王 竟

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司，200540)

汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的作用是控制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷和抽汽壓力以維持汽輪機(jī)正常運(yùn)行，因此調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)汽輪機(jī)安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用[1]。中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱上海石化)熱電部3臺(tái)50 MW汽輪抽汽機(jī)組原來(lái)采用純液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，控制精度小，調(diào)節(jié)性能差，自動(dòng)化水平較低，不能適應(yīng)電網(wǎng)的要求[2]。

上海石化為積極推進(jìn)電站機(jī)爐的集中控制，于2011年完成了低壓透平油數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)的改造，控制精度和自動(dòng)化水平有了提高，但出現(xiàn)了一些新的問(wèn)題，導(dǎo)致機(jī)組出現(xiàn)故障，甚至停機(jī)。

作為上海石化自備熱電廠，主設(shè)備(汽機(jī)、鍋爐等)的安全性與穩(wěn)定性至關(guān)重要，因此對(duì)機(jī)組出現(xiàn)故障的原因進(jìn)行分析，制定和落實(shí)整改措施顯得十分必要。

1 機(jī)組基本情況及DEH改造情況

1.1 機(jī)組基本情況

上海石化熱電部裝備2臺(tái)上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的C50-90/13-II型單抽汽輪發(fā)電機(jī)組(2#機(jī)和3#機(jī))，進(jìn)汽溫度535 ℃；另裝備1臺(tái)上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的CC50-8.83/4.12/1.47型雙抽汽輪發(fā)電機(jī)組(4#機(jī))，進(jìn)汽溫度535 ℃。2#機(jī)、3#機(jī)和4#機(jī)的自動(dòng)主汽門(TV)配套手動(dòng)操縱座均為1臺(tái)；高壓調(diào)門(GV)的汽門均為4個(gè)，油動(dòng)機(jī)均為2臺(tái)；低壓旋轉(zhuǎn)隔板(LV)均為1套、油動(dòng)機(jī)均為1臺(tái)；4#機(jī)另配中壓調(diào)門(IV)的汽門4臺(tái)，油動(dòng)機(jī)4臺(tái)。調(diào)門編號(hào)規(guī)則是在簡(jiǎn)稱字母后加數(shù)字，如2號(hào)高壓調(diào)門表示為“GV2”。

1.2 DEH改造基本情況

DEH按照比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制原理實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷及抽汽的控制。比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用比例伺服閥，通過(guò)接收DEH發(fā)出的電信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為油壓來(lái)控制各油動(dòng)機(jī)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組運(yùn)行的控制。油動(dòng)機(jī)的控制方式為“一對(duì)一”，即一臺(tái)油動(dòng)機(jī)配一個(gè)比例伺服閥和反饋放大器。

DEH改造內(nèi)容如下：(1)將自動(dòng)主汽門操作方式由手動(dòng)改為電動(dòng)；(2)取消原有的同步器、調(diào)壓器等，基本保留調(diào)節(jié)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和保護(hù)系統(tǒng)；(3)取消油動(dòng)機(jī)機(jī)械反饋裝置，增加2個(gè)位移傳感器(LVDT)，并對(duì)油動(dòng)機(jī)的錯(cuò)油門進(jìn)行改造；(4)增加103%超速控制(OPC)、電超速保護(hù)和閥門非線性修正。

2 DEH改造后機(jī)組出現(xiàn)的問(wèn)題

2.1 調(diào)門油動(dòng)機(jī)晃動(dòng)頻繁，雙抽機(jī)組尤為嚴(yán)重

圖1為某次雙抽機(jī)組GV2晃動(dòng)曲線。從圖1可以看出：GV1的指令和GV2的指令根據(jù)工況同時(shí)從77%左右調(diào)整到83%左右，GV1的閥位對(duì)指令的反饋比較準(zhǔn)確；但GV2的閥位反饋不準(zhǔn)確，偏差很大，且出現(xiàn)劇烈的晃動(dòng)，2 s內(nèi)晃動(dòng)幅度范圍從95%左右到近0，GV2的比例伺服閥中位電壓(S電壓值)也出現(xiàn)波動(dòng)。另外，電負(fù)荷隨GV2閥位同步波動(dòng)，但由于GV1較穩(wěn)定，負(fù)荷變化幅度相對(duì)較小，最高為63 MW左右，最低為37 MW左右。

圖1 雙抽機(jī)組GV2晃動(dòng)曲線

2.2 油動(dòng)機(jī)LVDT反饋裝置故障

油動(dòng)機(jī)LVDT反饋裝置故障出現(xiàn)過(guò)兩次：一次是雙抽機(jī)組IV2自行從28 mm開(kāi)至60 mm時(shí)，主蒸汽流量由184(206) t/h下降至176(197) t/h(機(jī)組有兩根進(jìn)汽管)，中壓抽汽流量由84 t/h上升至132 t/h，低壓抽汽流量由119 t/h下降至54 t/h；另一次是雙抽機(jī)組低壓抽汽流量由90 t/h下降至55 t/h后再上升至145 t/h，LV的反饋顯示開(kāi)度為124 mm，實(shí)際為關(guān)閉狀態(tài)，即0 mm。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，兩次故障分別是由油動(dòng)機(jī)LVDT連桿斷裂及與低壓油動(dòng)機(jī)LVDT連接的油動(dòng)機(jī)活塞桿的抱箍脫落所致。

2.3 調(diào)門油動(dòng)機(jī)卡澀故障

在機(jī)組開(kāi)、停車及正常運(yùn)行時(shí)均出現(xiàn)過(guò)調(diào)門油動(dòng)機(jī)在某一開(kāi)度位置只能關(guān)不能開(kāi)的現(xiàn)象，即故障發(fā)生時(shí)，調(diào)門閥位跟隨DEH指令開(kāi)大，但不跟隨指令關(guān)小。

2.4 自動(dòng)主汽門機(jī)械過(guò)緊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障、開(kāi)啟過(guò)程不穩(wěn)定

自動(dòng)主汽門均存在操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)機(jī)械過(guò)重，手動(dòng)操作困難，運(yùn)行中還出現(xiàn)閥位反饋信號(hào)不準(zhǔn)確、執(zhí)行機(jī)構(gòu)卡板損壞等執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障。這些故障只能在停機(jī)時(shí)進(jìn)行處理，因而主汽門長(zhǎng)時(shí)間處于現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制狀態(tài)，運(yùn)行中松動(dòng)試驗(yàn)只能在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。

自動(dòng)主汽門還出現(xiàn)開(kāi)啟過(guò)程不穩(wěn)定和自動(dòng)關(guān)閉等故障。圖2為一次自動(dòng)主汽門的故障曲線。雙抽機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中用主汽門沖轉(zhuǎn)進(jìn)行閥切換時(shí)，主汽門指令由3.2%變?yōu)?00%。主汽門開(kāi)啟過(guò)程中，安全油壓降低，3個(gè)掛閘信號(hào)全部由1變?yōu)?，汽機(jī)脫扣，主汽門、調(diào)門全部關(guān)閉，機(jī)組停機(jī)。

圖2 主汽門故障曲線

2.5 DEH故障在線判斷困難

因各油動(dòng)機(jī)的控制油無(wú)壓力監(jiān)視和記錄，無(wú)法在出現(xiàn)故障時(shí)跟蹤控制油壓的變化情況，也就無(wú)法判斷是電液伺服閥還是油動(dòng)機(jī)存在問(wèn)題，只能在停機(jī)時(shí)對(duì)部件進(jìn)行更換或解體，以便逐一排除或確認(rèn)，因此故障的在線分析、判斷十分困難。

3 故障原因分析及系統(tǒng)優(yōu)化方案

3.1 調(diào)門油動(dòng)機(jī)晃動(dòng)及系統(tǒng)優(yōu)化方案

據(jù)統(tǒng)計(jì)，調(diào)門油動(dòng)機(jī)晃動(dòng)均發(fā)生在機(jī)組正常運(yùn)行一段時(shí)間以后。對(duì)照?qǐng)D1，比例伺服閥電壓值也在晃動(dòng)，根據(jù)比例調(diào)節(jié)控制原理，可以認(rèn)為調(diào)門晃動(dòng)是由油動(dòng)機(jī)錯(cuò)油門LVDT反饋異常所致[3]?，F(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)該LVDT支架有松動(dòng)，固定支架存在設(shè)計(jì)缺陷，如LVDT支架垂直段單側(cè)支撐且過(guò)于單薄、螺栓連接點(diǎn)更多、支架整體結(jié)構(gòu)不牢固。受到機(jī)組振動(dòng)的影響，一段時(shí)間后支架螺栓松動(dòng)，支架剛度下降，造成LVDT零位偏移，關(guān)門速度過(guò)快，在閥門往下大范圍階躍時(shí)過(guò)調(diào)量過(guò)大。另外，在安裝傳感器時(shí)，單側(cè)支撐的結(jié)構(gòu)又難以確保傳感器的垂直度。

優(yōu)化方案：重新設(shè)計(jì)錯(cuò)油門LVDT支架，改單側(cè)支撐為雙側(cè)支撐，控制油室上端蓋和錯(cuò)油門LVTD支架設(shè)計(jì)成一體，以保證錯(cuò)油門LVDT的中心和垂直度；按照LVDT的安裝要求，使用專用夾子把LVDT固定在支架上；另配支架引線接頭，以協(xié)助固定錯(cuò)油門LVDT的電纜線，而且在所有油動(dòng)機(jī)上全部進(jìn)行更換。優(yōu)化前后錯(cuò)油門LVDT支架結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖3所示。

(a)優(yōu)化前 (b)優(yōu)化后

3.2 調(diào)門油動(dòng)機(jī)卡澀原因分析及系統(tǒng)優(yōu)化方案

調(diào)門油動(dòng)機(jī)在某一開(kāi)度位置只能關(guān)不能開(kāi)，出現(xiàn)卡澀時(shí)DEH系統(tǒng)和控制油系統(tǒng)均未發(fā)現(xiàn)異常，因此問(wèn)題出在油動(dòng)機(jī)內(nèi)部?？紤]到油動(dòng)機(jī)可以關(guān)小，根據(jù)油動(dòng)機(jī)開(kāi)啟原理進(jìn)行分析，控制油壓作用在錯(cuò)油門控制活塞上部的力不足，無(wú)法將錯(cuò)油門壓下，使得高壓油進(jìn)入油動(dòng)機(jī)活塞的下部而開(kāi)啟油動(dòng)機(jī)。

優(yōu)化方案：重新計(jì)算，將錯(cuò)油門控制活塞的橫截面積增大，加大作用在活塞上部的力，以達(dá)到驅(qū)動(dòng)錯(cuò)油門的壓力要求。模擬現(xiàn)場(chǎng)工況進(jìn)行測(cè)試，DEH輸出指令“4～20 mA”至比例伺服閥，結(jié)果控制油動(dòng)機(jī)能正常開(kāi)啟和關(guān)閉，控制油壓為0.4～0.5 MPa，油動(dòng)機(jī)遲緩率試驗(yàn)效果較好。所有油動(dòng)機(jī)均按此設(shè)計(jì)更換控制活塞。

3.3 油動(dòng)機(jī)LVDT反饋裝置故障原因分析及系統(tǒng)優(yōu)化方案

兩次故障原因都比較明顯，是由油動(dòng)機(jī)活塞桿與LVDT之間的連桿斷裂和活塞桿抱箍脫落引起的。優(yōu)化前的油動(dòng)機(jī)LVDT連接部件見(jiàn)圖4(a)。從圖4(a)中可以看出：連接部件結(jié)構(gòu)過(guò)于簡(jiǎn)單，連接桿通過(guò)螺紋擰在抱箍?jī)?nèi)，剛度也不夠，無(wú)法承受機(jī)組帶來(lái)的振動(dòng)，因而容易斷裂或脫落。另外，這個(gè)結(jié)構(gòu)也不適合在線更換LVDT。

優(yōu)化方案見(jiàn)圖4(b)。重新設(shè)計(jì)、加工油動(dòng)機(jī)LVDT連接組件，以加固和方便在線更換LVDT，具體地說(shuō)就是將一個(gè)整體抱箍連接板固定在油動(dòng)機(jī)活塞桿上以代替原來(lái)的單連桿結(jié)構(gòu)，確保LVDT支架的強(qiáng)度。

(a)優(yōu)化前 (b)優(yōu)化后

3.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障原因分析及系統(tǒng)優(yōu)化方案

改造前自動(dòng)主汽門為手動(dòng)操作式，頂部采用大小錐形齒輪配合形式來(lái)實(shí)現(xiàn)直角力矩傳遞。與小錐齒相連的手輪位于操縱座側(cè)面，其操作較為方便。改為電動(dòng)后，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)位于頂端，在執(zhí)行結(jié)構(gòu)與主汽門操縱座之間增加了一個(gè)龍門架作為過(guò)渡部件，提高了電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置，再加上執(zhí)行機(jī)構(gòu)——手輪在其頂部，操作很不方便，同時(shí)增大了轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，導(dǎo)致操作時(shí)機(jī)械過(guò)緊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)過(guò)熱。另外，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自身故障率偏高，卡板損壞較多。

根據(jù)圖2可以判斷：自動(dòng)主汽門在開(kāi)啟過(guò)程中自動(dòng)關(guān)閉的直接原因系安全油壓降低。自動(dòng)主汽門改電動(dòng)后開(kāi)啟過(guò)程過(guò)快，使得操縱座內(nèi)罩蓋脫離活塞，安全油施壓，主汽門關(guān)閉。另外，原主汽門操縱座頂部有罩蓋限位突肩，可以保證主汽門開(kāi)度在95 mm。改為電動(dòng)后，在主汽門處于全開(kāi)位置時(shí)，如果電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)上限有偏差，會(huì)造成罩蓋與活塞脫開(kāi)，主汽門自動(dòng)關(guān)閉。

優(yōu)化方案：取消主汽門操縱座與執(zhí)行結(jié)構(gòu)之間的龍門架，重新加工操縱座頂部端蓋，將電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接安放在端蓋上，并加裝機(jī)械限位裝置，以確保主汽門的量程為0～95 mm。此外，將電動(dòng)頭型號(hào)由IQM25改為IQM35，以加大主汽門控制力矩，便于主汽門開(kāi)啟和關(guān)閉。

3.5 故障在線判斷困難的解決方案

在比例伺服閥的出口預(yù)留有測(cè)壓接口，利用該接口對(duì)每個(gè)油動(dòng)機(jī)加裝一個(gè)智能型壓力變送器，監(jiān)控控制油壓并做好記錄，容易得到控制油壓和油動(dòng)機(jī)活塞桿位移之間的關(guān)系，使得油動(dòng)機(jī)在線分析成為可能。

3.6 其他DEH控制系統(tǒng)優(yōu)化方案

為了確保DEH系統(tǒng)更為穩(wěn)定地運(yùn)行，對(duì)DEH系統(tǒng)又進(jìn)行了優(yōu)化。

(1)在DEH系統(tǒng)中安裝GPS系統(tǒng)

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)是時(shí)鐘同步系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)時(shí)間的統(tǒng)一。機(jī)組DEH采用GE新華公司的XDPS-400系統(tǒng)，系統(tǒng)的工程師站和GPS裝置均集中安置于工程師室內(nèi)。GPS系統(tǒng)與DEH系統(tǒng)之間的通訊采用串口RS485方式，即從每臺(tái)機(jī)組的DEH工程師站的串口連接至GPS裝置的端口。在DEH的工程師站上采用專用軟件Xgpstimer實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)鐘的統(tǒng)一。在DEH中，所有的人機(jī)接口(HMI)都是由工程師站來(lái)進(jìn)行校時(shí)的，故把GPS時(shí)間信號(hào)傳輸至工程師站即可。

(2)優(yōu)化重要信號(hào)(三取二)卡件

為了避免由于某路信號(hào)或者某塊卡件異常引起機(jī)組停運(yùn)，對(duì)一些重要信號(hào)進(jìn)行了優(yōu)化，分別輸入3塊輸入卡件后進(jìn)行三選二處理。原設(shè)計(jì)中掛閘信號(hào)、發(fā)電機(jī)油開(kāi)關(guān)信號(hào)和跳機(jī)信號(hào)均已實(shí)現(xiàn)分別進(jìn)入3塊輸入卡件后進(jìn)行三選二處理，因此本次優(yōu)化對(duì)220 kV開(kāi)關(guān)信號(hào)與35 kV開(kāi)關(guān)信號(hào)作相同處理。

對(duì)于220 kV開(kāi)關(guān)信號(hào)與35 kV開(kāi)關(guān)信號(hào)，原本系統(tǒng)只配置了2塊數(shù)字量輸入卡(DI卡)，故會(huì)有2路開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)入一塊DI卡，另一路進(jìn)入另一塊DI卡，在邏輯里做了邏輯或的判斷。另增一塊DI卡后，實(shí)現(xiàn)了3路信號(hào)分別進(jìn)入3塊卡件作三選二處理。

(3)安裝走線槽及端子箱

汽輪機(jī)油動(dòng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)周圍信號(hào)線較凌亂，油動(dòng)機(jī)LVDT信號(hào)線排列不規(guī)范。為此安裝走線槽及端子箱，以規(guī)范信號(hào)線排列，同時(shí)調(diào)整走線槽及端子箱的安裝位置，以免在機(jī)組大修時(shí)影響其他設(shè)備的拆卸。

4 結(jié)語(yǔ)

油動(dòng)機(jī)LVDT支架不穩(wěn)定、錯(cuò)油門控制活塞偏小、主汽門電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理等是機(jī)組出現(xiàn)故障的根本原因，特別是LVDT，作為系統(tǒng)的反饋裝置，其工作是否正常對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)平穩(wěn)工作影響較大。在機(jī)組檢修期間落實(shí)了各項(xiàng)優(yōu)化措施，3臺(tái)50 MW機(jī)組DEH的穩(wěn)定性得到很大提高，近兩年DEH故障發(fā)生率為零，優(yōu)化效果十分明顯。

[1] 趙運(yùn)宏.汽輪機(jī)運(yùn)行中調(diào)節(jié)系統(tǒng)常見(jiàn)故障分析[J].機(jī)電信息，2011(36)：105-106.

[2] 葉明.汽輪機(jī)DEH改造后的問(wèn)題分析及措施[J].設(shè)備管理與維修，2011(2)：31-33.

[3] 張研.汽輪機(jī)DEH控制系統(tǒng)常見(jiàn)故障分析[J].科學(xué)之友，2011(11)：21-23.