燃?xì)廨啓C電廠天然氣調(diào)壓段典型故障分析

廣東惠州天然氣發(fā)電有限公司 賀 杰

1 引言

目前，多數(shù)燃?xì)廨啓C電廠使用天然氣作為基本燃料，上游天然氣供應(yīng)站或供氣管道的天然氣一般通過廠內(nèi)天然氣調(diào)壓站送入燃?xì)廨啓C。

天然氣調(diào)壓站的主要作用是接受、計量來自上游的天然氣，同時對天然氣進行過濾、調(diào)壓、調(diào)溫等處理，滿足下游用戶需求的燃?xì)馄焚|(zhì)。

天然氣調(diào)壓站可分為升壓站和降壓站，燃?xì)廨啓C電廠一般為降壓站，天然氣進入燃?xì)廨啓C前依次流經(jīng)緊急關(guān)閉單元、流量計量單元、分離/過濾單元、燃?xì)饧訜釂卧⑷紮C調(diào)壓單元、機組計量單元、機組溫控單元等。

作為燃?xì)廨啓C電廠的生命線，介質(zhì)具有易燃、易爆的特性，天然氣管路一旦斷供或異常泄漏，就會引起主機跳閘、爆炸、窒息等事故，所以天然氣調(diào)壓段的維護管理工作是電廠的重中之重。

2 調(diào)壓段系統(tǒng)流程

某三菱M701F4型燃?xì)廨啓C電廠典型調(diào)壓段設(shè)計流程如圖1所示，調(diào)壓段一用一備。每個管路配置一個切斷閥一個監(jiān)控調(diào)壓器以及一個工作調(diào)壓器。監(jiān)控調(diào)壓器作為工作調(diào)壓器的備用調(diào)壓器，正常工作時，監(jiān)控調(diào)壓器全開，工作調(diào)壓器負(fù)責(zé)調(diào)壓，當(dāng)工作調(diào)壓器失效時，監(jiān)控調(diào)壓器接替工作調(diào)壓器負(fù)責(zé)調(diào)壓，并將壓力控制在一個稍高的壓力值。

圖1 典型調(diào)壓段系統(tǒng)流程圖[1]

主出口配置一個安全放散閥，當(dāng)壓力超過設(shè)定值時進行壓力放散。

兩路下游配置一個逆止閥，防止下游壓力波動反傳引發(fā)系統(tǒng)誤動作。

初始壓力設(shè)定為主監(jiān)控調(diào)壓器3.95MPa，工作調(diào)壓器3.8MPa，快速切斷閥4.25MPa。備用監(jiān)控調(diào)壓器3.95MPa，工作調(diào)壓器3.65MPa，快速切斷閥4.25MPa。

3 調(diào)壓器及切斷閥工作原理

此調(diào)壓段為PS79型指揮器控制式FL型軸流式調(diào)壓器的間接型調(diào)壓，以圖2為例分析調(diào)壓器工作原理。

圖2 間接式調(diào)壓器示意圖

原始設(shè)計時，調(diào)壓器彈簧設(shè)定壓力較大，指揮器彈簧壓力較小，指揮器動作比較敏感，使用指揮器能避免直接調(diào)壓時調(diào)壓器頻繁動作導(dǎo)致壓力波動。

當(dāng)下游用氣需求增大，調(diào)壓器出口壓力（下游取樣壓力）降低時，指揮器皮膜下方壓力將小于彈簧壓力，導(dǎo)致指揮器閥桿整體向下移動，從而打開指揮器V型閥。此時，調(diào)壓器進口壓力（上游取樣壓力）通過指揮器閥口進入調(diào)壓器皮膜下方加大負(fù)載壓力，此時負(fù)載壓力大于調(diào)壓器彈簧壓力，導(dǎo)致調(diào)壓器閥桿整體向上移動，從而打開調(diào)壓器V型閥。上游壓力流入下游通道，增大出口壓力。此時，指揮器皮膜下方壓力將大于指揮器彈簧壓力，從而關(guān)閉V型閥，負(fù)載壓力不變，最后調(diào)壓器達(dá)到一個新的平衡點以穩(wěn)定壓力[2]。

此調(diào)壓段快速切斷閥為FEQ型切斷閥，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，當(dāng)由取壓點傳送至傳感器薄膜一側(cè)的壓力失常，超過（超壓）或低于（失壓）切斷設(shè)定值時，彎板或螺桿的位置就會發(fā)生變化，從而觸動撞針A或B，使脫扣機構(gòu)脫扣，釋放主閥瓣，主閥瓣在關(guān)閉彈簧的作用下，迅速向下移動，并與閥口緊密貼合，截斷管路中的氣流。

圖3 FEQ切斷閥結(jié)構(gòu)示意圖

4 典型故障分析

4.1 調(diào)壓段壓力偏離設(shè)定值

4.1.1 故障實例

某次機組檢修期間，對機組主、備用調(diào)壓段進行壓力整定，由于機組未投運，關(guān)閉調(diào)壓段進出口球閥，使用氮氣瓶分別對兩個調(diào)壓段進行壓力整定，設(shè)定為主監(jiān)控調(diào)壓器3.95MPa，工作調(diào)壓器3.8MPa，快速切斷閥4.25MPa；備用監(jiān)控調(diào)壓器3.95MPa，工作調(diào)壓器3.65MPa，快速切斷閥4.25MPa。次日，在機組投運時發(fā)現(xiàn)出口壓力較設(shè)定值低0.2MPa，停機在機組維持3000轉(zhuǎn)時，對調(diào)壓段壓力重新進行整定，整定后出口壓力正常。

4.1.2 故障分析

在機組未投運的情況下使用氮氣瓶進行調(diào)壓與機組實際運行時的氣流流量差距較大，當(dāng)調(diào)壓器需要時間反應(yīng)或持續(xù)大流量時，原本的調(diào)壓情況與實際運行情況并不匹配。為了準(zhǔn)確設(shè)定調(diào)壓段出口壓力，需在大流量的情況下對調(diào)壓段進行調(diào)壓。

此外，壓力整定順序錯誤也會造成壓力偏離設(shè)定值，通常整定壓力順序為由高至低，即切斷閥—監(jiān)控調(diào)壓器—工作調(diào)壓器，指揮器壓力通過頂部六角頭旋鈕進行調(diào)節(jié)，旋緊為出口壓力增大，反之減小，具體整定方法如下：

一是關(guān)閉主、備用調(diào)壓段進出口球閥，旋緊工作指揮器旋鈕，使工作調(diào)壓器全開；旋緊快速切斷閥指揮器旋鈕，使切斷閥動作值達(dá)到最大；旋松監(jiān)控指揮器旋鈕，使監(jiān)控調(diào)壓器全關(guān)。

二是打開調(diào)壓段進出口球閥，緩慢旋緊監(jiān)控指揮器旋鈕，觀察出口壓力表，使壓力達(dá)到快速切斷閥動作壓力并待其穩(wěn)定。隨后緩慢松開切斷閥指揮器旋鈕，直至切斷閥動作，鎖緊切斷閥指揮器旋鈕，此時壓力即為設(shè)定的切斷閥動作壓力。

三是輕微旋松監(jiān)控指揮器旋鈕，隨后重新打開快速切斷閥，觀察出口壓力待其穩(wěn)定，隨后慢慢旋松監(jiān)控指揮器旋鈕使出口壓力下降，當(dāng)出口壓力達(dá)到監(jiān)控調(diào)壓器設(shè)定值后待其穩(wěn)定，鎖緊監(jiān)控指揮器旋鈕，此時壓力即為設(shè)定的監(jiān)控調(diào)壓器壓力。

四是緩慢旋松工作調(diào)壓器指揮器旋鈕使出口壓力下降，當(dāng)出口壓力達(dá)到工作調(diào)壓器設(shè)定值后待其穩(wěn)定，鎖緊工作指揮器旋鈕，此時壓力即為設(shè)定的工作調(diào)壓器壓力。

五是打開備用調(diào)壓段進出口球閥，關(guān)閉主調(diào)壓段進出口球閥，使用相同方法設(shè)定備用調(diào)壓段壓力。

4.2 工作調(diào)壓器壓力異常升高

4.2.1 故障實例

某日，某主工作調(diào)壓器開度在機組轉(zhuǎn)速1800的時候從0%忽然劇增到20%，壓力迅速升高，主切斷閥動作關(guān)閉，隨后備用切斷閥也動作關(guān)閉，導(dǎo)致機組跳機。

現(xiàn)場嘗試進行恢復(fù)，關(guān)閉備用前后手動閥，重投主調(diào)壓段，在機組轉(zhuǎn)速2000轉(zhuǎn)時，主調(diào)壓段下游壓力從3.9MPa上升到4.4MPa，切斷閥動作（設(shè)定壓力4.25），為防止跳機，手動拉開切斷閥防止其動作，壓力稍有下降后最高升至4.6MPa，同時迅速打開備用進出口手動閥，關(guān)閉主進出口手動閥，備用下游穩(wěn)定在3.6MPa，可正常供機組使用。隨后使用備用投運。

4.2.2 故障分析

通過解體主工作調(diào)壓閥主閥，主閥皮膜有老化嚴(yán)重鼓包損壞現(xiàn)象。閥口墊也有老化損壞現(xiàn)象，直接導(dǎo)致調(diào)壓失效。

分析可知，天然氣在大流量供氣過程中突然快速壓力上漲及跳機的原因：一是正常調(diào)壓主運行狀態(tài)是，氣流經(jīng)過一個入口手動球閥—切斷閥（動作值取至調(diào)壓出口）—監(jiān)控調(diào)壓閥（全開狀態(tài)）—工作調(diào)壓閥（調(diào)壓狀態(tài)）—出口手動球閥—出口安全閥—母管逆止閥—母管手動球閥—機組。

二是工作調(diào)壓閥主閥閥體內(nèi)密封件有破損的情況下投入運行，在天然氣流量增大時，主閥內(nèi)部元件內(nèi)漏，得不到有效前后壓差平衡，導(dǎo)致調(diào)壓失效，出口壓力增大。

三是工作調(diào)壓閥調(diào)壓失效后，工作閥迅速打開，此時監(jiān)控調(diào)壓閥接到下游異常增大的信號后監(jiān)控調(diào)壓閥開始投入使用，開度增大。

四是工作調(diào)壓閥突然全開，監(jiān)控調(diào)壓閥響應(yīng)不及時，出口壓力升高到入口器切斷閥動作值導(dǎo)致其動作，切斷氣源。

五是主切斷閥取樣壓力及備用切斷閥取樣壓力為同一壓力，導(dǎo)致主切斷閥動作，而主下游壓力無法迅速釋放的情況下，備用同樣會取到較高壓力值而動作，導(dǎo)致備用關(guān)閉。

更換主工作調(diào)壓閥備件，重新整定壓力后，主調(diào)壓段運行正常。

4.3 主調(diào)壓段壓力波動或無法投入運行。

4.3.1 故障實例

某日，機組停運后，主調(diào)壓段出口壓力無法穩(wěn)定持續(xù)上漲，直至出口安全閥動作。次日，使用打氣筒對主、備用調(diào)壓器進行檢查，發(fā)現(xiàn)動作正常無泄漏，判斷為指揮器泄漏。隨后對指揮器進行拆檢，發(fā)現(xiàn)監(jiān)控指揮器閥口墊正常，而工作指揮器閥口墊損壞嚴(yán)重。遂更換新指揮器用于主工作調(diào)壓器并進行壓力整定，啟動機組過程中主調(diào)壓段出口壓力波動較大，關(guān)小主調(diào)壓段出口球閥開度至75%后出口壓力穩(wěn)定。

4.3.2 故障分析

通過觀察指揮器結(jié)構(gòu)，結(jié)合上文調(diào)壓器工作原理分析可知，調(diào)壓器進口端的壓力進入調(diào)壓器負(fù)載側(cè)需要通過指揮器入口，再流經(jīng)閥墊，最后到達(dá)指揮器出口，而底部的調(diào)節(jié)螺母可以通過控制上方的閥口，從而控制進入閥墊的氣流量，影響指揮器的調(diào)節(jié)速度。當(dāng)調(diào)節(jié)螺母全緊時，天然氣無法通過，指揮器失去調(diào)節(jié)作用。而當(dāng)調(diào)節(jié)螺母過緊或過松時，會造成調(diào)壓器反應(yīng)緩慢或過速，從而造成調(diào)壓器出口壓力波動。

當(dāng)更換新指揮器時，其調(diào)節(jié)螺母開度為出廠設(shè)置，不一定與生產(chǎn)現(xiàn)場匹配，須在使用前進行多次調(diào)整，使其達(dá)到與機組匹配的開度。

5 優(yōu)化改進建議

通過分析機組常出現(xiàn)的實際缺陷案例及總結(jié)運行經(jīng)驗，結(jié)合調(diào)壓工作原理和系統(tǒng)設(shè)計流程，針對目前常見的天然氣調(diào)壓段設(shè)計提出部分優(yōu)化改進建議：一是當(dāng)機組進出口壓差較大時，宜使用多級調(diào)壓，避免造成監(jiān)控調(diào)壓器和工作調(diào)壓器工作條件惡劣，加劇密封件損壞。

二是可在調(diào)壓器處負(fù)載側(cè)增加加速放散閥，其作用為當(dāng)事故引起負(fù)載側(cè)超壓時，加速負(fù)載釋放，從而保證調(diào)壓器快速關(guān)閉，保證調(diào)壓段安全。

三是合理設(shè)計動作壓力。對加速放散閥，出口安全閥，主、備用快速切斷閥動作壓力進行梯級設(shè)置。使其動作壓力為加速放散閥＜出口安全閥＜主、備用快速切斷閥；當(dāng)調(diào)壓管路異常壓力升高時，可優(yōu)先通過加速放散閥或出口安全閥動作泄壓，不至于憋壓后導(dǎo)致器切斷閥動作，造成機組跳機，給監(jiān)控調(diào)壓閥、備用調(diào)壓段有一定的響應(yīng)時間。此外，主路和備用路的快速切斷閥的動作壓力也應(yīng)該有一定的差別，避免到達(dá)動作壓力后，兩路同時切斷，造成機組跳機。

四是根據(jù)上述分析可知，當(dāng)主調(diào)壓段設(shè)備發(fā)生故障而切斷閥保護發(fā)動動作時，備用不能有效緩沖壓力變化，安全閥也未能及時動作釋放壓力，從而導(dǎo)致備用失效，為杜絕此類現(xiàn)象發(fā)生，可在主及備用切斷閥取樣點后加裝逆止門，如此，當(dāng)主下游壓力過大導(dǎo)致主切斷閥動作時，下游高壓力不會馬上傳至備用切斷閥，此時，通過安全閥泄放及下游用戶消耗，將會導(dǎo)致下游壓力減小，備用能夠平緩過渡，接替主進行調(diào)壓。

五是當(dāng)調(diào)壓段發(fā)生故障時，由于主、備用共用一個安全放散閥且位于兩路手動閥之后，無法實現(xiàn)主或備用單獨進行天然氣放散，進而進行氮氣置換隔離，也就無法及時進行消缺，存在較大風(fēng)險隱患。建議將主、備用出口手動閥前充氮口改造為天然氣手動放散口，接入天然氣放散管道，用于系統(tǒng)隔離。