一起PG9171E型燃?xì)廨啓C(jī)起動失敗故障的原因分析及處理

楊 薇

(中國天辰工程有限公司,天津 300400)

某國外電廠配置一套PG9171E型燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組,于2008年投產(chǎn),采用“一拖一”方式即 1 臺 120 MW型燃?xì)廨啓C(jī)帶 1 臺 60 MW 蒸汽輪機(jī)獨(dú)立運(yùn)行。燃?xì)廨啓C(jī)起動過程中,由于靜摩擦和轉(zhuǎn)子的靜慣性作用,在零轉(zhuǎn)速時燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)動所需的扭矩最大,在零轉(zhuǎn)速時的起動電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩只有額定轉(zhuǎn)速時的一半左右[1]。因此,在交流起動電動機(jī)(88CR-1)和燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子之間安裝了液力變扭器,解決了起動過程中它們扭矩特性不匹配的問題。在燃?xì)廨啓C(jī)盤車過程中,盤車馬達(dá)的扭矩通過液力變扭器放大并輸出,保證機(jī)組的轉(zhuǎn)子維持正常的盤車轉(zhuǎn)速,使轉(zhuǎn)子和缸體受熱均勻,不致因受熱不均導(dǎo)致葉片損壞或大軸抱死。

1 起動失敗的現(xiàn)象

1.1 起動失敗邏輯信號

某日,該電廠燃?xì)廨啓C(jī)的主設(shè)備大修完成后進(jìn)行試驗(yàn)性起動燃?xì)廨啓C(jī)。在燃?xì)廨啓C(jī)起動過程中,在脫扣轉(zhuǎn)速階段出現(xiàn)了液力變扭器的故障報警(L94TC_ALM),造成了燃?xì)廨啓C(jī)自動停機(jī)。

造成此次自動停機(jī)直接原因是當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到脫扣轉(zhuǎn)速60%時,液力變扭器工作油的控制電磁閥20TU-1 失電后,其滑閥位置監(jiān)測開關(guān)33TC-1在8 s內(nèi)未動作,觸發(fā)了正常停機(jī)程序,起動失敗。

1.2 失敗原因初步排查

燃?xì)廨啓C(jī)停下來后,對電磁閥20TU-1控制電纜、線圈直阻進(jìn)行檢查?？刂齐娎|對地絕緣大于10 MΩ(250 VAC 絕緣搖表),線圈直阻為121 Ω(廠家提供數(shù)據(jù)120 Ω),均正常。對該電磁閥進(jìn)行帶電測試,觀察其閥芯動作正常,未見有卡澀現(xiàn)象;目測電磁閥進(jìn)出油孔干凈,無顆粒雜質(zhì)。33TC-1 的控制電纜對地絕緣大于10 MΩ,觸點(diǎn)動作正常,無卡澀現(xiàn)象。

確認(rèn)上述部件工作正常后,重新啟動燃?xì)廨啓C(jī),在轉(zhuǎn)速為60%時,20TU-1 失電后,33TC-1及時反饋,機(jī)組起動正常。

在第三次起動試驗(yàn)時,燃?xì)廨啓C(jī)出現(xiàn)了與首次相同故障現(xiàn)象,在轉(zhuǎn)速升至脫扣轉(zhuǎn)速60%時,20TU-1失電后,持續(xù)約5 min后33TC-1才動作,造成了控制系統(tǒng)觸發(fā)停機(jī)程序L94TC及L94TC_ALM,起動失敗,如圖1所示。

由于該機(jī)組在本次大修對液力變扭器也進(jìn)行解體大修,并更換了相關(guān)損壞部件,因此一時難于判斷具體故障點(diǎn),需要從液力變扭器的控制原理、工作原理等進(jìn)一步分析并查找故障原因。

2 起動系統(tǒng)工作原理分析及起動失敗原因排查

2.1 液力變扭器基本工作原理

液力變扭器是以液體為工作介質(zhì)的一種非剛性扭矩變換器,是液力傳動的形式之一。它有一個密閉工作腔,液體在腔室內(nèi)循環(huán)流動,其中泵輪、渦輪和進(jìn)口導(dǎo)葉分別與輸入軸、輸出軸和殼體相連,如圖2所示。驅(qū)動馬達(dá)通過輸入軸帶動泵輪旋轉(zhuǎn)時,泵輪內(nèi)工作液在離心力的作用下產(chǎn)生高速液體推動渦輪旋轉(zhuǎn)時,液體從泵輪流出,順次經(jīng)過渦輪、進(jìn)口導(dǎo)葉,再返回泵輪,周而復(fù)始地循環(huán)流動。泵輪將輸入軸的機(jī)械能傳遞給液體,液體推動渦輪旋轉(zhuǎn),將能量傳輸給輸出軸。液力變扭器是靠液體與葉片相互作用產(chǎn)生動量矩的變化傳遞扭矩。導(dǎo)輪葉片變化可以相應(yīng)改變其輸出扭矩和轉(zhuǎn)速。

圖2 液力變扭器工作原理示意圖

2.2 PG9171E型燃?xì)廨啓C(jī)起動系統(tǒng)工作原理

PG9171E型燃?xì)廨啓C(jī)采用的液力變扭器為德國VOITH(福伊特)公司生產(chǎn)的,型號為EL 10 ZFG,額定功率為1 416 kW,額定輸入轉(zhuǎn)速為2 950 r/min,輸出轉(zhuǎn)速為2 100 r/min。

如圖3,PG9171E型燃?xì)廨啓C(jī)起動系統(tǒng)裝置主要由盤車電機(jī)88TG-1、起動電機(jī)88CR-1、液力變扭器、液力變扭器導(dǎo)葉調(diào)整電機(jī)88TM-1、導(dǎo)葉角度反饋96TM-1、工作油控制電磁閥20TU-1、滑閥位置開關(guān)33TC-1等部件組成。盤車電機(jī)與起動電機(jī)之間通過柔性聯(lián)軸器相聯(lián)。起動電機(jī)與液力變扭器之間、液力變扭器與輔助齒輪箱之間是通過靠背輪螺栓相連。輔助齒輪箱與燃?xì)廨啓C(jī)大軸是通過充油式半柔性聯(lián)軸器相聯(lián)。

圖3 PG9171E型燃?xì)廨啓C(jī)起動系統(tǒng)裝置示意圖

88CR-1帶動燃?xì)廨啓C(jī)起動,通過調(diào)節(jié)88TM-1改變液力變扭器導(dǎo)葉角度來調(diào)節(jié)傳送的扭矩。88CR-1無載起動2 s,20TU-1帶電潤滑油推動滑閥移動,到位后限位開關(guān)33TC-1 動作,潤滑油通過滑閥注入液力變扭器,同時扭力傳送到燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子開始拖動。當(dāng)達(dá)到清吹轉(zhuǎn)速10%時,通過調(diào)節(jié)88TM-1,使燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速提高并維持在清吹轉(zhuǎn)速來排出熱通道的可燃煙氣。清吹完成后,20TU-1失電,滑閥失去控制潤滑油,滑閥移動并排去液力變扭器工作油,33TC-1復(fù)位,當(dāng)轉(zhuǎn)速跌至10%以下時20TU-1再次帶電,然后燃?xì)廨啓C(jī)開始升速,速度超過10%時開始注入燃料和點(diǎn)火。點(diǎn)火成功后,液力變扭器導(dǎo)葉角度也按要求不斷調(diào)整使燃?xì)廨啓C(jī)加速至自持轉(zhuǎn)速(大約為燃?xì)廨啓C(jī)額定轉(zhuǎn)速的60%),此時,20TU-1失電,液力變扭器泄油使燃?xì)廨啓C(jī)和起動系統(tǒng)脫扣,88CR-1退出工作[2]。脫扣后,燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速在透平的帶動下不斷上升,直至空載滿速。

2.3 起動失敗原因排查

2.3.1 L94TC和 L94TC_ALM 的邏輯

如圖4,根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)控制程序邏輯,在20TU-1 失電后,在8 s內(nèi)未接收到33TC-1 動作反饋信號,程序?qū)⒂|發(fā)報警信號L94TC_ALM,同時通過L94TC 觸發(fā)燃?xì)廨啓C(jī)自動停機(jī)信號。

圖4 L94TC和L94TC_ALM 邏輯關(guān)系

2.3.2 原因排查

(1) 基本原因分析

從圖3 和圖5可知,33TC-1是監(jiān)控滑閥閥芯的位置,在20TU-1 帶電后,建立滑閥控制油壓,閥芯在油壓作用下克服彈簧力移動,從而使滑油通過滑閥進(jìn)入液力變扭器,建立工作油。燃?xì)廨啓C(jī)升速控制程序通過調(diào)整液力變扭器導(dǎo)葉角度來控制升速。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到脫扣轉(zhuǎn)速60%時,20TU-1 失電,由于閥芯未移動或未到位,燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)未接收到33TC-1 相應(yīng)反饋信號,意味著液力變扭器的工作油未通過滑閥卸掉,還處在運(yùn)行狀態(tài),影響機(jī)組運(yùn)行,造成L94TC觸發(fā)自動停機(jī)程序。

圖5 滑閥的剖面圖

(2) 具體原因論證與分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證滑閥閥芯工作狀態(tài),安裝臨時壓力表分別監(jiān)測滑油母管壓力、液力變扭器泵輪入口及渦輪出口油壓,如圖3 的A、B、C所示。

設(shè)備廠家預(yù)留了監(jiān)視液力變扭器泵輪入口油壓及渦輪出口油壓兩個測量孔(尺寸為M14×1.5 內(nèi)螺紋孔),通過取樣管連接壓力表可以實(shí)時監(jiān)測上述壓力變化情況,如圖6中的M1和M2所示。

圖6 液力變扭器工作油壓力測點(diǎn)

在M1和M2安裝臨時壓力表監(jiān)測液力變扭器在燃?xì)廨啓C(jī)各個轉(zhuǎn)速階段的壓力變化。圖7為該廠安裝臨時監(jiān)測液力變扭器滑油母管油壓壓力表、液力變扭器泵輪入口及渦輪出口油壓壓力表的實(shí)圖。

圖7 現(xiàn)場臨時壓力表

PG9171E型燃?xì)廨啓C(jī)在低速盤車時,88TG-1通過液力變扭器驅(qū)動大軸旋轉(zhuǎn),維持3.2%轉(zhuǎn)速,空氣流過燃?xì)廨啓C(jī)并對內(nèi)部進(jìn)行冷卻,防止轉(zhuǎn)子和缸體的彎曲變形,以便于燃?xì)廨啓C(jī)-發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行下一次起動。

在起動加速過程中,88CR-1 通過液力變扭器的88TM-1調(diào)節(jié)導(dǎo)葉角度,按照起動程序改變液力變扭器輸出扭矩,從而使燃?xì)廨啓C(jī)按照預(yù)定升速曲線運(yùn)行至滿速運(yùn)行。表1為燃?xì)廨啓C(jī)起動至空載滿速時,各轉(zhuǎn)速階段液力變扭器內(nèi)部滑油油壓。

表1 各轉(zhuǎn)速階段液力變扭器內(nèi)部滑油油壓

通過現(xiàn)場觀察到,在20TU-1 失電后,液力變扭器泵輪入口油壓和渦輪出口油壓在1～2 s內(nèi)降至零,同時也觀察到33TC-1 限位開關(guān)與閥芯之間的頂針未完全出來,造成限位開關(guān)未動作,15 s后頂針完全出來后,限位開關(guān)動。根據(jù)上述現(xiàn)象,可以確定液力變扭器工作壓力正常,扭矩輸出正常。

33TC-1是通過頂針監(jiān)測滑閥閥芯的實(shí)際位置,如圖5所示。燃?xì)廨啓C(jī)在20TU-1 失電后,頂針沒有立即完成彈出,即閥芯沒有完全處在泄油狀態(tài)。

造成滑閥閥芯動作不順暢有以下幾種原因:潤滑油的顆粒污染度不合格;控制油壓卸油不順暢;滑閥的閥芯表面有缺陷。

該電廠在液力變扭器的泵輪入口、渦輪出口位置進(jìn)行滑油取樣化驗(yàn),其顆粒污染度質(zhì)量指標(biāo)均為6級(檢測參考標(biāo)準(zhǔn)為液壓油清潔度標(biāo)準(zhǔn)NAS 1638),均滿足燃?xì)廨啓C(jī)廠家對滑油的要求。為了確認(rèn)控制油壓情況,燃?xì)廨啓C(jī)在高速盤車轉(zhuǎn)速階段,強(qiáng)制20TU-1 電磁閥失電,觀察頂針的動作情況。頂針未被頂出,當(dāng)輕輕敲擊電磁閥和用金屬條推動電磁閥閥芯時,頂針立即彈出。由此判斷出,20TU-1線圈失電后,閥芯卡澀沒有到位,造成滑閥控制油卸油不順暢,滑閥閥芯沒有完全滑動到卸油狀態(tài),造成33TC-1 未動作。更換了新的電磁閥后,故障排除。

3 結(jié)語

液力變扭器作為燃?xì)廨啓C(jī)起動系統(tǒng)裝置的重要設(shè)備,其工作狀態(tài)直接影響到機(jī)組正常運(yùn)行。通過監(jiān)測其控制油壓的變化,可以間接實(shí)時了解到其工作狀態(tài),對起動系統(tǒng)裝置故障查找原因提供很好的依據(jù)。另外,電磁閥是燃?xì)廨啓C(jī)自動控制系統(tǒng)中不可缺少的執(zhí)行元件,它的好壞直接影響機(jī)組的安全可靠運(yùn)行。因此,電磁閥定期維護(hù)及定期檢修至關(guān)重要。