汽輪機(jī)停機(jī)故障分析

劉康寧（杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，浙江 杭州 310018）

汽輪機(jī)停機(jī)故障分析

劉康寧（杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，浙江 杭州 310018）

某電廠超速限制OPC動(dòng)作時(shí)，安全油壓力開關(guān)復(fù)位導(dǎo)致停機(jī)。調(diào)節(jié)閥漏汽，LVDT工作溫度過高，線圈短路，油動(dòng)機(jī)失控導(dǎo)致停機(jī)。本文提出了設(shè)計(jì)改進(jìn)建議。

汽輪機(jī)；DEH；OPC；控制系統(tǒng)

1 項(xiàng)目概述

某企業(yè)自備電廠新建兩臺(tái)65MW發(fā)電機(jī)組帶企業(yè)自身負(fù)荷孤網(wǎng)運(yùn)行。DEH的液壓系統(tǒng)為高壓抗燃油系統(tǒng)，配有：1個(gè)連續(xù)控制型油動(dòng)機(jī)，通過操縱機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)4個(gè)調(diào)節(jié)閥；2個(gè)兩位控制型油動(dòng)機(jī)，通過操縱座驅(qū)動(dòng)2個(gè)主汽閥；1套高壓遮斷電磁閥組。配汽機(jī)構(gòu)為小型汽輪機(jī)常見的提板式結(jié)構(gòu)。調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)通過三角杠桿驅(qū)動(dòng)提板上下運(yùn)動(dòng)。三角杠桿處配有復(fù)位彈簧。提板上懸掛了4個(gè)調(diào)節(jié)閥。如圖1所示。

機(jī)組正常運(yùn)行期間，調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)上的快關(guān)電磁閥失電，高壓遮斷電磁閥帶電。透平油系統(tǒng)的危急遮斷滑閥處于上止點(diǎn)，在低壓安全油壓作用下，薄膜接口閥關(guān)閉。壓力油通過主汽閥、調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)上的節(jié)流孔進(jìn)入高壓安全油路，高壓安全油路上的3個(gè)壓力開關(guān)動(dòng)作，表示安全油壓已建立。在高壓安全油壓作用下，液控單向閥保持打開狀態(tài)，卸荷閥保持關(guān)閉狀態(tài)。

圖1 在提板上懸掛3個(gè)調(diào)節(jié)閥

伺服閥的B口與壓力油接通時(shí)，油動(dòng)機(jī)向開門方向運(yùn)動(dòng)。伺服閥的B口與回油接通時(shí)，油動(dòng)機(jī)向關(guān)門方向運(yùn)動(dòng)。B口開度越大，運(yùn)動(dòng)速度越快。伺服閥的B口關(guān)閉時(shí)，油動(dòng)機(jī)保持原位置不動(dòng)。伺服模塊比較閥位給定與LVDT油動(dòng)機(jī)行程，差值放大后調(diào)整伺服B口開度，構(gòu)成位置隨動(dòng)系統(tǒng)，使油動(dòng)機(jī)行程跟隨閥位給定變化。

OPC動(dòng)作時(shí)，調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)上的快關(guān)電磁閥帶電，卸荷閥打開，壓力油進(jìn)入活塞下腔，驅(qū)動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)，快速關(guān)閉調(diào)節(jié)閥。如圖2所示。

DEH控制系統(tǒng)采用和利時(shí)的DEH/DCS一體化解決方案，系統(tǒng)軟件為MACSV5版本，硬件為SM系列模塊。如圖3所示。

伺服模塊將閥位給定電壓與由LVDT調(diào)制解調(diào)來的油動(dòng)機(jī)行程反饋電壓之差放大后，調(diào)整伺服閥油口開度，使油動(dòng)機(jī)行程跟隨閥位給定信號(hào)變化，通過杠桿配汽機(jī)構(gòu)改變調(diào)節(jié)閥開度，從而改變汽輪機(jī)的進(jìn)汽量。

圖2 調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)原理圖

圖3 DEH硬件系統(tǒng)示意圖

采用6線制LVDT。初級(jí)線圈加入1.7kHz/3.5VAC左右的正弦波激勵(lì)電壓，根據(jù)2個(gè)次級(jí)線圈感應(yīng)電壓的差值，得到油動(dòng)機(jī)行程信號(hào)。差值為0時(shí)對應(yīng)油動(dòng)機(jī)在50%中間位置。差值為正時(shí)表示行程大于50%，為負(fù)時(shí)表示行程小于50%。

伺服模塊具有LVDT斷線檢測功能。若檢測到某支LVDT線圈斷線，自動(dòng)將對應(yīng)LVDT反饋電壓改為最高（大于油動(dòng)機(jī)全開電壓）。兩支LVDT調(diào)制解調(diào)后的電壓小選后作為反饋電壓。若2支LVDT均發(fā)生斷線故障，伺服控制回路可將調(diào)節(jié)閥全關(guān)，保證機(jī)組安全。

在機(jī)組調(diào)試階段發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)閥行程大于9%期間，若調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)上的OPC電磁閥動(dòng)作，不僅調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)會(huì)迅速關(guān)閉，還會(huì)導(dǎo)致主汽閥油動(dòng)機(jī)關(guān)閉，機(jī)組打閘停機(jī)故障。檢查分析為OPC電磁閥動(dòng)作時(shí)，系統(tǒng)壓力油、高壓安全油會(huì)瞬間降低，致使安全油壓力開關(guān)復(fù)位，DEH輸出打閘指令，主汽門全關(guān)。由于時(shí)間緊，未對液壓系統(tǒng)問題作處理。

機(jī)組運(yùn)行僅1個(gè)月后因油開關(guān)跳閘、103%超速OPC動(dòng)作發(fā)生過停機(jī)故障。后來因汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥汽柜法蘭面漏汽，致LVDT傳感器溫度過高短路損壞，多次發(fā)生停機(jī)故障。

2 故障情況分析

下面針對3次故障情況進(jìn)行分析。

（1）1月22日7:38分跳閘故障

7:38分故障前，電網(wǎng)負(fù)荷（功率）逐漸增加，調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)在一次調(diào)頻作用下逐漸開大，主汽流量隨之逐漸增加，主汽壓力略有下降，以維持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速最低降到2988r/min。在7:38:10時(shí)，電網(wǎng)負(fù)荷突然減少，轉(zhuǎn)速迅速升高。在一次調(diào)頻作用下，閥位給定、調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)行程也迅速減小。但由于一次調(diào)頻限幅為3000±30r/min，轉(zhuǎn)速超過3030后，閥位給定、調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)行程不再隨轉(zhuǎn)速升高而減小。轉(zhuǎn)速很快飛升到3092r/min，103%超速OPC動(dòng)作，調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)迅速關(guān)閉。由于耗油量太大，使EH油壓、安全油壓瞬間降低，安全油壓力開關(guān)復(fù)位，安全油壓建立信號(hào)消失，DEH輸出打閘信號(hào)，AST電磁閥失電，安全油壓降低，主汽門關(guān)閉。如圖4所示。

圖4 第一次故障情況分析圖

（2）2015年1月30日5:24:22發(fā)生打閘停機(jī)事故

機(jī)組單機(jī)帶著22.6MW負(fù)荷，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在3006r/min。在5:24:20時(shí)，油開關(guān)跳閘，OPC電磁閥動(dòng)作，調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)迅速關(guān)閉。由于耗油量太大，使EH油壓、安全油壓瞬間降低，安全油壓力開關(guān)復(fù)位，安全油壓建立信號(hào)消失，DEH輸出打閘信號(hào)，AST電磁閥失電，安全油壓降低。轉(zhuǎn)速最高升到3049r/min。OPC變量“T1DOCVIVOFF”置1持續(xù)了10s，為DEH打閘開出動(dòng)作所致。如圖5所示。

圖5 第二次故障分析圖

（3）2015年3月2日6:24分跳閘故障

機(jī)組單機(jī)帶29MW負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行。在6:22:05后，油動(dòng)機(jī)行程信號(hào)從60%突然增大到78%，機(jī)組轉(zhuǎn)速、功率隨之降低（29.2MW降到18.2MW），主汽壓力隨之升高。如圖6所示。進(jìn)一步分析判斷為LVDT傳感器因高溫導(dǎo)致次級(jí)線圈匝間短路，使指示閥位信號(hào)突然增大，伺服控制反饋回路的調(diào)節(jié)作用導(dǎo)致關(guān)小調(diào)節(jié)閥開度。

圖6 第三次故障分析圖

總閥位給定在一次調(diào)頻的作用下，隨著轉(zhuǎn)速降低迅速增大。一次調(diào)頻給定值最大到15限幅后失去了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用。操作員根據(jù)轉(zhuǎn)速變化情況操作閥位快速增減按鈕，改變目標(biāo)閥位，試圖將轉(zhuǎn)速穩(wěn)住。到6:23:56前，功率較穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速波動(dòng)已明顯減弱。在6:23:57時(shí)，油動(dòng)機(jī)行程信號(hào)從76.9%突然降低到50%，轉(zhuǎn)速、功率突增（18.5MW上升到20.4MW），主汽壓力突降。

進(jìn)一步分析判斷為LVDT傳感器因高溫導(dǎo)致另一次級(jí)線圈也發(fā)生匝間短路，使指示閥位信號(hào)突然減小，伺服控制反饋回路的調(diào)節(jié)作用導(dǎo)致開大調(diào)節(jié)閥開度。轉(zhuǎn)速最高值顯示為3102r/min，103%超速OPC動(dòng)作。調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)迅速關(guān)閉。由于耗油量太大，使EH油壓、安全油壓瞬間降低，安全油壓開關(guān)復(fù)位，安全油壓建立信號(hào)消失，DEH輸出打閘信號(hào)，AST電磁閥失電，安全油壓降低。

剛打閘時(shí)，機(jī)組還帶著負(fù)荷（功率不為0，10～0MW），轉(zhuǎn)速迅速下降。EH油壓逐漸降低。持續(xù)40s逆功率（-18.7MW）后，油開關(guān)斷開，功率顯示變?yōu)?。

3 主要問題歸納

3.1 汽輪機(jī)本體方面

（1）調(diào)節(jié)閥汽柜法蘭面漏汽

機(jī)組運(yùn)行僅1個(gè)月后，調(diào)節(jié)閥汽柜法蘭面就開始出現(xiàn)漏汽。運(yùn)行3個(gè)期間漏汽逐漸增大。由于調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)距離很近，LVDT傳感器工作溫度超過規(guī)定范圍（-25℃～120℃），導(dǎo)致內(nèi)部線圈絕緣破壞，造成匝間短路故障。LVDT反饋電壓突變，使調(diào)節(jié)閥突然關(guān)小，后又突然開大，無法保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）油動(dòng)機(jī)環(huán)境溫度高

油動(dòng)機(jī)安裝在汽缸上。由于金屬熱傳導(dǎo)、熱輻射的作用，油缸及油液溫度較高。影響密封件及抗燃油的使用壽命。

3.2 液壓系統(tǒng)方面

調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)快關(guān)耗油太大

在調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)行程大于9%的條件下，快關(guān)電磁閥動(dòng)作時(shí)，壓力油充入活塞下腔，油動(dòng)機(jī)迅速關(guān)閉。蓄能器不能及時(shí)補(bǔ)充油動(dòng)機(jī)的大量耗油，壓力油、安全油瞬間下跌。導(dǎo)致3個(gè)安全油壓力開關(guān)瞬間復(fù)位，而打閘停機(jī)。

3.3 DEH系統(tǒng)方面

（1）一次調(diào)頻限幅

轉(zhuǎn)速在3000±30r/min范圍內(nèi)變化時(shí)，一次調(diào)頻給定值才跟隨轉(zhuǎn)速變化。轉(zhuǎn)速超出此范圍時(shí)，一次調(diào)頻給定值被限幅而保持不變，機(jī)組即失去了轉(zhuǎn)速反饋?zhàn)饔?，?dǎo)致機(jī)組轉(zhuǎn)速超過103%OPC動(dòng)作。

（2）103%超速OPC動(dòng)作停機(jī)

正常的103%超速OPC功能為：103%超速OPC動(dòng)作時(shí)，OPC電磁閥帶電調(diào)節(jié)閥迅速關(guān)閉，以抑制轉(zhuǎn)速超調(diào)量。當(dāng)轉(zhuǎn)速降低103%超速OPC復(fù)位后，OPC電磁閥失電油動(dòng)機(jī)交回調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制。若油開關(guān)已斷開，則由轉(zhuǎn)速PID控制調(diào)節(jié)閥，最終穩(wěn)定在3000r/min。若油開關(guān)為閉合狀態(tài)，則DEH進(jìn)入閥控方式，在目標(biāo)閥位及一次調(diào)頻作用下控制調(diào)節(jié)閥開度，使轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定。

103%超速OPC動(dòng)作后就打閘停機(jī)了，原因?yàn)椋赫{(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)快關(guān)時(shí)耗油量大→EH油壓瞬間降低→安全油壓力開關(guān)瞬間復(fù)位→安全油壓建立信號(hào)瞬間消失→DEH打閘開出→AST電磁閥失電→安全油壓降低→安全油壓力開關(guān)復(fù)位→安全油壓建立信號(hào)消失→機(jī)組已跳閘。

4 改進(jìn)建議

4.1 汽輪機(jī)本體方面

（1）調(diào)節(jié)閥汽柜法蘭面漏汽

汽機(jī)專業(yè)采取必要措施（如增加法蘭面螺栓緊力）杜絕漏汽。

今后改進(jìn)設(shè)計(jì)，增大法蘭面密封長度。

（2）油動(dòng)機(jī)環(huán)境溫度高

汽機(jī)專業(yè)采取必要措施（如在油動(dòng)機(jī)安裝底座上增加水套）降低油缸及油液溫度工作溫度。

今后改進(jìn)設(shè)計(jì)，將油動(dòng)機(jī)安裝在前箱蓋上，遠(yuǎn)離高溫部件。

4.2 液壓系統(tǒng)方面

調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)快關(guān)耗油太大

在調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)壓力油管路上增加節(jié)流閥，降低油動(dòng)機(jī)關(guān)閉速度。將油動(dòng)機(jī)關(guān)閉時(shí)間控制在0.5s以內(nèi)，既保證機(jī)組安全，又避免打壞調(diào)節(jié)閥。同時(shí)避免3個(gè)安全油壓力開關(guān)瞬間復(fù)位。

將高壓安全油壓開關(guān)復(fù)位油壓由6MPa改為2～3MPa（保證低壓遮斷動(dòng)作時(shí)的油壓低于此值）。避免OPC快關(guān)動(dòng)作時(shí)，此壓力開關(guān)復(fù)位。

今后改進(jìn)設(shè)計(jì)，由于操作機(jī)構(gòu)已設(shè)有復(fù)位彈簧，調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)可改為液壓開啟、彈簧關(guān)閉型。即上腔通入壓力油時(shí)，克服彈簧力，開啟調(diào)節(jié)閥。上腔接通回油時(shí)，在彈簧力作用下，調(diào)節(jié)閥迅速關(guān)閉。下腔始終接回油。

4.3 DEH系統(tǒng)方面

（1）一次調(diào)頻限幅

取消一次調(diào)頻的限幅作用。轉(zhuǎn)速過高或過低時(shí)，在一次調(diào)頻作用下可使油動(dòng)機(jī)行程達(dá)到全關(guān)或全開。

考慮到鍋爐出力變化比汽輪機(jī)的需求慢得多，在大電網(wǎng)中運(yùn)行的機(jī)組通常采用限制一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)量，來減小對鍋爐的擾動(dòng)。限幅通常設(shè)為開門方向15r/min，關(guān)門方向不限制（保證汽輪機(jī)安全）。

在孤網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境下，需要隨時(shí)保證發(fā)電功率與用電負(fù)荷平衡，以維持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。通過一次調(diào)頻作用，自動(dòng)調(diào)整調(diào)節(jié)閥開度，以達(dá)到上述目的。考慮到鍋爐的蓄能有限，調(diào)節(jié)閥開度增大后，主汽壓力會(huì)逐漸降低，應(yīng)及時(shí)增加鍋爐的燃料。若主汽壓力下降過大，可設(shè)法甩掉部分負(fù)荷。

功率負(fù)荷不平衡量過大時(shí)，可以通過低周減載、高周切機(jī)、適時(shí)投入水電阻等措施，及時(shí)縮小功率負(fù)荷不平衡量。然后利用一次調(diào)頻作用使功率負(fù)荷達(dá)到平衡，轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定。利用二次調(diào)頻作用或手操增減目標(biāo)閥位，使轉(zhuǎn)速維持在3000r/min附近。

（2）103%超速OPC動(dòng)作停機(jī)

修改與安全油壓開關(guān)開入變量“T1DMLPTRST”相關(guān)邏輯，使安全油壓力開關(guān)瞬間復(fù)位不對DEH控制系統(tǒng)造成影響。

· 機(jī)組已掛閘、已跳閘邏輯

增加在已掛閘“T1DMTURESET”邏輯中的TON延遲時(shí)間，由1s改為5s。以避開OPC動(dòng)作時(shí)，安全油下跌時(shí)間。

將已跳閘“T1DOTURTRIP”邏輯中的“T1DMLPTRST”變量，改為已掛閘“T1DMTURESET”。避開“T1DMLPTRST”變量誤動(dòng)影響。

· DEH打閘邏輯

將打閘邏輯“T 1 D O T R I P T U R”中打閘條件“T1DMLPTRST”變量改為已掛閘“T1DMTURESET”?！癟1DMLPTRST”變量為0表示安全油壓已消失，可用來作為SOE記錄，以區(qū)分是DEH打的閘，還是外部打的閘。

News[ 新聞 ]

南車電機(jī)公司成功研制高速永磁變頻電機(jī)系統(tǒng)

2015年4月28日，具有國際先進(jìn)水平的高速永磁變頻電機(jī)系統(tǒng)在南車株洲電機(jī)有限公司成功下線，將為某企業(yè)最新研制的水蒸氣壓縮機(jī)提供尖端動(dòng)力。其與傳統(tǒng)的三相異步電機(jī)配套增速箱系統(tǒng)相比，能源利用效率提升約15%，這標(biāo)志著南車電機(jī)已經(jīng)全面掌握高速永磁變頻電機(jī)系統(tǒng)核心技術(shù)，為我國流體機(jī)械實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保提供了先進(jìn)的動(dòng)力系統(tǒng)解決方案。

據(jù)南車電機(jī)技術(shù)中心永磁電機(jī)研發(fā)部經(jīng)理晏才松介紹，該電機(jī)額定功率165kW，額定轉(zhuǎn)速18000轉(zhuǎn)/分，從啟動(dòng)加速至額定轉(zhuǎn)速僅需9秒，整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)性能優(yōu)異，運(yùn)行平穩(wěn)，噪聲低，振動(dòng)小，全生命周期成本低。此次研制成功的高速永磁變頻電機(jī)系統(tǒng)包括電機(jī)、變頻器與高速滑動(dòng)軸承等。

整套系統(tǒng)采用高速永磁同步變頻調(diào)速技術(shù)，電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)行，與傳統(tǒng)的三相異步電機(jī)通過齒輪箱增速再驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)相比，省去了增速齒輪箱，從而消除了齒輪箱所導(dǎo)致的功率損失、噪聲和振動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)簡單，大大降低了動(dòng)力系統(tǒng)的體積，節(jié)約了機(jī)器安裝的空間以及后期維護(hù)的工作量與使用成本。由于電機(jī)轉(zhuǎn)速的提升，高速永磁電機(jī)與同等功率三相異步電機(jī)相比，體積大大縮小，重量降低，材料消耗降低，驅(qū)動(dòng)運(yùn)行的壓縮機(jī)體積也變小，成本降低，從而使得整套蒸汽壓縮機(jī)整機(jī)具有高效率、高可靠性、高功率密度的優(yōu)點(diǎn)。

南車電機(jī)作為中國軌道交通牽引動(dòng)力的領(lǐng)跑者，2013年自主研制的中國首臺(tái)高速動(dòng)車組用TQ-600型永磁同步牽引電機(jī)，在運(yùn)行考核中性能優(yōu)異。此次高速永磁變頻電機(jī)系統(tǒng)研制成功，彰顯了南車電機(jī)在永磁電機(jī)研制技術(shù)、制造工藝、試驗(yàn)?zāi)芰Φ膰H先進(jìn)水平。因?yàn)槌叩男詢r(jià)比與優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，目前已有20余家國內(nèi)外高速流體機(jī)械知名企業(yè)與南車電機(jī)開展技術(shù)合作，形成了50kW至1200kW的產(chǎn)品型譜系列。隨著各款高速永磁電機(jī)的研發(fā)成功與推廣，具有十分巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

Breakdown Analysis of Turbine

When the Over Speed Control (OPC) acts very often, the pressure switches of safety fuel will be released, which maybe lead to the turbine tripped. Some steam leak out from the governor valve flange face. The work temperature of LVDT is very high. The coils of LVDT are sometimes short out. The actuator is out of control inducing the turbine tripped. The improvement suggestions are proposed in this paper.

Turbine; DEH; OPC; Control system

B

1003-0492(2015)05-0108-04

TK268

劉康寧（1963-） ，男，四川德陽人，高級(jí)工程師，計(jì)算機(jī)應(yīng)用碩士?，F(xiàn)任杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司副總工程師兼DEH技術(shù)總監(jiān)，主要從事DEH控制系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)工作。