軸流風(fēng)機靜葉控制系統(tǒng)故障分析

陳庚曉

（中國石化股份有限公司天津分公司，天津300271）

某公司催化裂化裝置四機組系統(tǒng)分別由電動機、軸流風(fēng)機、汽輪機、煙汽輪機四部分組成，該機組均由壓縮機控制系統(tǒng)（CCS）控制，其中軸流風(fēng)機為催化裂化裝置再生器提供主風(fēng)以確保裝置運行。1.3 Mt/a催化裂化裝置主風(fēng)量在8.5×104m3/h以上，而作為主風(fēng)調(diào)節(jié)控制的靜葉控制系統(tǒng)顯得更為關(guān)鍵，其故障波動將直接導(dǎo)致催化裂化裝置主風(fēng)流量波動甚至造成主風(fēng)流量低低聯(lián)鎖停車，以下就一起因靜葉控制系統(tǒng)故障造成的裝置聯(lián)鎖的案例進行分析。

1 事件經(jīng)過

在20180603T023032，催化裂化裝置主風(fēng)靜葉控制系統(tǒng)開度在2 min內(nèi)從69%突降至37%，導(dǎo)致主風(fēng)流量低低聯(lián)鎖，催化裂化裝置切斷進料，機組安全運行，經(jīng)聯(lián)鎖復(fù)位后靜葉控制系統(tǒng)運行正常，臨時投入運行。

為避免系統(tǒng)再次誤動，處理過程中對靜葉執(zhí)行機構(gòu)進行機械限位，活動范圍限制在67%～73%，20180604T0902靜葉系統(tǒng)再次開始波動但CCS輸出信號未變化，由于機械限位作用，因而未導(dǎo)致裝置產(chǎn)生嚴(yán)重后果。靜葉控制系統(tǒng)故障事件記錄見表1所列。

表1 靜葉控制系統(tǒng)故障事件記錄

續(xù)表1

2 故障原因分析

1）直接原因。主風(fēng)風(fēng)量大幅下降，觸發(fā)裝置主風(fēng)流量低低聯(lián)鎖，主風(fēng)機組進入安全運行狀態(tài)，主風(fēng)機組聯(lián)鎖控制邏輯如圖1所示。

2）間接原因。靜葉控制系統(tǒng)在控制室CCS未發(fā)出減小靜葉開度指令的情況下自行關(guān)小靜葉開度，且在靜葉開度回訊信號與給定信號偏差大于規(guī)定值4%時也未能發(fā)出自鎖命令，直至風(fēng)機靜葉關(guān)至37%時，主風(fēng)量大幅下降，引發(fā)主風(fēng)流量低低聯(lián)鎖。

3）根本原因。靜葉控制系統(tǒng)PLC擴展模塊通信短時中斷導(dǎo)致PLC失效，由于靜葉控制系統(tǒng)PLC擴展模塊通信短時中斷屬偶發(fā)故障，在后續(xù)的檢查中，一直未出現(xiàn)，直至2018年6月9日下午通信中斷故障再次出現(xiàn)時才被捕捉到。

圖1 主風(fēng)機組聯(lián)鎖控制邏輯示意

3 故障過程分析

1）工作原理分析。靜葉控制系統(tǒng)工作原理如圖2所示，來自蓄能器的高壓油，經(jīng)過控制油路塊，進入自鎖電磁閥DV1的P端，若操作方式設(shè)置為自動，系統(tǒng)操作條件正常，則DV1帶電，高壓油通過DV1的相應(yīng)油道，進入液控單向閥V1，V2，V3的控制端使其呈雙向流通狀態(tài)，其油道變?yōu)橥ǖ溃邏河徒?jīng)過V1進入比例閥SV1的P端，此時只需改變SV1相應(yīng)線圈的控制電流幅值，就能改變SV1兩個輸出口的流向與流量，即操縱伺服油缸活塞移動的方向與速度，實施閥開與閥關(guān)的操作，以上所有動作由1臺PLC控制。

圖2 靜葉控制系統(tǒng)工作原理示意

2）影響因素分析。從圖2可以看出能夠影響靜葉油缸開度的因素有三個方面：自保閥油路、比例閥閥位控制油路、手操閥油路。由于手操閥油路在靜葉控制系統(tǒng)中不起作用，已經(jīng)被截止閥截斷，因此能夠影響靜葉開度的只有自保閥油路和比例閥油路。

3）故障過程分析。從靜葉控制系統(tǒng)工作原理出發(fā)，一般靜葉鎖位失效首先考慮是自保閥或比例閥泄漏造成，但比例閥泄漏前提是自鎖閥故障或液壓單向閥V1/V2故障，對比其他故障及相關(guān)記錄，該故障最大的特點是故障時間非常短，從鎖位因素出現(xiàn)到風(fēng)量下降到防喘振閥打開只用了不到60 s，到安全運行也只用了130 s，而之前曾發(fā)生過的自保閥泄漏，整個故障過程持續(xù)了1個多小時，該故障發(fā)展速度很難用比例閥和自保閥泄漏解釋。

通過實驗測試，2018年6月9日在確認自鎖成立的條件下實驗測試靜葉開度保持時間超過1 h，在相同條件下強制解除自鎖功能，實驗測試比例閥和自保閥綜合漏量對靜葉開度的影響在30 s內(nèi)達到1.17%，推算靜葉開度由69%降至37%需要14 min以上，實驗表明單純比例閥和自保閥泄漏不能造成靜葉2 min內(nèi)關(guān)閉，靜葉2 min內(nèi)關(guān)閉必須自鎖閥未能動作、比例閥保持一定開度不變兩種情況同時出現(xiàn)。

4）故障原因確定。當(dāng)靜葉單向關(guān)閉、自鎖閥不動作、比例閥保持一定開度不變?nèi)N情況同時出現(xiàn)時，即可確定為控制系統(tǒng)故障。最初疑似PLC故障，但始終未發(fā)現(xiàn)證據(jù)。直到2018年6月9日下午在現(xiàn)場操作面板顯示SP與PV完全一致的情況下卻不能投入自動，現(xiàn)場測試PLC AI端子電流與操作面板指示一致，接入PLC手操器發(fā)現(xiàn)CPU內(nèi)部數(shù)據(jù)與擴展模塊AI端子電流值完全不同，但CPU模塊中的DI/DO與手操器讀取信息一致，最終確認為PLC故障。

分析靜葉控制柜接線發(fā)現(xiàn)，靜葉開度指令SP值、靜葉實際開度反饋PV值及比例閥控制AO值均由控制系統(tǒng)PLC擴展模塊接入，PLC擴展模塊通信短時中斷，CPU無法讀取到SP，PV等數(shù)據(jù)，也無法向AO發(fā)出命令。由于自保輸入輸出信號自CPU主模塊接入未受到通信故障影響，因此事故當(dāng)時自保聯(lián)鎖正常。

局部放大故障發(fā)生前后記錄曲線，故障發(fā)生前靜葉控制系統(tǒng)處于一個比較規(guī)律的微調(diào)狀態(tài)，靜葉開度反饋信號PV值始終在圍繞SP值在不斷的微弱調(diào)節(jié)，PLC故障出現(xiàn)時恰好為關(guān)閉命令方向，通信故障導(dǎo)致關(guān)閉命令保持，靜葉勻速關(guān)閉，同時在PV與SP偏差大于4%的預(yù)設(shè)值時，CPU未能得到信息發(fā)出自鎖保位的命令，符合事件發(fā)生時靜葉勻速關(guān)閉的現(xiàn)象。

PLC故障時比例閥處于微關(guān)命令位置，導(dǎo)致該次故障發(fā)展速度遠大于單純液壓件滲漏引發(fā)的故障情況。綜上確認PLC擴展模塊通信故障為該次事件根本原因。

4 結(jié)束語

對于關(guān)鍵的控制系統(tǒng)，不建議采用現(xiàn)場非冗余PLC模式控制，由于該PLC為非SIL認證系統(tǒng)，直接影響整個控制回路的可靠性，下一步將要求廠商研究將現(xiàn)場PLC程序移植到機組CCS和冗余化設(shè)計方案，提高控制系統(tǒng)可靠性。