某天然氣處理終端Titan250 燃氣透平置換技術創新實踐

曾 強 周桂鋒 辛江華

（中海石油深海開發有限公司，廣東 深圳 518000）

索拉透平公司總部位于美國加利福尼亞州圣迭哥市，是卡特彼勒公司的子公司。索拉是全球領先的工業燃氣輪機制造商，目前已有超過15000 余臺套輪機在100多個國家運轉超過25 億小時。索拉產品在全球范圍的石油、天然氣及發電項目的開發中扮演著重要角色。

中海石油某天然氣處理終端選用索拉Titan250 燃氣透平機組，直接驅動筒式壓縮機，為天然氣增壓外輸提供動力。Titan250 是索拉全球范圍內最大機型，其壓氣機16級，透平渦輪4 級，為雙軸燃氣輪機，前兩級渦輪驅動GP軸，后兩級渦輪驅動PT 軸，通過聯軸器直接驅動索拉C611 筒式壓縮機。依據索拉透平維護手冊[1]，燃氣透平每運行30000h 需進行大修置換機芯，以確保機組在下一個大修周期內平穩運行。

1 燃氣透平置換技術

透平是以連續流動的氣體為工質的旋轉熱力機械，是由壓氣機、燃燒室和透平渦輪三大部分及相應輔助系統設備組成的成套動力裝備。其工作原理為一個熱力學循環：進氣- 壓縮- 燃燒- 膨脹- 做功- 排氣。燃氣輪機以空氣為工作介質，壓氣機從外界大氣中吸入空氣，并將空氣進行壓縮，經過壓縮的氣體一部分進入燃燒室，與噴入的燃料相混合，點火燃燒，產生高溫高壓高速的燃氣，具有高溫高壓高速的燃氣進入透平渦輪膨脹做功，使渦輪高速旋轉，并推動壓氣機轉子以及驅動負載一起高速旋轉[2]。

索拉燃氣透平置換技術牢牢掌握在廠家手里，屬于卡脖子關鍵核心技術。索拉公司向客戶提供一臺翻新的燃氣透平機芯用于置換，并將置換下來的舊機芯返回美國拆解，檢查更換壓氣機葉片、動力渦輪、軸承、密封等易損部件。Titan250 全亞洲僅有8 臺，而中海石油某公司在南海東部就擁有其中的5 臺，自2014 年投產以來，還未進行過大修置換，此次置換也是全亞洲首臺Titan250 置換。受疫情影響，原計劃索拉美國廠家無法到現場開展置換工作，只能由生產方組織技術力量開展攻關，攻堅置換難題。

2 透平置換技術難點分析

2.1 置換對中效率低、精準度不夠

透平壓縮機為高速旋轉機械，轉速高達10000rpm，定位尺寸精密，安裝配合精度高，對中工藝要求極高。并且機芯重量超過22 噸，體積龐大，由數千個零部件組成，置換對中作業復雜。索拉公司置換對中使用其具有自主知識產權的對中軟件，但不提供給現場使用，如何保證對中精準度，這是擺在眼前不可逾越的一個難關。傳統對中方法對于超大型機組來說，對中效率低、精準度不夠。

2.2 置換技術要點多，創新要求高

此次置換需要移除的機組附屬系統設備有數百項，涉及機械、電氣、儀表等多個專業領域，步驟復雜、工程量大。譬如進氣蝸殼回裝時，常常由于體積大、剛度不夠，造成前后法蘭面裝配不到位，損壞密封圈、造成蝸殼變形等情況發生。針對置換中遇到的難題，現場對照廠家完工文件，并查閱相關參考文獻[3]，逐個分析討論，開展技術創新，開發軟件，設計工裝，最終一一攻克難題。

3 透平置換技術創新總結

3.1 基于雙表法的對中計算軟件

透平置換對中是保證機組穩定運行的關鍵條件。索拉公司置換對中使用其具有自主知識產權的對中軟件，無法提供給現場使用，這對于現場自主置換來說，是不可逾越的關鍵一環。為突破這一瓶頸，置換團隊從雙表法機械對中原理出發，構建數學模型，推導計算公式，并利用實際對中數據進行試驗校正，最終實現了雙表法中四種模式調整值的精確計算。然后按照計算邏輯，編寫代碼，匯編成軟件，成功完成了基于雙表法的對中計算軟件開發。經過數次對中實踐驗證，軟件計算結果精確有效，打破索拉對中軟件的封鎖。該軟件已經取得了國家計算機軟件著作權，證書編號：軟著登字第8165996 號。

3.1.1 構件數學模型，推導計算公式

雙表法對中是用兩個百分表檢查聯軸器輪轂和端面，并根據百分表數值，判斷機組是否滿足對中標準的機械對中方法。當對中結果不滿足要求時，利用偏差值和標準值進行比對，通過逐步換算和調整，最終達到對中標準。

通過對測得的數值進行計算分析，確定兩軸在空間的相對位置，最后得出調整值和調整方向，達到較為精確的軸對中。根據架表和打表位置的不同，雙表法有四種模式，分別是表架于固定端且表打內孔、表架于固定端且表打外緣、表架于移動端且表打內孔、表架于移動端且表打外緣[4]。這四種模式的計算過程不同，需分別構建數學模型，推導計算公式。

首先，構建對中基準模型：假設標準值Bore（軸向）12點、3 點、6 點、9 點數值分別為A、B、C、D，標準值Face（端面）12 點、3 點、6 點、9 點數值分別為E、F、G、H；實際偏差Bore12 點、3 點、6 點、9 點數值分別為a、b、c、d，實際偏差Face12 點、3 點、6 點、9 點數值分別為e、f、g、h。如圖1 所示。

圖1 對中基準模型

其次，構件機組相對位置模型，移動端外伸量為L1，地腳跨距為L2，固定端端面直徑S，移動端端面直徑為M。如圖2 所示。

圖2 機組相對位置模型

最后，根據數值構建數學模型，按照相似三角形原理，即可推導出四種模式下調整值的計算公式。

3.1.2 設計軟件架構，編寫代碼生成軟件

根據計算公式中所需要用到的數據，按照先后順序，設計六個界面，分別是“開始”、“機器參數設定”、“標準值”、“實際偏差值”、“模式選擇”、“調整值”界面。

軟件界面邏輯及操作流程如下：在“開始”界面，輸入賬號、密碼后，即可進入“機器參數設定”界面；進入“機器參數設定”界面后，輸入移動端外伸量、地腳跨度值，即可進入“標準值”設定界面；進入“標準值”界面后，在對應的空白文本框內輸入標準值，即可進入“實際偏差值”界面；進入“實際偏差值”界面后，在對應的空白文本框內輸入實際偏差值及端面直徑后，即可進入“模式選擇”界面；進入“模式選擇”界面后，根據需要，選擇四種模式中的一種，即可進入“調整值”界面；進入“調整值”界面后，單擊“顯示結果”，將計算出調整值得大小和方向。

每個界面都附有示意圖，方便理解、掌握和參數輸入；每個窗口都設置返回到上一界面的選項，方便修改數據。根據每個界面需要實現的功能，利用編程軟件C#，編寫相應的代碼，然后匯編成軟件。六個界面設計示意圖如圖3 所示。

圖3 六個界面設計示意圖

3.1.3 對中計算軟件試驗與應用

軟件開發完成后，在現場進行試驗和應用。在Titan250 透平置換機組對中過程中，經過數次對中實踐驗證，軟件計算結果精確有效，趨勢良好，經過不到兩天的時間就完成了對中調整作業，取得了良好的效果，打破索拉對中軟件的封鎖。

3.2 一種用于Titan250 進氣蝸殼裝配的可調節定位支撐

法蘭面的配合精度不夠，出現配合間隙超標的情況。

3.2.1.3 蝸殼后法蘭面無法通過密封圈：當后法蘭面變形嚴重時，該法蘭面甚至難以越過密封圈，導致安裝不到位。時常出現前法蘭面已經到位，但后法蘭面尚未穿過密封圈的情況。

3.2.1.4 后法蘭面密封圈損壞：當后法蘭面變形嚴重時，在穿越密封圈時可能會剪切破壞密封圈。

3.2.1.5 進氣蝸殼裝配安裝難度大，需要頻繁調整送入角度才能保證平行穿越密封圈，同時需要頻繁調整后法蘭面，才能保證蝸殼配合精度。進氣蝸殼裝配示意圖如圖4 所示。

圖4 進氣蝸殼裝配示意圖

針對Titan250 進氣蝸殼回裝難題，自主開發一種可調節定位支撐，安裝在進氣蝸殼法蘭面之間，保證兩個法蘭面在安裝時平行推入，防止變形，提高裝配精度和質量，經現場應用，快速完成精準回裝。該實用新型專利已提交技術交底和備案，獲得國家專利局受理通知，專利號：202220370284.3。

3.2.1 Titan250 進氣蝸殼回裝難點

Titan250 進氣蝸殼體積龐大，分為前后兩層法蘭，整體為不銹鋼材質，蝸殼壁厚較薄。其中前法蘭面采用墊片法蘭密封，后法蘭面采用密封圈密封；蝸殼回裝固定時，依托前法蘭面螺栓壓緊。但由于不銹鋼蝸殼整體剛度不夠，在裝配時經常出現如下問題：

3.2.1.1 蝸殼后法蘭面較易變形：蝸殼裝配時，兩個法蘭面之間沒有支撐，前法蘭面為主要受力面，后法蘭面為被動受力面，且后法蘭面裝配一套微凸起的密封圈，導致后法蘭面在推入的過程中容易出現變形和不平衡。

3.2.1.2 蝸殼后法蘭面配合間隙超標：由于后法蘭面在推入過程中出現一定的變形，導致后

3.2.2 可調節定位支撐桿結構介紹

一種用于Titan250 進氣蝸殼裝配的可調節定位支撐，3D 設計及裝配示意圖如圖5 所示。

圖5 可調節定位支撐3D 和裝配示意圖

3.2.2.1 該可調節定位支撐桿由法蘭支撐桿、中間螺桿和連接鋼絲繩構成。整體為可拆卸式，每組支撐長度可調，調節范圍為0-100mm。

3.2.2.2 法蘭支撐桿，共8 套，每套由不銹鋼鋼管、斜拉筋、半月環構成。鋼管一端為空心內螺紋，鋼管另一端與半月環焊接，鋼管腹部與半月環兩端采用斜拉筋焊接。鋼管長度為兩法蘭面間距的2/5；外徑為25mm，內徑為16mm，采用反向螺紋，螺紋深度為支撐桿長度的1/2。每根鋼管腹部1/2 以下10mm 處和20mm 處，開M6 直通孔。半月環直徑為后法蘭直徑，長度為后法蘭周長的1/6。斜拉筋采用8mm 不銹鋼實心桿，腹部焊接位置為支撐桿靠近半月環側的1/3 處，半月環焊接位置為其兩端。

3.2.2.3 中間螺桿，采用16mm 實心不銹鋼桿，長度為兩法蘭面間距的2/5。螺桿中間50mm 為外六方桿，兩端螺紋為反向螺紋；便于調節定位支撐的長度。

3.2.2.4 連接鋼絲繩共2 條，直徑為4mm，總長度為法蘭周長的110%。鋼絲繩一端安裝鎖緊塊，構成死繩端，鋼絲繩另一個安裝可拆卸鎖緊機構。使用時，鋼絲繩穿過每根法蘭支撐桿的M6 直通孔，累計繞成一圈，并在末端鎖緊。鎖緊后的鋼絲繩，可以防止可調節定位支撐松脫。

3.2.2.5 使用時，將一根中間螺桿與兩個法蘭支撐桿連接，構成一套可調節定位支撐。在進氣蝸殼兩個法蘭面之間對稱安裝4 套可調節定位支撐，并使用鋼絲繩繞一圈后拉緊。

3.2.3 可調節定位支撐桿實踐與應用

在進氣蝸殼兩個法蘭面之間，對稱平行安裝四組可調節定位支撐，并將支撐桿之間鋼絲繩拉緊，保證四組支撐相對平行。此時兩個法蘭面保持平行，且有足夠的支撐強度。再按照正常流程裝配進氣蝸殼，可實現一次性精確安裝。

該可調節定位支撐在Titan250 進氣蝸殼回裝時，經現場應用，保證了進氣蝸殼的剛度，提高進氣蝸殼的裝配精度和質量，有效避免損壞密封膠圈，防止進氣蝸殼變形，簡化了裝配流程，提高裝配效率，取得了較好的實踐效果。

4 結論

本文闡述了中海石油某天然氣處理終端對索拉Titan250 機組開展透平置換攻堅，突破技術封鎖，開展技術創新，最后研究形成專利技術成果。此次置換是全國范圍內的首次Titan250 置換，積累了大量的置換經驗，創新工作方式，獲得了“基于雙表法的對中計算軟件”和“一種用于Titan250 進氣蝸殼裝配的可調節定位支撐”兩個技術創新總結，為索拉其他型號燃氣透平機組置換提供了技術參考。