汽輪機轉(zhuǎn)速波動的原因分析及處理方法

王世軍，吳世奇，程新續(xù)

（中國石油大慶煉化公司檢維修中心，黑龍江大慶 163411）

0 引言

汽油加氫裝置循環(huán)氫壓縮機組K201 主要由兩臺BCL408型離心式壓縮機和一臺BHS25/01 汽輪機組成，壓縮機和汽輪機之間采用膜片聯(lián)軸器連接。汽輪機為背壓式汽輪機，采用MCS 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行轉(zhuǎn)速控制。

1 故障現(xiàn)象

2016 年10 月，汽油加氫裝置循環(huán)氫壓縮機組K201 汽輪機開始出現(xiàn)間歇性不規(guī)律的轉(zhuǎn)速波動，同時機殼內(nèi)部伴有異常聲響，但查看兩側(cè)軸瓦振動、溫度數(shù)值并無異常。初步判斷為汽輪機調(diào)速系統(tǒng)故障。

2 故障分析

汽輪機的調(diào)速系統(tǒng)由4 部分組成，即轉(zhuǎn)速感受機構(gòu)、傳動放大機構(gòu)、配汽機構(gòu)和反饋機構(gòu)。轉(zhuǎn)速感受機構(gòu)將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)變?yōu)橐淮慰刂菩盘?。傳動放大機構(gòu)對一次控制信號作功率放大，并按照調(diào)節(jié)需求做控制運算，從而產(chǎn)生油動機控制信號，調(diào)整各路油線壓力及通路情況，控制油動機行程。配汽機構(gòu)將油動機的行程轉(zhuǎn)變?yōu)楦髡{(diào)節(jié)汽門的開度。通過配汽機構(gòu)的非線性傳遞特性，汽輪機的進汽量與油動機進行程間矯正到近線性關(guān)系，最后由反饋機構(gòu)控制進氣量，來控制整體汽輪機的轉(zhuǎn)速。

由于汽輪機的蒸汽壓力很高，所以相對開啟主汽門和調(diào)節(jié)汽門需要很大的驅(qū)動力。為保障汽輪機組平穩(wěn)運行，必須要求調(diào)節(jié)汽門的驅(qū)動機構(gòu)有較好的響應靈敏性和較快的響應速度。特別是在機組甩負荷等危急工況下，要求主汽門和調(diào)節(jié)汽門能在極短的時間內(nèi)全行程關(guān)閉。因此，對汽輪機調(diào)節(jié)汽門和主汽門的驅(qū)動機構(gòu)提出慣性小、驅(qū)動功率大的特殊要求。

該轉(zhuǎn)速波動現(xiàn)象持續(xù)至2016 年12 月底，并且轉(zhuǎn)速波動及異響情況愈發(fā)變得頻繁。在此運行期間，生產(chǎn)裝置工藝技術(shù)人員排除了主蒸汽溫度、壓力、蒸汽快開閥過濾網(wǎng)堵塞問題、凝汽器真空度過低、儀表傳動放大機構(gòu)、壓縮機負荷以及操作等一切可能成汽輪機轉(zhuǎn)速波動的工藝原因，檢查控制系統(tǒng)的油壓（二次油壓）無波動，并且通過油質(zhì)化驗分析，油質(zhì)也正常，調(diào)速油壓大部分是根據(jù)驅(qū)動蒸汽的壓力高低，能夠使主汽閥迅速關(guān)閉的油壓。潤滑油壓的大小和轉(zhuǎn)速有很大關(guān)系，防止產(chǎn)生油膜振動來決定多高壓力，排除了控制系統(tǒng)油壓波動引起的調(diào)速氣門波動的可能，基本判斷為內(nèi)部機械執(zhí)行部分有磨損間隙超差或有卡澀等故障。

3 故障檢查

2017 年1 月13 日，為徹底解決該設(shè)備隱患，決定將汽輪機停機，對汽輪機調(diào)速系統(tǒng)檢查。在拆卸汽輪機調(diào)節(jié)閥的過程中，根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)的拆卸先后順序，首先檢查了連桿、鉸鏈等傳動機構(gòu)的結(jié)合部位，排除由于傳動機構(gòu)結(jié)合部位的磨損或調(diào)節(jié)部件的卡澀造成引起調(diào)速系統(tǒng)遲緩。遲緩對汽輪機的正常運行是十分不利的，增加了汽輪機從負荷、壓力等工藝參數(shù)發(fā)生變化到調(diào)節(jié)閥開始動作反應的時間，造成汽輪機不能及時適應外界負荷的變化，造成汽輪機轉(zhuǎn)速的改變。如果汽輪機遲緩率過大，反應時間過長，在汽輪機突然甩負荷后，將使轉(zhuǎn)速上升過高以致超速保護裝置動作，切斷進汽，造成機組停機事故。對孤立運行的機組，將產(chǎn)生較大的負荷擺動；對并列運行機組，將會其他運行機組產(chǎn)生影響。

首先檢查調(diào)節(jié)汽門，調(diào)節(jié)氣門又稱調(diào)節(jié)閥，通過改變升程調(diào)節(jié)進入汽輪機的蒸汽量。對調(diào)節(jié)汽門，要求有良好的空氣動力學特性和升程—流量特性，流動損失小，流場穩(wěn)定，開啟的提升力平穩(wěn)變化且盡可能小。在拆解后檢查閥碟、門座閥座、閥桿及球面的線型密封處，沒有發(fā)現(xiàn)連接結(jié)合部位有磨損、斷裂、變形等異常情況。其次,重點檢查了調(diào)節(jié)閥閥桿與閥梁接觸部位、閥碟及閥座表面沖刷磨損情況，發(fā)現(xiàn)1、2、3 級閥碟及閥座表面有輕微的水垢，清理后檢查球面型線密封面表面光滑，無凸起、凹坑、劃痕等損傷，其他閥碟及閥座沒有問題，閥桿與閥梁的接觸部位也沒有磨損痕跡。最后，考慮到閥碟自由行程的改變會影響調(diào)節(jié)系統(tǒng)的重疊度，也會影響到汽輪機的轉(zhuǎn)速，用深度游標卡尺對閥梁上4 個閥碟的行程逐一進行了檢測。廠家提供的調(diào)節(jié)汽閥閥梁部位裝配圖及閥碟自由行程尺寸要求如圖1、表1 所示。

表1 閥碟自由行程尺寸要求 mm

測得的4 個閥碟自由行程見表2。由于實際閥梁下表面為平面，并無圖1 所示凹面，因此第1、2 級閥自由行程要求值不應含x 值。測得4 個閥碟自由行程均符合設(shè)計要求，基本排除了調(diào)節(jié)閥閥碟及閥桿帶來的影響。

表2 閥碟自由行程實測尺寸 mm

圖1 閥梁部位裝配圖

在調(diào)節(jié)閥閥座的檢查過程中，檢修人員發(fā)現(xiàn)在蒸汽入口處速關(guān)閥主閥錐與閥座之間有間距大約2 cm 寬的縫隙，根據(jù)這個現(xiàn)象檢修人員初步判斷故障原因為速關(guān)閥未關(guān)嚴。由于速關(guān)閥主閥錐是在油缸彈簧力的作用下關(guān)閉的，因此檢修人員初步懷疑速關(guān)閥存在卡澀所有沒有關(guān)嚴，因此建議操作人員通過速關(guān)油油壓先將速關(guān)閥開啟，然后再手動撥動危機保安器，通過泄掉速關(guān)油來觀察速關(guān)閥主閥錐能否順利復位關(guān)嚴。在操作的過程中發(fā)現(xiàn)，當啟動油壓和速關(guān)油壓順利建立后，啟動油壓力降至0.3 MPa左右時，速關(guān)油油壓由0.8 MPa 突然泄至0，重復幾次操作都表現(xiàn)出相同情況。

速關(guān)閥的開啟是用油壓實現(xiàn)控制的，當啟動油進入活塞右側(cè)，活塞在油壓的作用下，克服彈簧力被壓向活塞盤，使活塞與活塞盤兩個密封面貼合（此時速關(guān)油回油孔被堵死），之后將速關(guān)油進入活塞盤左側(cè)，隨著速關(guān)油油壓的建立，啟動油壓進行有控制的泄放，于是活塞盤和活塞如同一個整體構(gòu)件。在兩側(cè)壓差的作用下，持續(xù)向?qū)嶒灮钊麄?cè)移動直至被實驗活塞限位。閥桿的右端是與活塞盤連為一體的，所以活塞盤移動的同時帶動閥桿一起移動，速關(guān)閥也就隨之開啟。而當危急保安裝置動作時，速關(guān)油失壓，速關(guān)閥有足夠大的關(guān)閉力和快速性，一般要求在主汽閥全關(guān)以后，彈簧對主閥錐留有50～80 MPa的壓緊力，從而使速關(guān)閥從保護動作到主汽閥全部關(guān)閉的時間小于0.5～0.8 s，此時彈簧力大于活塞盤后壓力，在彈簧力的作用下，活塞盤、閥桿、主閥錐迅速推向關(guān)閉位置，活塞盤后殘余的部分速關(guān)油流入活塞和彈簧空間并經(jīng)回油口排出。

考慮到閥桿卡澀也可能導致速關(guān)閥關(guān)閉不嚴，同時在卡澀也會使活塞盤不能軸向運動，因此當啟動油壓降低至小于彈簧力的情況時，活塞在彈簧力的作用下與活塞盤分離，速關(guān)油通過回油口泄掉，與上述故障現(xiàn)象吻合。于是開始拆卸速關(guān)油油缸，檢查閥桿有無卡澀，如閥桿彎曲會導致閥桿卡澀，用百分表檢查閥桿跳動值小于0.02 mm，檢查閥桿無彎曲現(xiàn)象。在將速關(guān)閥彈簧力全部卸掉后，拿撬棍撬動速關(guān)閥閥桿，結(jié)果速關(guān)閥閥桿活動自如并無卡澀，同時將活塞盤推靠至油缸壓蓋檢查，發(fā)現(xiàn)主閥錐周圍仍然存在很大的縫隙。

繼續(xù)拆卸速關(guān)閥法蘭連接螺栓，抽出閥桿、主閥錐及閥蓋組件，檢查發(fā)現(xiàn)速關(guān)閥閥座由汽輪機上機殼中脫落，主閥錐、閥蓋以及閥座表面布滿磕碰痕跡，閥座與機殼配合部位由于磕碰卷邊變形（圖2），因此閥座與機殼的配合尺寸無法準確測量。檢查閥座表面僅有兩處焊點，由此初步判斷為閥座與機殼安裝間隙大，焊點少不牢靠是導致閥座脫落的主要原因。而汽輪機運行時發(fā)出的異響為脫落的閥座與主閥錐、閥蓋的相互碰撞聲，并且脫落的閥座會影響蒸汽穩(wěn)定的進氣量，進而造成汽輪機轉(zhuǎn)速波動。

圖2 閥座磕碰變形

4 故障處理

影響汽輪機轉(zhuǎn)速波動、異響的故障點已找到，但新閥座與蒸汽入口殼體短時間內(nèi)不能到貨，閥座本體修復無望，無法回裝。因開工在即，經(jīng)過商討決定摘除閥座后，將速關(guān)閥、調(diào)節(jié)閥回裝，既可以保證汽輪機能按時啟機，又可以解決引起轉(zhuǎn)速波動的故障。但在回裝調(diào)節(jié)閥、速關(guān)閥后，開啟啟動油、速關(guān)油，關(guān)閉啟動油泄至0.3 MPa 時，再次出現(xiàn)速關(guān)油壓由0.8 MPa 泄至0 無法保持油壓的異常情況。

分析判斷啟動油、速關(guān)油油壓在0.8 MPa 時，壓力均能保持在正常數(shù)值范圍內(nèi)。因此可以斷定速關(guān)組合裝置內(nèi)部油路應該正常無泄壓點，現(xiàn)場判斷外部也無泄漏點。手握靠近速關(guān)閥油缸部位的速關(guān)油油管和回油管都能感覺到溫度，證明速關(guān)油能夠通到油缸，且是最終通過回油管線泄掉的。種種現(xiàn)象表明問題只能是出在速關(guān)閥本體上，但速關(guān)閥閥桿卡澀的情況已經(jīng)排除。

根據(jù)速關(guān)閥其工作原理分析，只有當速關(guān)油無法注入油缸活塞盤背部，即活塞盤無法在油壓的作用下克服彈簧力隨活塞移動，才會發(fā)生上述狀況。考慮到這次檢修只摘除了速關(guān)閥閥座，而閥座除起到密封作用外，還能夠阻止主閥錐連帶活塞盤向蒸汽室方向軸向移動。閥座摘除后，由于沒有閥座的軸向位置限制，在彈簧力的作用下，由于前側(cè)無閥座從軸向控制速關(guān)閥閥錐位置，會使速關(guān)閥活塞盤與速關(guān)閥油缸壓蓋貼死。此處無間隙后，會導致速關(guān)油無法從后側(cè)注入活塞盤背部，從而失去了其推動活塞盤作用。

查閱隨機速關(guān)閥結(jié)構(gòu)圖紙并咨詢汽輪機廠家，發(fā)現(xiàn)活塞盤與速關(guān)閥油缸壓蓋之間有4～10 mm 的安裝間隙要求。找出問題所在后，分析討論決定嘗試在活塞盤與油缸壓蓋之間加裝6 mm厚的外圈調(diào)整鋼墊。繼續(xù)拆卸速關(guān)閥油缸，在活塞盤與油缸壓蓋之間加裝調(diào)整墊后回裝速關(guān)閥油缸。投用啟動油、速關(guān)油一切正常，速關(guān)閥恢復正常運行工況。汽輪機啟機后，也未出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動及內(nèi)部發(fā)出異響情況。

此次檢修雖解決轉(zhuǎn)速波動及運行異響問題，但拆除閥座后若機組運行出現(xiàn)緊急狀況，速關(guān)閥不能及時關(guān)閉切斷主進汽，不能保證機組安全停車。待新閥座與蒸汽入口殼體到貨后，檢修人員及時安裝保障機組平穩(wěn)、安全運行。

5 結(jié)語

汽輪機轉(zhuǎn)速波動是汽輪機常見問題之一，一旦出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動將嚴重影響汽輪機安全穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。造成汽輪機轉(zhuǎn)速波動的原因有很多，本次故障主要原因為速關(guān)閥閥座焊口開裂，導致閥座脫落，造成閥座與主閥錐、閥蓋相互碰撞，使進氣量不穩(wěn)定，造成汽輪機轉(zhuǎn)速波動，運行時有異響。本文詳細闡述了汽輪機發(fā)生轉(zhuǎn)速波動后故障排查、分析及處理的過程，為處理此類故障提供借鑒。