际流量为169L/MIN。

2.3.5冷却器入口润滑油温度为82℃，预计冷却后润滑油温度为65℃，润滑油比热容为2.047KJ/kg，密度为861Kg/m3。

2.3.6散热需求量为：Q=169*60*861*2.047*（82-65）/1000=303814.061KJ

2.3.7因此，如果环境温度在35°C左右，风机的理论换热量是可以满足燃气轮机润滑冷却的换热量。

2.3.8通过以上两组数据对比分析可以看出，燃气轮机冷却换热量为272KW，燃氣轮机润滑油冷却前温度80°C，冷却后温度65°C，由于夏季高温季节，环境温度上升到45°C左右，还需保证燃气轮机润滑油冷却后温度降到65°C，在燃气轮机冷却系统总的换热量不变，换热器的温度对环境的温度平均温差减少，传热系数变小，因此只能加大换热器的风量，按环境温度45°C计算风量，风机出风温度按（摄氏度）62.5°C计算，总的换热量按照272*1.05=285.6K计算，则需要的风量=285.6*3600/1.2*（62.5-45）=48960m3/h。由于换热器换热面积不变，增加5%余量，因此风机风量=48960*1.05=51408m3/h。

2.4 温度传感器故障

现场技术人员多次使用温度校验仪，通过五点标定法对温度传感器进行标定，未发现温度传感器故障。

3 解决方案

根据滑油冷却器工作现况和燃气轮机运行对滑油冷却器的需求，经过计算，通过平台技术人员对滑油温度高原因逐项排查，对其它相关设施不会产生影响的情况下，确定对滑油冷却器改造，方案如下：

3.1在滑油冷却器上部安装一台船用防爆轴流风机，经过对滑油冷却器散热量计算和风机产品样册，确定风机风量为52000m？/h，电机功率11KW。

3.2拆除滑油冷却器原配风机，去除原冷却风扇、风扇电机。

3.3为确保燃气轮机的控制逻辑不变，保证新风机安全运转，电源线由原来3x2.5mm2更换为3x6mm2船用阻燃电缆及与11KW风机相匹配的电源开关、交流接触器、热继电器。

3.4新增加轴流风机采用独立支撑，风机排风口加装防护网。滑油冷却器上方加装天圆地方连接器，天圆地方连接器和风机用篷布软连接（如图2），确保滑油热量最大量被冷风带走。

3.5定期清除散热器翅片表面积垢，避免油管表面附有积垢，降低散热效率，保持散热高效稳定。

4、方案优点

4.1 改造方法简单，没有对机组整体结构做过多改造，容易实现。

4.2 需要改造范围小，没有改变设备厂家原有的设计理念，保证设备运行的稳定性。

5、改造后的效果

经过近一年时间设备运行工况观察，判定设备改造非常成功。润滑油冷却风扇换型以后，润滑油温度得到明显控制，在夏季最炎热的时间段内润滑油温度也没有到达62℃，单台设备运行参数对比图如图3，图4。

设备运行期间，润滑油温度控制在57-62℃窄幅范围内波动，不仅可以延长润滑油使用寿命，更为燃气轮机安全、稳定运行提供了必要条件。

参考文献

[1] 华中工学院.汽轮机[M].北京：电力工业出版社，1980：263～278.

[2] 李维特，黄保海.汽轮机变工况热力计算[M].北京：中国电力出版社，2001.

[3] 吴秀兰，汽轮机设备及系统[M].北京：中国电力出版社，2006.158-171.