某燃機控制系統(tǒng)故障的分析與排除

摘 要：文章對某燃機試車過程中控制系統(tǒng)的一般故障進行了描述、分析，并給出了故障的排除方法。

關鍵詞：燃氣輪機；試車故障；全權限

引言

某燃氣輪機是我國自主研發(fā)設計的新型燃機，由于其采用了全權限電子調節(jié)控制器并且不再留有機械控制系統(tǒng)做備份，因此該燃機對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性有著極為嚴格的要求；為滿足市場需求而全新設計的可調引射調節(jié)控制裝置，能在燃機中、低工況下大幅降低其排氣溫度，對燃機輸出功率、耗油量等參數的影響較小，處于國際先進水平。該型燃機融合了多種新材料、新技術、新工藝，是我國目前自主研發(fā)、制造的燃機中十分先進的一種。通過文章可對某燃氣輪機控制系統(tǒng)的一般故障及排除方法有直觀、深入的了解。

1 起動故障

1.1 起動電機不帶轉

按下起動按鈕后，起動機只轉動了較小的角度后幾乎不動，1秒后燃機控制系統(tǒng)便報起動機故障，起動中止。

該故障經反復試驗研究，最終確定其主要問題在于信號干擾。通電時由于需要帶動高壓轉子轉動，而低轉速下起動電機控制方案為保持輸出功率不變，故通電后起動機轉動較小角度后幾乎不動屬于正?，F象，只需一定時間便能快速轉動起來。1秒報故的現象，經反復測量，發(fā)現起動機轉動極慢時起動機電壓沖壓較大，起動電機的控制回路不能完全屏蔽沖壓帶來的干擾信號，該干擾信號進入反饋電路，燃機控制器誤判此信號為“起動失敗”，認為燃機已經起動失敗，報出故障并中止起動。

由于電壓沖壓持續(xù)的時間較短，因此選定了一種較為簡單的排故方案，即燃機控制系統(tǒng)在延遲一段時間后（1秒左右）再開始對起動是否成功做判斷，由燃機控制器廠商更改控制參數。經過多次起動驗證，此故障未再出現。

1.2 燃機控制器間斷性判定起動電機不能起動

該故障較為特殊，其發(fā)生的時機并不固定，故障現象如下：給燃機控制器通電后，按下“起動檢查”按鈕，控制器對多個控制回路進行檢查并通過，允許燃機進行起動，但多次起動之后重新檢查時，控制器報出起動機不能起動的信號，不允許燃機起動。

經反復排查，發(fā)現其主要問題在起動電機控制器的電源線路上。為了保障燃機起動的安全可靠，設計人員為起動電機控制器設計了380V交流電源（主電源）和24V直流電源（備份電源），控制器進行燃機起動前的各項回路檢查時，會檢查24V直流電源的一個反饋信號，該信號為直流電源的電壓值，測量該電壓值發(fā)現，檢查通過時，該值剛好高于控制模塊設定的下限值，檢查不通過時，該值略微低于控制模塊設定的下限值。排查線路，發(fā)現某段線路的阻值異常，為其他線路的（3-4）倍，拆下線路仔細檢查，發(fā)現該線路某處被反復折疊過。由于其阻值異常且不穩(wěn)定，導致控制器接收到的反饋信號剛好處于“通過”與“不通過”的分界線上。更換該段線路后，故障排除。經多次試車驗證，故障未再出現。

1.3 離合器斷裂

起動電機帶轉時，輸出功率突變?yōu)?，約400毫秒后輸出功率恢復，并在起動過程中反復出現，導致連接起動電機和燃機轉子的離合器因受到反復沖擊而斷裂。

測量發(fā)現，功率為0時，起動電機輸入端的電流值也為0，故障鎖定在為起動電機提供電流的電機控制器上。

監(jiān)測電機控制器，當故障出現時，發(fā)現電機控制器內部觸發(fā)故障保護模式，并快速消失，然而監(jiān)控的各項參數條件均符合控制器使用要求。分解電機控制器，對各個電路模塊逐項檢查，發(fā)現控制器內部存在溫度保護模塊，其工作機理為當控制器內部溫度達到100℃時，禁止控制器工作，當控制器內部溫度低于100℃時，允許控制器工作；測試該模塊，發(fā)現已失效。

分析認為，該模塊的設計不合理，即便為防止電機控制器內部溫度過高而禁止其正常工作，也不應在斷開電流后短時間內恢復電流輸出，對棘爪離合器造成多次脈沖式沖擊，最終導致離合器斷裂，嚴重影響燃機的運行安全。取消電機控制器內的溫度保護模塊后進行數百次起動試驗，故障未復現。

2 轉速擺動

2.1 轉速呈正弦波動并有發(fā)散趨勢

燃機在慢車狀態(tài)下各項參數較為穩(wěn)定，在提高燃機高壓轉子轉速（Nh）、低壓轉子轉速（Nl）的情況下，這兩個轉速均呈現出正弦波動的情況，且轉速曲線有發(fā)散趨勢，其他參數也出現擺動，燃機轉速無法提高。

由于在慢車以上工況時，控制系統(tǒng)采取先對Nl轉速比例、積分，計算出內環(huán)的Nh給定轉速并進行閉環(huán)控制的雙閉環(huán)模式，這兩個轉速的波動對各自都有影響，因此僅從轉速曲線上不能判定是哪個轉速首先波動引發(fā)的。由于該波動的周期性十分明顯，可判斷出該故障的原因并不在于燃機本身或臺架線路，而是在于控制算法上，極有可能是燃機控制器PID參數的選取不合適。經多次調整Nh閉環(huán)系數、Nl閉環(huán)系數等參數后，燃機在各工況下的轉速波動值最終達到設計要求。分析認為，雖然控制器PID參數完成了實際工作長試考核，但臺架試車時，采用水力測功機對該燃機的輸出功率進行測量和吸收，水力測功機的供水系統(tǒng)對燃機功率輸出軸（低壓轉子帶動）的影響，與該燃機實際使用時的負載影響不一致；同時，水力測功機轉子的轉動特性與實際負載的轉動特性差異較大，導致了同一套控制參數在不同的負載下，燃機穩(wěn)定特性不一致。因此實際使用和臺架試車時應配合使用兩套不同的燃機控制參數。某試車臺架采用調整后的控制參數后，進行多次試車驗證，轉速波動故障未再出現。

2.2 低壓轉子轉速的給定值始終大于反饋值

燃機在慢車狀態(tài)各項參數較為穩(wěn)定，提高燃機運行工況后發(fā)現，燃機的低壓轉子轉速給定值始終大于其反饋值（即實測值），改變給定值，發(fā)現在過渡態(tài)時反饋值得跟隨性較好，進入穩(wěn)態(tài)后低壓轉子轉速給定值始終大于其反饋值。

首先判斷為該故障的原因出在燃機控制器參數的設置上，但是多次調整控制器PID參數后，情況沒有得到有效改善。分析認為，如果控制器對燃機所處的狀態(tài)判定出現錯誤的話，可能會引發(fā)此故障。經過多次半物理實驗模擬后發(fā)現，控制參數中的“負載補償系數”設置過低時，會出現該現象。

控制器在判斷燃機是否處于過渡態(tài)時，通過負載補償系數換算出一個邊界電流值，再通過該值與一個采集周期內負載狀態(tài)信號反饋電流差值相比較，后者大時，便認為燃機處于過渡態(tài)，而后采用過渡態(tài)供油曲線對燃機狀態(tài)進行控制。計算后發(fā)現，由于負載補償系數較低，一個采集周期內負載狀態(tài)信號反饋電流差值超過0.03毫安時便大于邊界值，而負載狀態(tài)信號傳感器輸出電流精度僅為±0.02毫安。顯然該值設置偏低，導致穩(wěn)態(tài)時控制系統(tǒng)誤判燃機狀態(tài)，最終出現了上述故障。而將該值設置偏低的原因是為了使燃機對負載狀態(tài)的改變更加“敏感”，加快燃機狀態(tài)與負載狀態(tài)的跟隨性。在不影響燃機狀態(tài)跟隨性的條件下適當加大該參數，故障現象消失。某試車臺架財通調整過的負載補償系數后，進行了多次試車驗證，故障未復現。

3 結束語

由于我國燃機控制器采用全權限控制器的時間較短，設計、使用、維護經驗較少，在批產后的臺架試車、實際使用和維護過程中會逐漸暴露一些沒有遇到過的問題。文章通過對某燃機控制系統(tǒng)一般故障現象的描述、排故思路的梳理以及工作原理的分析，給出了簡潔有效的排故方法和思路，對設計人員具有一定的啟發(fā)作用，對燃機的使用和維護人員處理故障時有一定的引導和借鑒作用，也完善了該燃機的故障樹。

參考文獻

[1]孫長江，胡順科，卜麗.基于模糊PID控制器的雙閉環(huán)控制器設計[J].制造自動化，2011.

[2]曾光其，胡均安.模糊控制理論與工程運用[M].武漢：華中科技大學出版社，2006.

作者簡介：陳紅強（1989-），男，江西南昌人，主要從事研究燃氣輪機地面試車工作。