汽輪機(jī)開機(jī)過(guò)程中轉(zhuǎn)速控制故障分析及處理

崔傳業(yè)，閆 舸，鄭靈杰

(1.中國(guó)石油化工股份有限公司石家莊煉化分公司，石家莊 050001；2.中車沈陽(yáng)機(jī)車車輛有限公司，沈陽(yáng) 110000)

0 引 言

汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是汽輪機(jī)的核心部件，其作用是通過(guò)調(diào)整蒸汽流量以滿足壓縮機(jī)負(fù)荷的需要。由于運(yùn)行維護(hù)、檢修、安裝質(zhì)量不到位，造成汽輪機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)一些故障，影響汽輪機(jī)組的正常運(yùn)行[1-3]。因此，必須及時(shí)對(duì)汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的故障進(jìn)行分析處理，只有調(diào)試系統(tǒng)故障消除后，才能避免事故擴(kuò)大，最大限度的發(fā)揮汽輪機(jī)的作用。文中針對(duì)汽輪機(jī)開機(jī)過(guò)程中常見的轉(zhuǎn)速波動(dòng)等故障進(jìn)行了總結(jié)分析。

1 調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)通常包括測(cè)速系統(tǒng)、電子調(diào)速器、電液轉(zhuǎn)換器、斷流式錯(cuò)油門、油動(dòng)機(jī)、調(diào)節(jié)汽閥等部件組成。調(diào)速系統(tǒng)工作時(shí)，通過(guò)數(shù)字量通道板采集機(jī)組轉(zhuǎn)速，并將它與給定轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，對(duì)其偏差進(jìn)行分析處理以及通過(guò)PID運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果經(jīng)過(guò)DEH微機(jī)處理、校正、放大為所需要的電信號(hào)，通過(guò)電液轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)殄e(cuò)油門中間滑閥的二次油壓信號(hào)，錯(cuò)油門再將此脈動(dòng)油壓變化信號(hào)加以放大后控制油動(dòng)機(jī)，達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的目的，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的調(diào)節(jié)[4]。調(diào)節(jié)系統(tǒng)按照轉(zhuǎn)速、壓縮機(jī)入口壓力串級(jí)設(shè)定，對(duì)轉(zhuǎn)速、壓力進(jìn)行自動(dòng)控制，也可以通過(guò)操作員手動(dòng)進(jìn)行控制。

2 調(diào)速系統(tǒng)的故障原因及處理

2.1 調(diào)節(jié)汽閥零點(diǎn)偏移

機(jī)械零點(diǎn)設(shè)置偏差，導(dǎo)致開機(jī)升速出現(xiàn)異常。汽輪機(jī)檢修過(guò)程中由于調(diào)速系統(tǒng)安裝不當(dāng)，出現(xiàn)零點(diǎn)偏移。在汽輪機(jī)在開機(jī)升速度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)調(diào)速汽門大開度下無(wú)法沖動(dòng)轉(zhuǎn)子或者觸發(fā)過(guò)扭矩保護(hù)聯(lián)鎖,汽輪機(jī)無(wú)法開機(jī)的情況，也可能出現(xiàn)在打開速關(guān)閥后未給定轉(zhuǎn)速則汽輪機(jī)開始升速的問(wèn)題。

汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥包括閥桿、閥梁、閥座、閥芯組成，在閥門動(dòng)作時(shí)，隨著閥梁被閥桿提升、下降，閥梁帶動(dòng)閥芯上下運(yùn)行，遠(yuǎn)離或靠近閥座，實(shí)現(xiàn)開關(guān)閥門調(diào)節(jié)汽量的功能。為了避免閥桿受壓彎曲，要求油動(dòng)機(jī)活塞桿與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)杠桿連接時(shí)，油動(dòng)機(jī)活塞在0行程(上死點(diǎn))位置時(shí)，閥梁與閥碟脫離接觸且最小間距為2 mm，這時(shí)油動(dòng)機(jī)標(biāo)尺刻度指示為0，由于結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)，調(diào)節(jié)閥開啟點(diǎn)有2 mm左右的空行程。某公司汽輪機(jī)機(jī)械零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)汽閥輸出閥位為8%，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，油動(dòng)機(jī)刻度標(biāo)尺動(dòng)作1 mm，對(duì)應(yīng)輸出閥位約4%。以往開機(jī)沖轉(zhuǎn)子時(shí)，閥位為35%，設(shè)定的聯(lián)鎖閥位為40%，如果靜態(tài)試驗(yàn)時(shí)零位偏下，1 mm的偏差就有可能導(dǎo)致油動(dòng)機(jī)在小開度下無(wú)法沖動(dòng)轉(zhuǎn)子或者觸發(fā)過(guò)扭矩保護(hù)聯(lián)鎖無(wú)法開機(jī)的狀況。反之，如果機(jī)械零點(diǎn)設(shè)置靠上，就會(huì)出現(xiàn)汽輪機(jī)在速關(guān)閥開啟后未給定轉(zhuǎn)速，汽輪機(jī)就開始升速的故障現(xiàn)象。

因此，檢修過(guò)程中要嚴(yán)格施工工序質(zhì)量控制，要做好原始零點(diǎn)標(biāo)記，安裝完成后做靜態(tài)試驗(yàn)，檢驗(yàn)機(jī)械零點(diǎn)是否偏移，考驗(yàn)閥門線性，如果出現(xiàn)偏離及時(shí)調(diào)整錯(cuò)油門及連桿的調(diào)整螺栓，最后留存數(shù)據(jù)為下次檢修安裝，提供數(shù)據(jù)支撐。

2.2 調(diào)速器閥閥桿卡澀

某機(jī)組在機(jī)組過(guò)臨界轉(zhuǎn)速過(guò)程中，調(diào)速汽閥二次油壓逐漸上升至0.45 MPa，給定值逐漸開大至100%，但汽輪機(jī)調(diào)速器閥桿始終沒(méi)有開啟，原因?yàn)檎{(diào)速汽門閥桿卡澀，現(xiàn)場(chǎng)用銅棒輕微振動(dòng)閥桿，調(diào)速汽門突然全開，大量蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)，轉(zhuǎn)速由3 800 r/min迅速升至8 300 r/min(電子跳閘轉(zhuǎn)速10 489 r/min)，隨后經(jīng)過(guò)汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速降低至目標(biāo)轉(zhuǎn)速5 000 r/min。

檢查滑閥顫振、轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)正常，排除錯(cuò)油門卡澀故障，測(cè)量調(diào)速汽門閥桿兩組彈簧壓縮量偏差4 mm，結(jié)合檢修期間發(fā)現(xiàn)閥梁一側(cè)與閥桿T形頭配合部位存在壓痕，判斷由于彈簧緊力不同，造成兩個(gè)閥桿受力不均勻，閥門啟閉過(guò)程中閥桿垂直工作位置偏移，閥桿與軸套、填料密封環(huán)卡澀，無(wú)法動(dòng)作；再加上該閥檢修前，閥桿填料處微漏蒸汽，檢修人員為確保本次檢修無(wú)泄漏，將閥桿壓蓋緊力過(guò)大，經(jīng)過(guò)調(diào)整兩端彈簧壓縮量，松動(dòng)閥桿壓蓋緊力，最后調(diào)速汽門工作恢復(fù)正常，調(diào)速器閥閥桿如圖1所示。

圖1 調(diào)速器閥閥桿

2.3 錯(cuò)油門滑閥卡澀

某機(jī)組在開機(jī)過(guò)程中建立速關(guān)油壓后，給定目標(biāo)轉(zhuǎn)速1 000 r/min，二次油壓升壓正常，但現(xiàn)場(chǎng)調(diào)速汽閥閥位遲遲不動(dòng)作，在某一時(shí)刻突然開啟轉(zhuǎn)速迅速到達(dá)2 000 r/min，之后調(diào)節(jié)汽閥振蕩波動(dòng)，造成轉(zhuǎn)速大幅波動(dòng)，被迫停機(jī)。停機(jī)后重新做靜態(tài)試驗(yàn)，給定閥10%、20%時(shí)，調(diào)節(jié)汽閥動(dòng)作幅度不明顯。通過(guò)摘除錯(cuò)油門呼吸閥，檢查發(fā)現(xiàn)錯(cuò)油門滑閥轉(zhuǎn)動(dòng)盤未轉(zhuǎn)動(dòng)，增大二次油壓，轉(zhuǎn)動(dòng)盤仍未轉(zhuǎn)動(dòng)。解體檢查發(fā)現(xiàn)該錯(cuò)油門滑閥夾渣卡澀。經(jīng)分析，該機(jī)組大修后控制油系統(tǒng)未加濾網(wǎng)，并且控制油系統(tǒng)至錯(cuò)油門的動(dòng)力油位于油管線盲端，潤(rùn)滑系統(tǒng)內(nèi)雜質(zhì)進(jìn)入錯(cuò)油門造成滑閥卡澀，最后將錯(cuò)油門解體清洗，控制油盲端管線拆除，加濾網(wǎng)后反復(fù)沖洗，從該管線盲端沖出較多渣滓，如圖2所示，沖洗干凈后回裝，開機(jī)運(yùn)行正常。

圖2 某汽輪機(jī)控制油管線盲端沖洗出來(lái)的渣滓

分析原因?yàn)殄e(cuò)油門滑閥夾渣，導(dǎo)致滑動(dòng)卡澀。當(dāng)增大閥位時(shí)，滑閥跟蹤動(dòng)作不靈敏，導(dǎo)致調(diào)速器閥位異常高，當(dāng)轉(zhuǎn)子沖動(dòng)后，滑閥受彈簧力平衡，此時(shí)調(diào)節(jié)汽閥閥位開度過(guò)大，轉(zhuǎn)速快速達(dá)到2 000 r/min，探頭監(jiān)測(cè)到實(shí)際轉(zhuǎn)速過(guò)高后，電液轉(zhuǎn)換器給定關(guān)閥指令，閥位大幅關(guān)閉又引起轉(zhuǎn)速過(guò)低，周而復(fù)始，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速振蕩較大。

2.4 轉(zhuǎn)速探頭安裝不到位

某機(jī)組在開機(jī)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速升至3 000 r/min左右時(shí)，轉(zhuǎn)速突然異常波動(dòng)，調(diào)節(jié)汽閥突然關(guān)閉隨后又打開，造成機(jī)組升速過(guò)程不穩(wěn)。經(jīng)排查，發(fā)現(xiàn)參與轉(zhuǎn)速控制的兩個(gè)探頭中，其中一個(gè)探頭在3 000 r/min時(shí)突然跳至6 000 r/min。查歷史記錄，發(fā)現(xiàn)在前幾次開停機(jī)過(guò)程中，也存在某一個(gè)探頭在轉(zhuǎn)速3 000 r/min時(shí)突然跳至6 000 r/min。

該汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速傳感器為6個(gè)磁阻式傳感器，6個(gè)傳感器分布在汽輪機(jī)測(cè)速齒輪盤四周，與齒輪盤保持1 mm左右的間隙。其中A、B兩個(gè)轉(zhuǎn)速探頭用于調(diào)速，調(diào)速系統(tǒng)識(shí)別二者的高選值作為測(cè)得的實(shí)際轉(zhuǎn)速反饋給調(diào)速系統(tǒng)。CDE 三個(gè)轉(zhuǎn)速探頭用于超速三取二聯(lián)鎖保護(hù)，F(xiàn)傳至現(xiàn)場(chǎng)顯示。

測(cè)速齒輪盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒輪與測(cè)速探頭的磁鋼間隙發(fā)生階梯型變化，每經(jīng)過(guò)一個(gè)齒，氣隙磁阻變化一次，相應(yīng)線圈中的磁通量交變一次，從而在線圈兩端感應(yīng)出交流電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)的頻率f與齒輪的轉(zhuǎn)速n和齒數(shù)Z成正比，即f=nZ/60。

磁阻傳感器本質(zhì)上是一個(gè)電感，在齒輪經(jīng)過(guò)時(shí)的磁通變化，會(huì)在線圈中產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)這個(gè)反電勢(shì)和齒輪通過(guò)的特定頻率相互作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)雜波。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到3 000 r/min時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)正好與干擾電動(dòng)勢(shì)頻率重合，使得轉(zhuǎn)速探頭測(cè)量的轉(zhuǎn)速突變翻倍[5]。如果在升速過(guò)程中，參與控制的兩個(gè)轉(zhuǎn)速探頭A、B 、其中一個(gè)出現(xiàn)了二倍頻率信號(hào)，轉(zhuǎn)速突變至6 000 r/min，由于控制邏輯識(shí)別的是二者的高選值，控制系統(tǒng)會(huì)認(rèn)定實(shí)際轉(zhuǎn)速達(dá)到6 000 r/min，這與目標(biāo)轉(zhuǎn)速是完全不符的，于是PID會(huì)發(fā)出關(guān)閥信號(hào)觸使調(diào)節(jié)汽閥迅速關(guān)閉，當(dāng)該探頭恢復(fù)正常后實(shí)際轉(zhuǎn)速又出現(xiàn)一個(gè)大的階躍，調(diào)節(jié)汽閥又被迅速開啟，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速波動(dòng)。

解決該該問(wèn)題首先要檢查安裝的探頭是否符合規(guī)范，如圖3所示為API670 中關(guān)于轉(zhuǎn)速探頭的安裝示意圖，對(duì)于轉(zhuǎn)速探頭與齒峰間距E的要求，非精密速度傳感器的值為0.875 mm±0.375 mm，精密速度傳感器的E值為0.65±0.15 mm。

圖3 API670中關(guān)于轉(zhuǎn)速探頭的安裝示意圖

檢查排除安裝問(wèn)題后，仍不能解決的話，可以考慮以下兩方面：一是在轉(zhuǎn)速探頭上并聯(lián)一個(gè)250 Ω的電阻，通過(guò)電阻產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)可以抵消掉升速至3 000 r/min時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而屏蔽該干擾信號(hào)；二是將轉(zhuǎn)速探頭信號(hào)多引入一個(gè)參與轉(zhuǎn)速控制，實(shí)際轉(zhuǎn)速由“二選高”改為“三選中”，避免某個(gè)探頭受干擾短時(shí)失效造成的轉(zhuǎn)速誤判。

2.5 轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定

某機(jī)組在開機(jī)試車過(guò)程中，轉(zhuǎn)速升速速率出現(xiàn)波動(dòng)，在某一個(gè)目標(biāo)轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)速±150 r/min范圍內(nèi)波動(dòng)、振蕩，該現(xiàn)象在1 000～3 000 r/min尤為明顯，當(dāng)轉(zhuǎn)速升至工作6 475～9 712 r/min時(shí)通過(guò)PID整定，振蕩情況好轉(zhuǎn)，但控制速率過(guò)緩，待機(jī)組帶負(fù)荷開機(jī)時(shí)，通過(guò)多次PID整定消轉(zhuǎn)速仍舊動(dòng)作遲緩，始終無(wú)法滿足壓縮機(jī)串級(jí)、自動(dòng)控制要求，只能手動(dòng)控制。

通過(guò)對(duì)運(yùn)行狀況和檢修安裝數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合調(diào)速汽閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在機(jī)組小負(fù)荷工況區(qū)域?yàn)楦纳破缀驼{(diào)節(jié)級(jí)葉片的受力狀況，采取了第2只閥提前開啟的措施，但是第1、2調(diào)節(jié)閥有較大重疊度。調(diào)速器閥位指示標(biāo)尺較檢修前高2 mm，也就是說(shuō)調(diào)速器閥閥芯靠近下方2 mm，兩者同時(shí)作用導(dǎo)致調(diào)速器閥閥位虛位過(guò)大，低負(fù)荷汽門小開度會(huì)引起閥門頻發(fā)開啟關(guān)閉造成轉(zhuǎn)速波動(dòng)，通過(guò)PID整定雖然消除了波動(dòng)，但產(chǎn)生了升速速率過(guò)慢的問(wèn)題。

最后，通過(guò)在線調(diào)整錯(cuò)油門調(diào)整螺栓，將調(diào)速器閥桿提升2 mm，標(biāo)尺指示較原始位置降低2 mm，PID重新調(diào)整至原始開機(jī)狀態(tài)數(shù)值時(shí)，給定目標(biāo)轉(zhuǎn)速控制速率滿足負(fù)荷調(diào)整要求，機(jī)組轉(zhuǎn)速波動(dòng)狀況消除，汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制流程，如圖4所示。

圖4 汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制流程

3 質(zhì)量控制

3.1 檢修質(zhì)量控制

調(diào)節(jié)汽閥檢修拆除前各部件拆除前，安裝配合位置要做好標(biāo)記，記錄數(shù)據(jù)，便于回裝時(shí)作為標(biāo)記物。要特別關(guān)注調(diào)速器門閥桿填料壓蓋的緊力控制，兩端調(diào)速器閥桿大彈簧的壓縮量大小是否一致，調(diào)整油動(dòng)機(jī)和托架間碟簧緊力保證油缸在水平方向呈垂直狀態(tài)，調(diào)速汽門各連接轉(zhuǎn)動(dòng)部件銷軸的旋轉(zhuǎn)有無(wú)卡澀等關(guān)鍵質(zhì)量控制點(diǎn)。

3.2 嚴(yán)格執(zhí)行調(diào)節(jié)汽閥靜態(tài)試驗(yàn)

調(diào)節(jié)汽閥的靜態(tài)試驗(yàn)可以反映出調(diào)節(jié)汽閥的線性曲線，以及驗(yàn)證調(diào)節(jié)汽閥動(dòng)作精準(zhǔn)、遲緩度。一定要多次試驗(yàn)，一是可以檢測(cè)出調(diào)節(jié)汽閥每次的線性開度是否能與上一次重合；二是可以試驗(yàn)出調(diào)速系統(tǒng)是否存在卡澀。調(diào)節(jié)汽閥試驗(yàn)過(guò)程中不僅要試驗(yàn)10%、20%、30%等整數(shù)閥位，還需將調(diào)節(jié)汽閥的真實(shí)虛位試出來(lái)，定出機(jī)械零點(diǎn)，可以先給5%閥位觀察調(diào)節(jié)汽閥刻度是否動(dòng)作，再逐步給大1%閥位，找出刻度剛好動(dòng)作的那個(gè)閥位，與廠家提供的性能曲線進(jìn)行對(duì)比，確認(rèn)調(diào)節(jié)汽閥的機(jī)械零點(diǎn)是否滿足要求，若該閥位偏差較大，需反復(fù)調(diào)整，反復(fù)試驗(yàn)，直至符合要求，同時(shí)要記錄試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，為下次檢修提供安裝依據(jù)。

3.3 確?？刂朴偷那鍧嵍?/h3>

潤(rùn)滑油系統(tǒng)油運(yùn)合格是大機(jī)組開機(jī)的關(guān)鍵點(diǎn)。油運(yùn)過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行，對(duì)油系統(tǒng)管路要認(rèn)真檢查，確認(rèn)軸瓦前上油管線加裝200目臨時(shí)濾網(wǎng)。重點(diǎn)關(guān)注三點(diǎn)：一是注意旁掉汽輪機(jī)或壓縮機(jī)調(diào)節(jié)油系統(tǒng)，防止渣滓被帶入調(diào)節(jié)系統(tǒng)滑閥中造成卡澀，待潤(rùn)滑油系統(tǒng)沖洗合格后方可沖洗調(diào)節(jié)油系統(tǒng)；二是要注意將各分支管線末端充分進(jìn)行沖洗；三是沖洗過(guò)程中要注意切換油冷器和油過(guò)濾器，將油系統(tǒng)中各個(gè)死點(diǎn)盲端都考慮進(jìn)去。

3.4 嚴(yán)控轉(zhuǎn)速探頭安裝間隙

轉(zhuǎn)速探頭是控制轉(zhuǎn)速的直觀眼睛，正常運(yùn)行及開停機(jī)過(guò)程中要經(jīng)常檢查轉(zhuǎn)速趨勢(shì)有無(wú)波動(dòng)，尤其是開停機(jī)過(guò)程中，已有多個(gè)案例表明部分探頭在3 000 r/min附近時(shí)，易受感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)干擾產(chǎn)生兩倍轉(zhuǎn)速，確保探頭安裝間隙符合要求。

3.5 PID整定控制轉(zhuǎn)速處于穩(wěn)態(tài)

汽輪機(jī)被調(diào)參數(shù)除轉(zhuǎn)速外，還有機(jī)械特征參數(shù)(調(diào)節(jié)量):如控制油壓、蒸汽流量等，由于機(jī)械部位的特征參數(shù)對(duì)調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)參數(shù)要求比轉(zhuǎn)速PID低，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，只要PID參數(shù)調(diào)整合適，通?？梢詽M足穩(wěn)定性要求，而對(duì)自動(dòng)調(diào)節(jié)主汽門調(diào)節(jié)過(guò)程而言，無(wú)需微分功能，僅采用比例積分作用完全可以達(dá)到良好調(diào)節(jié)的品質(zhì)。因此，機(jī)組在開機(jī)狀態(tài)下發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)振蕩、升降速速率遲緩等問(wèn)題，可通過(guò)PID整定實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

調(diào)速系統(tǒng)對(duì)于汽輪機(jī)而言起著非常重要的作用，而掌握汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)缺陷和不安全因素以及檢修質(zhì)量控制要點(diǎn)，對(duì)于操作及維修人員至關(guān)重要，需要在日常檢修維護(hù)過(guò)程中要做到全面細(xì)致。結(jié)合汽輪機(jī)調(diào)速器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，針對(duì)汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)開機(jī)過(guò)程中常見的故障，科學(xué)的采取預(yù)防性措施，從而保證機(jī)組一次開車成功。