抽凝式發(fā)電機(jī)組汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)故障分析及處理

左興堂，柳丙軒，劉廣于，楊會(huì)永

（北京首鋼股份有限公司，河北遷安 064400）

1 設(shè)備概況

遷鋼公司一期配套建設(shè)兩臺(tái)25 MW發(fā)電機(jī)組，汽輪機(jī)選用青島捷能汽輪機(jī)廠(chǎng)C25-4.90/1.27 型抽汽凝汽式汽輪機(jī)，機(jī)組兼顧抽汽發(fā)電任務(wù)，2004 年投產(chǎn)以后為公司富裕煤氣回收利用開(kāi)辟了有效途經(jīng)，取得了可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。隨運(yùn)行年限增長(zhǎng)，機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)故障逐漸增加，運(yùn)行期間表現(xiàn)為電負(fù)荷大幅擺動(dòng)、調(diào)節(jié)響應(yīng)遲緩，威脅機(jī)組安全穩(wěn)定。機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，計(jì)控、機(jī)械部分需協(xié)調(diào)動(dòng)作，其中機(jī)械部分滑閥部件多，又相互作用、互為影響[1]，因此調(diào)速系統(tǒng)故障發(fā)生時(shí)，如何迅速準(zhǔn)確判斷故障點(diǎn)位，采取針對(duì)性措施消除設(shè)備缺陷，對(duì)保證機(jī)組安全順行具有重要意義。

2 調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

該汽輪機(jī)采用透平油數(shù)字電液控制系統(tǒng)，調(diào)速系統(tǒng)與潤(rùn)滑保安系統(tǒng)共用油源，DEH 模件選用和利時(shí)K 系列產(chǎn)品，電液轉(zhuǎn)換器選用德國(guó)進(jìn)口Voith 閥，典型調(diào)速控制流程如圖1所示。

圖1 典型調(diào)速控制流程圖

機(jī)組典型調(diào)速流程分4 個(gè)模塊，以運(yùn)行狀態(tài)負(fù)荷控制為例說(shuō)明各自功能：DEH 模件追蹤控制機(jī)組負(fù)荷，依據(jù)調(diào)節(jié)需求通過(guò)PID 控制輸出4～20 mA 電信號(hào)；電液轉(zhuǎn)換器接收電信號(hào)，轉(zhuǎn)換輸出0.25～0.60 MPa調(diào)節(jié)油壓；機(jī)械部件接收調(diào)節(jié)油壓信號(hào)，各滑閥協(xié)同響應(yīng)，通過(guò)控制油動(dòng)機(jī)行程調(diào)整調(diào)速汽門(mén)開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)主汽流量的控制以追蹤機(jī)組負(fù)荷。整個(gè)調(diào)速控制流程為單向控制，各模塊間存在清晰分界，其中調(diào)節(jié)油壓既是計(jì)控/機(jī)械系統(tǒng)的連接紐帶，也是其劃分界限，調(diào)節(jié)油壓力僅受電液轉(zhuǎn)換器單向控制，不受機(jī)械部件動(dòng)作影響。

機(jī)械部件是調(diào)節(jié)指令的執(zhí)行者，主要包括調(diào)節(jié)滑閥、錯(cuò)油門(mén)、油動(dòng)機(jī)及反饋滑閥，各滑閥由脈沖油串聯(lián)實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制，通過(guò)控制油動(dòng)機(jī)行程實(shí)現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)特性需求。機(jī)械部件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 機(jī)械部件結(jié)構(gòu)圖

脈沖油是機(jī)械部件實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制的紐帶，機(jī)組穩(wěn)態(tài)時(shí)脈沖油壓維持錯(cuò)油門(mén)對(duì)中平衡狀態(tài)，各滑閥通過(guò)對(duì)脈沖油壓的響應(yīng)、調(diào)節(jié)共同實(shí)現(xiàn)對(duì)油動(dòng)機(jī)行程的控制，故障排查時(shí)可以通過(guò)分析脈沖油壓力變化趨勢(shì)，判斷各機(jī)械滑閥的工作狀態(tài)。調(diào)節(jié)滑閥是電液轉(zhuǎn)換器與機(jī)械部件間的聯(lián)接中樞，其響應(yīng)電液轉(zhuǎn)換器輸出調(diào)節(jié)油壓的變化，通過(guò)閥芯升降調(diào)節(jié)滑閥內(nèi)部脈沖油泄油口，發(fā)出脈沖油壓變化信號(hào)。錯(cuò)油門(mén)是響應(yīng)要求最靈敏的滑閥，由脈沖油壓頂起，穩(wěn)態(tài)時(shí)處于對(duì)中位置，直接控制油動(dòng)機(jī)上下油缸油路；錯(cuò)油門(mén)用于響應(yīng)調(diào)節(jié)滑閥發(fā)出的脈沖油壓變化信號(hào)，通過(guò)滑閥升降改變油動(dòng)機(jī)上下油缸通路，同時(shí)改變脈沖油動(dòng)反饋油口，反向調(diào)節(jié)脈沖油壓，實(shí)現(xiàn)前饋調(diào)節(jié)。油動(dòng)機(jī)是機(jī)械部件的最終控制對(duì)象，油動(dòng)機(jī)通過(guò)行程變化控制調(diào)速汽門(mén)開(kāi)度，同時(shí)通過(guò)機(jī)械反饋調(diào)整反饋滑閥位置。反饋滑閥受油動(dòng)機(jī)機(jī)械反饋控制，在單一調(diào)節(jié)流程內(nèi)是機(jī)械部件動(dòng)作的最后環(huán)節(jié)，通過(guò)改變脈沖油靜反饋油口的大小，改變脈沖油供油量，反向平衡調(diào)節(jié)滑閥發(fā)出的脈沖油壓變化信號(hào)，使脈沖油壓回歸穩(wěn)態(tài)定值。

下面以運(yùn)行狀態(tài)增負(fù)荷調(diào)整為例說(shuō)明機(jī)械部件動(dòng)作流程：

（1）調(diào)節(jié)油壓變化：DEH 模件輸出電信號(hào)增大，Voith閥響應(yīng)，輸出的調(diào)節(jié)油壓升高；

(2)脈沖油響應(yīng)：調(diào)節(jié)滑閥閥芯上移封堵脈沖油泄油口，脈沖油管壓力升高；

（3）錯(cuò)油門(mén)動(dòng)作：錯(cuò)油門(mén)底部壓力增大，閥芯打破平衡向上移動(dòng)，油動(dòng)機(jī)上腔接通進(jìn)油、下腔接通回油，同時(shí)關(guān)小脈沖油動(dòng)反饋油口，降低脈沖油壓變化峰值；

（4）機(jī)械反饋：油動(dòng)機(jī)向下移動(dòng)，控制調(diào)速汽門(mén)開(kāi)啟增大負(fù)荷，同時(shí)反饋滑閥經(jīng)機(jī)械反饋下移，關(guān)小脈沖油靜反饋油口，降低脈沖油壓，平衡調(diào)節(jié)滑閥對(duì)脈沖油壓的升高變量；

(5)重歸平衡：脈沖油重歸是錯(cuò)油門(mén)對(duì)中的恒定油壓，錯(cuò)油門(mén)重新歸中，脈沖油動(dòng)反饋歸位，油動(dòng)機(jī)上下油缸油口封閉，油動(dòng)機(jī)維持當(dāng)前位置穩(wěn)定運(yùn)行，調(diào)節(jié)完成。

3 調(diào)速系統(tǒng)故障分析處理

隨機(jī)組運(yùn)行年限增長(zhǎng)，調(diào)速系統(tǒng)部件逐漸出現(xiàn)老化、磨損問(wèn)題，運(yùn)行期間多次出現(xiàn)負(fù)荷大幅波動(dòng)（5～8 MW）、調(diào)節(jié)遲緩的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)異?，F(xiàn)象及調(diào)節(jié)油壓、脈沖油壓的分析，可以準(zhǔn)確區(qū)分不同故障類(lèi)別，確定問(wèn)題點(diǎn)位，針對(duì)性采取控制措施以消除不利影響。

3.1 處理電液轉(zhuǎn)換器異常導(dǎo)致負(fù)荷波動(dòng)

故障現(xiàn)象：功率控制模式運(yùn)行，功率設(shè)定值恒定，機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷發(fā)生間歇性無(wú)規(guī)律大幅擺動(dòng)，現(xiàn)場(chǎng)油動(dòng)機(jī)實(shí)際動(dòng)作，主汽管道振動(dòng)，手動(dòng)打閘停機(jī)。原因分析：調(diào)查運(yùn)行曲線(xiàn)，擺動(dòng)期間調(diào)節(jié)油壓發(fā)生無(wú)規(guī)律變化，將計(jì)控部分作為排查重點(diǎn)，停機(jī)狀態(tài)進(jìn)行靜態(tài)拉閥試驗(yàn)，數(shù)據(jù)曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 靜態(tài)拉閥試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)

試驗(yàn)過(guò)程中，在閥位指令、油動(dòng)機(jī)行程恒定不變，電液轉(zhuǎn)換器入口EH 油壓基本穩(wěn)定的情況下，電液轉(zhuǎn)換器輸出調(diào)節(jié)油壓出現(xiàn)間歇性不規(guī)則跳動(dòng)，油壓偏差幅值達(dá)0.04 MPa，超出10%閥位指令變化油壓（0.035 MPa），判斷電液轉(zhuǎn)換器工作異常。

進(jìn)一步排查分析，檢測(cè)電液轉(zhuǎn)換器接口處DEH模件輸出電信號(hào)穩(wěn)定可控，考慮信號(hào)電纜無(wú)檢修，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)新增干擾源，排除電信號(hào)干擾因素，確定電液轉(zhuǎn)換器自身故障。

故障處理：電液轉(zhuǎn)換器更換備件后重新進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)，調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)恢復(fù)正常，調(diào)節(jié)油壓輸出穩(wěn)定，機(jī)械滑閥調(diào)節(jié)平穩(wěn)，機(jī)組開(kāi)機(jī)恢復(fù)運(yùn)行。針對(duì)電液轉(zhuǎn)換器故障，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)速系統(tǒng)與潤(rùn)滑保安系統(tǒng)共用油源的實(shí)際情況，首先加強(qiáng)系統(tǒng)油品管理，通過(guò)提高調(diào)速系統(tǒng)供油管線(xiàn)雙聯(lián)濾網(wǎng)精度，進(jìn)一步保證電液轉(zhuǎn)換器供油品質(zhì)；其次結(jié)合機(jī)組大修周期，在裝電液轉(zhuǎn)換器上試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行性能檢測(cè)，及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題隱患；最后保證電液轉(zhuǎn)換器合理備件庫(kù)存，突發(fā)故障具備應(yīng)急恢復(fù)條件；通過(guò)上述措施落實(shí)，有效提升了電液轉(zhuǎn)換器的工作可靠性。

3.2 處理PID不適配導(dǎo)致負(fù)荷波動(dòng)

故障現(xiàn)象：機(jī)組大修后開(kāi)機(jī)運(yùn)行，功率控制模式運(yùn)行，在功率設(shè)定值未發(fā)生變化的情況下，機(jī)組負(fù)荷發(fā)生大幅擺動(dòng)（擺動(dòng)幅值6 MW），切換為閥位控制，油動(dòng)機(jī)保持當(dāng)前位置維持運(yùn)行，負(fù)荷擺動(dòng)曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 負(fù)荷擺動(dòng)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)

原因分析：分析負(fù)荷擺動(dòng)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)油壓、油動(dòng)機(jī)行程、機(jī)組負(fù)荷基本為同頻同幅擺動(dòng)，且呈發(fā)散趨勢(shì)。結(jié)合調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)作流程分析，調(diào)節(jié)油壓擺動(dòng)是起因，機(jī)械部件執(zhí)行調(diào)節(jié)油壓指令控制油動(dòng)機(jī)行程同步變化，引起負(fù)荷擺動(dòng)，判斷為計(jì)控部分故障。

進(jìn)一步排查分析，在閥位控制模式下進(jìn)行試驗(yàn)，調(diào)整閥位定值，油動(dòng)機(jī)行程動(dòng)態(tài)響應(yīng)順暢，靜態(tài)維持穩(wěn)定，調(diào)節(jié)油壓穩(wěn)定受控，初步確定電液轉(zhuǎn)換器本體正常?？紤]機(jī)組為大修后首次投運(yùn)，負(fù)荷受調(diào)節(jié)油壓控制呈振蕩發(fā)散趨勢(shì)，推測(cè)功率控制PID參數(shù)與大修后調(diào)節(jié)系統(tǒng)機(jī)械特性不適配，導(dǎo)致輸出信號(hào)發(fā)散紊亂引起負(fù)荷失調(diào)。

故障處理：切換至功率控制模式，配合計(jì)控專(zhuān)工，修訂PID 參數(shù)，模擬各類(lèi)工況，進(jìn)行功率調(diào)整試驗(yàn)。通過(guò)在線(xiàn)調(diào)整，摸索出與大修后機(jī)械滑閥特性適配的PID參數(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組功率穩(wěn)定自動(dòng)調(diào)節(jié)；同時(shí)吸取經(jīng)驗(yàn)，機(jī)組大修后安排進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)PID 參數(shù)適配性驗(yàn)證試驗(yàn)。

3.3 機(jī)械滑閥卡澀導(dǎo)致負(fù)荷波動(dòng)

故障現(xiàn)象：機(jī)組功率控制運(yùn)行，存在負(fù)荷調(diào)整變化幅度大，調(diào)整響應(yīng)遲緩，負(fù)荷往復(fù)波動(dòng)的現(xiàn)象；情況嚴(yán)重時(shí)，波動(dòng)幅度達(dá)4～7 MW，系統(tǒng)自動(dòng)切換至閥位控制，維持當(dāng)前閥位運(yùn)行。

原因分析：在閥位控制模式下進(jìn)行在線(xiàn)試驗(yàn)，增大閥位指令，調(diào)節(jié)油壓正常升高，現(xiàn)場(chǎng)油動(dòng)機(jī)未動(dòng)作，未執(zhí)行調(diào)節(jié)油壓調(diào)節(jié)指令，判斷為機(jī)械部件故障，閥控試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5 閥控試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)

進(jìn)一步排查分析，尋找機(jī)械部件具體故障點(diǎn)位。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)，隨調(diào)節(jié)油壓增大，脈沖油壓出現(xiàn)同步增大，而現(xiàn)場(chǎng)油動(dòng)機(jī)無(wú)動(dòng)作，結(jié)合機(jī)械部件調(diào)節(jié)動(dòng)作流程分析判斷：調(diào)節(jié)滑閥正常動(dòng)作，隨調(diào)節(jié)油壓升高，響應(yīng)輸出脈沖油壓升高信號(hào)；錯(cuò)油門(mén)卡澀，閥芯未動(dòng)作，未響應(yīng)脈沖油壓變化，調(diào)節(jié)流程在錯(cuò)油門(mén)處停滯，未接通油動(dòng)機(jī)油缸對(duì)應(yīng)油路，所以油動(dòng)機(jī)行程未發(fā)生改變，反饋滑閥未動(dòng)作，判斷故障點(diǎn)位在錯(cuò)油門(mén)。

故障處理：結(jié)合機(jī)組停機(jī)消缺，解體檢查錯(cuò)油門(mén)滑閥套筒，發(fā)現(xiàn)套筒底部滑閥凸肩配合位置出現(xiàn)周向壓磨溝痕，測(cè)量閥芯跳動(dòng)超差，更換備件后進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)，油動(dòng)機(jī)行程動(dòng)態(tài)響應(yīng)順暢，靜態(tài)維持穩(wěn)定，機(jī)組開(kāi)機(jī)恢復(fù)正常運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

調(diào)速系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)組的控制核心，調(diào)速系統(tǒng)故障在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中直觀(guān)體現(xiàn)為負(fù)荷失調(diào)，嚴(yán)重威脅運(yùn)行安全穩(wěn)定。通過(guò)梳理汽機(jī)調(diào)速系統(tǒng)各模塊的動(dòng)作流程及機(jī)械部件內(nèi)部動(dòng)作原理，總結(jié)出現(xiàn)場(chǎng)適用的調(diào)速系統(tǒng)故障分析處理方法，準(zhǔn)確判斷故障點(diǎn)位，快速解決故障問(wèn)題，為保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行提供有力支撐。