楊立國

摘要：本文主要描述了某型國產(chǎn)燃氣輪機試車期間一次經(jīng)典故障分析過程，此次故障分析更加系統(tǒng)和全面的進行相關(guān)故障分析排查，逐層收網(wǎng)，定點擊破，最終找到了問題根源并進行針對性的處理和解決。

Abstract： This paper mainly describes a typical fault analysis process during the test run of a type of domestic gas turbine. The fault analysis is more systematic and comprehensive related fault analysis and troubleshooting， layer by layer network， fixed point to break， and finally find the root of the problem and targeted treatment and solution.

關(guān)鍵詞：國產(chǎn)航改燃氣輪機;線位移傳感器;低頻保護

Key words： domestic gas turbine;linear displacement sensor;low frequency protection

中圖分類號：TK478 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）03-0151-03

1 ?試驗概況

該型國產(chǎn)航改燃氣輪機在標況下，額定輸出功率為15500kW。

2020年7月21日，燃機進行第81次點火試驗連續(xù)運行87小時18分時，機組控制主界面出現(xiàn)“異常跳閘”三級報警，機組隨即自動緊急停機。

2 ?異常跳閘描述

①“異常跳閘”三級報警的觸發(fā)程序。

1）現(xiàn)場首先檢查發(fā)電機控制柜，控制器顯示“低頻保護”報警;2）通過數(shù)據(jù)回放發(fā)現(xiàn)三級報警時動力渦輪轉(zhuǎn)速n3達到5075rpm（額定轉(zhuǎn)速為5300rpm），發(fā)電機頻率47.8Hz（低頻保護設定值為48Hz），由此觸發(fā)了“低頻保護”報警;3）“低頻保護”開出“發(fā)電機出口斷路器分閘”信號及“繼電保護動作”二級報警;4）根據(jù)控制規(guī)律，負載>1000kW（當時燃機所帶負載為4500kW）時，控制柜收到“發(fā)電機出口斷路器分閘反饋”信號，觸發(fā)“異常跳閘”三級報警。

②因此“異常跳閘”的直接原因為動力渦輪轉(zhuǎn)速n3過低。

3 ?現(xiàn)場檢查情況

機組緊急停機后，現(xiàn)場立即組織操作人員對機組設備及各系統(tǒng)進行仔細檢查，同時組織技術(shù)人員分析歷史數(shù)據(jù)，檢查情況如下：

3.1 分系統(tǒng)檢查

3.1.1 負載箱檢查

7月21日下午，檢查負載箱遠程控制箱無故障報警，現(xiàn)場檢查當次運行的兩臺負載箱無異常。

3.1.2 進氣系統(tǒng)檢查

7月21日下午，檢查進氣通道，粗濾及精濾完好，過濾室無雜物;拆開兩件精濾到精濾后檢查，通道無雜物，無異常。

7月22日上午，打開進氣穩(wěn)壓室人孔門檢查，穩(wěn)壓室內(nèi)無雜物，無異常。

3.1.3 排氣煙道檢查

7月21日下午，打開余熱鍋爐煙道入口人孔門，檢查排氣道及排氣蝸殼，未見明顯異常;從排氣蝸殼出口檢查動力渦輪三級動葉，未見明顯異常。

3.1.4 其他系統(tǒng)檢查

對發(fā)電機、齒輪箱、輔助滑油、壓縮空氣等系統(tǒng)進行仔細檢查，未見異常。

3.2 燃機檢查

3.2.1 高低壓導葉檢查

①導葉外觀檢查。7月22日下午，對高低壓導葉作動筒、聯(lián)動環(huán)、壓力油系統(tǒng)進行全面檢查，高壓導葉外觀無異常;發(fā)現(xiàn)低壓一級導葉有三片活動量大，檢查其外部連桿處也隨之活動。

②導葉動態(tài)檢查。7月23日上午，進行高低壓導葉小閉環(huán)檢查：1）低壓導葉α1控制正常;2）檢查發(fā)現(xiàn)高壓導葉α2控制33°以下控制效果較原來變差，33°～38°出現(xiàn)波動現(xiàn)象。

3.2.2 視頻監(jiān)控回放檢查

通過回放燃機間視頻監(jiān)控：①發(fā)現(xiàn)7月21日監(jiān)控畫面上顯示，01時40分10秒至13秒燃機本體出現(xiàn)約3秒抖動;約8分鐘后，出現(xiàn)第二次抖動;經(jīng)回放歷史數(shù)據(jù)，此現(xiàn)象與歷史數(shù)據(jù)上的第一次和第二次波動吻合。②發(fā)現(xiàn)7月21日監(jiān)控畫面上顯示，11時11分18秒至23秒燃機本體出現(xiàn)約5秒抖動（為當次運行第三次抖動）;經(jīng)回放歷史數(shù)據(jù)，此現(xiàn)象與歷史數(shù)據(jù)上的第三次波動吻合。

3.2.3 孔探檢查

7月22日、23日，現(xiàn)場技術(shù)人員對燃機高、低壓壓氣機、燃燒室、高、低壓渦輪進行孔探檢查，檢查情況如下：

①低壓壓氣機：

檢查結(jié)果：低壓壓氣機轉(zhuǎn)子葉片和靜子葉片未見明顯損傷、裂紋、變形現(xiàn)象。

②高壓壓氣機：

檢查結(jié)果：高壓壓氣機轉(zhuǎn)子葉片和靜子葉片未見明顯損傷、裂紋、變形現(xiàn)象，高壓6～9級葉片表面顏色有明顯加深。

③燃燒室：

檢查內(nèi)容：通過燃燒室機匣上頂部和底部的孔探儀座，將孔探儀插入火焰筒內(nèi)，旋轉(zhuǎn)孔探儀360°，檢查火焰筒頭部、內(nèi)外壁和燃料噴嘴。

檢查結(jié)果：火焰筒頭部、燃燒室內(nèi)外壁無裂紋，無明顯燒蝕，燃氣噴嘴頭部無明顯積碳，噴射孔無阻塞。

④高、低壓渦輪：

通過渦輪孔探儀孔檢視高壓渦輪葉片排氣邊、低壓渦輪工作葉片進氣邊和低壓渦輪導向葉片可視部分;

檢查結(jié)果：高壓渦輪工作葉片和導向葉片（可視部分）未見明顯磨損、裂紋，葉身、緣板無外來物粘結(jié)，氣膜孔未見明顯堵塞。

低壓渦輪工作葉片和導向葉片（可視部分）未見明顯磨損、裂紋、損傷。

3.2.4 燃機主要參數(shù)對比分析

將本次運行數(shù)據(jù)與前幾次數(shù)據(jù)進行對比，各次試車的轉(zhuǎn)差關(guān)系較為吻合，說明各次試車的高低壓部件狀態(tài)基本一致。7月21日凌晨，出現(xiàn)了兩次較為明顯的波動。第一次波動后，動力渦輪轉(zhuǎn)速從5300r/min降至5140r/min，控制系統(tǒng)在30s左右調(diào)回初始狀態(tài)，但α2角度抖動明顯，且角度從14.4°開大到12.9°。如圖1所示。

8分鐘后第二次波動，現(xiàn)象與前一時刻類似，在動力渦輪轉(zhuǎn)速降低的過程中，各參數(shù)出現(xiàn)連續(xù)的震蕩，恢復時間約15s，高壓壓氣機出口總壓從14.5bar最低降至10bar，動力渦輪進口總壓也有相應的降低，進氣機匣及中介機匣振動瞬時分別從7、16mm/s突升至36、31mm/s，并回落至初始值。如圖2所示。

7月21日中午發(fā)生緊停前一段時間內(nèi)，在功率維持4.5MW的前提下，仍有一些微小波動。如圖3所示。

緊急停車前，機組狀態(tài)與凌晨時第二次波動類似，只是這次幅度更大，α2角度跟隨出現(xiàn)滯后，滯后時間約為0.5s，同一時刻，角度最大偏差約為2.5°;高壓壓氣機出口總壓從14bar最低降至7.5bar，同時N1r，α1角度，T48溫度變化更為明顯，在回調(diào)過程中，出現(xiàn)了三級報警引發(fā)緊急停車，期間進氣機匣振動達到30mm/s。

4 ?排故過程

現(xiàn)場技術(shù)人員召開技術(shù)研討會，經(jīng)充分討論，決定將對低壓壓氣機0級進口導葉活動量大問題進行修復;高壓導葉α2控制參數(shù)進行優(yōu)化，然后起機驗證，觀察對比各狀態(tài)參數(shù)，開展進一步排查。

4.1 低壓壓氣機0級進口導葉活動量大問題進行修復，修復了三片，加銅皮填充間隙，活動量消除。

4.2 高壓導葉α2控制參數(shù)優(yōu)化

7月24日上午，就燃機當前狀態(tài)對高壓壓氣機α2控制參數(shù)PID進行優(yōu)化，優(yōu)化后控制效果達到預期。

4.3 起機驗證

7月24日共進行了一次冷運轉(zhuǎn)及兩次點火試驗，燃機運行情況如下：①11時25分，首先進行了一次冷運轉(zhuǎn)，冷運轉(zhuǎn)狀態(tài)各項參數(shù)正常。②11時39分，進行第082D次點火試驗，主要目的是排查驗證高壓導葉影響。11時59分，燃機到達慢車狀態(tài)，然后穩(wěn)定運行4min，錄取慢車狀態(tài)參數(shù)后正常停機。經(jīng)觀察對比歷史數(shù)據(jù)，慢車狀態(tài)各項參數(shù)正常，可進行進一步驗證。③16時37分，進行第083D次點火試驗，主要目的是繼續(xù)排查驗證高壓導葉影響。17時07分，在負載加載至2700kW過程中，控制主界面出現(xiàn)“進氣機匣水平振動故障”二級報警，燃機間視頻監(jiān)控畫面有明顯抖動，現(xiàn)場也有明顯震感，立即減載停機。

經(jīng)回放歷史數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)負載在2700kW時，正處于低壓壓氣機出口放氣閥關(guān)閉邊界（n1r=6550±50rpm），放氣閥開關(guān)8次，與燃機8次強烈異響聲相吻合。

通過與81D前期運行數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)83D試驗，機組在帶載以后，轉(zhuǎn)差開始增大，最大偏差超過100r/min。

通過查看試驗數(shù)據(jù)，機組加載到2700kW后約4s，低壓壓氣機出口防喘放氣閥關(guān)閉，控制參數(shù)開始出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，該現(xiàn)象一直持續(xù)到機組降至最小負載，持續(xù)時間約100s。

同時發(fā)現(xiàn)，機組在2700kW負荷停留的30s時間里，低壓壓氣機出口放氣閥頻繁開閉了8次，監(jiān)控中也發(fā)現(xiàn)燃機明顯抖動。

其中在放氣閥第4次打開后，進氣機匣振動達到72mm/s，動力渦輪轉(zhuǎn)速最低降至4948r/min，在放氣閥從關(guān)閉到打開過程中，高壓壓氣機出口總壓從12.4bar降至6.5bar，動力渦輪進口總壓從1.9bar降至1.3bar，動力渦輪進口溫度突升了53℃，達到680℃;放氣閥第5次關(guān)閉時，進氣機匣振動也超過58mm/s。

機組減載2000kW后，放氣閥保持打開的狀態(tài)，除去了放氣閥頻繁開閉的影響，但參數(shù)波動量也未見好轉(zhuǎn)。

機組降至同步慢車狀態(tài)后，各參數(shù)波動逐漸減小并趨于穩(wěn)定，燃機降轉(zhuǎn)停車。

7月25日上午，拆卸低壓壓氣機出口7個防喘放氣閥，檢查彈簧、活塞行程等未見異常。

4.4 更換α2線位移傳感器

7月26日對原線位移傳感器進行校驗，小閉環(huán)控制并未發(fā)現(xiàn)明顯異常，從安全性、可靠性考慮，新更換一件α2線位移傳感器，并重新進行標定。

上午根據(jù)38度到0度降程結(jié)果進行粗標，由于回差問題，根據(jù)0度到38度升程與38度到0度降程平均值進行第一次標定，發(fā)現(xiàn)降程過程中，小幅度與大幅度控制真實位置不一致。經(jīng)驗證討論為正?，F(xiàn)象，通過小幅度值進行修訂和復驗，期間發(fā)現(xiàn)個別點偏差略大，繼續(xù)進行修正，下午完成標定。

4.5 再次起機試驗

①完成第84次點火運行，最大負載4000kW，累計運行時間77min，機組穩(wěn)定運行，并將數(shù)據(jù)與以往正常狀態(tài)進行對比，未發(fā)現(xiàn)異常;②完成第85次點火運行，最大負載7500kW，累計運行時間2h5min，累計帶載時間1h36min，機組穩(wěn)定運行，并將數(shù)據(jù)與以往正常狀態(tài)進行對比，未發(fā)現(xiàn)異常。

4.6 發(fā)現(xiàn)問題根源

為進一步排查線位移傳感器，將第81次試車中使用的α2線位移傳感器進行分解。該傳感器為鐵芯導向式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部鐵芯（兩端為內(nèi)螺紋）與外部伸縮桿（兩端為外螺紋）通過螺紋連接。分解后檢查，發(fā)現(xiàn)鐵芯與伸縮桿連接較為松動，鐵芯內(nèi)螺紋有較大磨損。如圖4所示。

5 ?結(jié)論

對比第81次試車停機前參數(shù)，α2線位移傳感器內(nèi)部連接松動和故障現(xiàn)象相吻合：因α2線位移傳感器的外部伸縮桿已用螺紋膠固定在支架上，內(nèi)部鐵芯與外部伸縮桿螺紋連接處松動，導致內(nèi)部鐵芯產(chǎn)生了位移，從而傳感器輸出信號（即A2反饋值）產(chǎn)生波動，α2角度跟隨出現(xiàn)滯后，引發(fā)氣動參數(shù)變化;由于燃機處于n3閉環(huán)發(fā)電狀態(tài)，需要維持n3轉(zhuǎn)速，在回調(diào)過程中，n3轉(zhuǎn)速過低導致低頻，觸發(fā)“異常跳閘”三級報警。

第84次點火運行前，更換了新的α2線位移傳感器，機組穩(wěn)定運行，并將數(shù)據(jù)與以往正常狀態(tài)進行對比，未發(fā)現(xiàn)異常。

第81次試車所裝的α2線位移傳感器為國內(nèi)某廠家制造，經(jīng)咨詢，該型傳感器未經(jīng)歷過類似現(xiàn)場環(huán)境條件下的長期裝機運行考核試驗，可靠性有待驗證。

最終將故障原因定位于α2線位移傳感器長期工作可靠性不佳。

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