汽輪機轉速跳變分析及解決

高志杰，李曉艷，胡玉榮

（中國石油大港石化公司，天津 300280）

1 基本情況

大港石化公司100 萬噸/年加氫裂化裝置用循環(huán)氫壓縮機組為汽輪機驅動的多級離心式壓縮機。汽輪機為NG32/25 背壓式蒸汽輪機，驅動介質壓力3.5 MPa，機組正常轉速8600 r/min。2017 年6 月在汽輪機大修后的試機過程中，汽輪機轉速出現大幅度波動，最大波動轉速5500 r/min，嚴重影響機組平穩(wěn)運行，無法投入正常生產。

該機組控制系統(tǒng)采用美國TRICONEX 公司的TS3000 三重冗余容錯的可編程邏輯與過程控制器，根據對調速系統(tǒng)各部件及測速盤進行綜合分析，找到了影響轉速波動的原因，從根本上解決了轉速波動的問題，最大限度保證機組安全平穩(wěn)運行。

2 調速系統(tǒng)簡介

汽輪機共有6 個AI-TEK 磁性轉速傳感器。其中，1#、2#和3#傳感器用于DCS 轉速顯示，4#和5#傳感器用于轉速調節(jié)，6#傳感器用于現場就地顯示。4#和5#轉速傳感器將檢測到的頻率信號傳輸至機柜間卡件，經過頻率/電壓轉換后，由高選器進行高選，高選后的信號與轉速設定值進行比較運算后轉化成4～20 mA 電流信號，經過電液轉換器轉換成二次油壓（0.15～0.45 MPa），二次油壓通過錯油門和油動機操縱調節(jié)氣閥，調節(jié)進氣量，達到轉速控制的目的。機組調速系統(tǒng)的基本原理如圖1 所示。

圖1 汽輪機調速控制系統(tǒng)

3 事件經過

汽輪機第一次試機過程中（圖2），當轉速升至3200 r/min時，3#傳感器顯示轉速開始波動（波動范圍3200～5400 r/min），波動持續(xù)時間20 s，隨后參與轉速調節(jié)的4#、5#探頭大幅跳變（跳變范圍3300～8800 r/min），調節(jié)氣閥開度亦出現大幅波動，機組緊急停車。

圖2 第一次試機汽輪機轉速歷史趨勢

4 原因分析

（1）接線松動造成測速跳變。6 個轉速傳感器分別采用單獨的通道引入系統(tǒng)，中間有多個環(huán)節(jié)通過端子連接。通過對傳感器本體接線、接線端子進行檢查，未發(fā)現接線松動、端子損壞、氧化等問題。

（2）電磁干擾造成測速跳變。傳感器引線與電液轉化器引線等共用一個接線箱，存在測量引線和動力線之間電磁干擾的可能，通過對傳感器接地線及屏蔽線檢測，未發(fā)現異常。同時通過現場增加干擾源的方式進行實驗，亦未出現轉速波動的情況，因此可排除此原因。

（3）測速盤故障造成測速跳變。測速盤本體帶磁性、表面凹凸不平或松動都可能引發(fā)測速跳變。經過全面檢測，測速盤本體磁感應強度約為330 μT，表面跳動約為0.02 mm，其緊固螺釘也無松動現象，不足以影響測速準確度。

（4）測速卡件故障造成測速跳變。測速卡件為TRICONEX公司產品，型號7400143，因轉速傳感器在較高轉速時才發(fā)生跳變，轉速越高輸出電壓越高，可能造成卡件過載。用FLUKE725對卡件進行測試，當輸入頻率在1～6.5 kHz 時（相當于轉速2000～13 000 r/min），DCS 畫面未捕捉到轉速跳變，因此排除卡件故障影響測速的可能性。

（5）轉速傳感器故障造成測速跳變。對轉速傳感器進行檢查，探頭本體無明顯缺陷或損傷，但6 個轉速傳感器的阻值210～230 Ω，存在影響測速的可能性。

（6）轉速傳感器安裝不規(guī)范造成測速跳變。轉速傳感器的內部結構是一個磁鐵、磁性片和線圈（圖3）。磁場從磁鐵延伸出來，通過極性片和在傳感器末端空間中的線圈。磁場回歸的路徑從空間到磁鐵的另一端。當測速盤齒輪通過極性片的尖端時，磁場會因為物體通過極性片而先后增大和減小。這種磁場的迅速變化會在線圈內部感應出一個交流電壓信號。傳感器的輸出電壓依賴于測速盤幾何尺寸和傳感器安裝間隙等因素。

圖3 轉速傳感器

檢查確認6 個轉速傳感器安裝在以轉子中心為圓心的同心圓上。各轉速傳感器與測速盤的間隙為0.85 mm（推力盤貼死主推力瓦位置測量），符合汽輪機資料中0.50～1.25 mm 的間隙要求，但考慮到汽輪機推力間隙0.32 mm 的影響，間隙處于標準下限，可能影響轉速測量。

5 解決辦法

針對上述兩項可能引發(fā)轉速跳變的原因，更換了6 個全新的轉速傳感器，并將轉速傳感器間隙調整為1.1 mm。但在第二次試機過程中（圖4），當轉速升至3700 r/min 時，3#傳感器又開始波動（3700～4920 r/min），波動持續(xù)時間15 s，隨后參與轉速調節(jié)的4#/5#探頭大幅度跳變（跳變范圍3800～7260 r/min），調節(jié)氣閥開度亦出現大幅波動，機組緊急停車。

圖4 第二次試機汽輪機轉速歷史趨勢

先后兩次試機的歷史趨勢極為類似，但發(fā)生轉速跳邊的觸發(fā)點由3200 r/min 變?yōu)?700 r/min，在已經排除其他可能性的基礎上，進一步將轉速傳感器間隙調整至2 mm（此數值為A.I.TEK 公司允許的最大間隙值）。機組第三次試運，汽輪機從0 r/min 升至機械跳車轉速12 562 r/min 的過程中，各轉速傳感器平穩(wěn)輸出，再未發(fā)生跳變。

6 總結

經過詳細的原因分析和多次機組試運，通過理論聯系實際的方式，找到了引起轉速跳變的原因并得以根本解決。同時也提示人們，在排除所有可能性的情況下，只要敢于大膽質疑，搜集多方面信息，作出準確的判斷，才能更好、更快地解決故障。