馬紅民

(謙比希銅冶煉有限公司 動力分廠， 贊比亞 卡魯魯西)

0 前言

某銅冶煉有限公司是一家以銅冶煉為主的多金屬綜合處理工廠，其冶煉高溫煙氣經(jīng)過兩臺余熱鍋爐進行降溫冷卻，每小時產(chǎn)生的飽和蒸汽約為40 t/h，壓力為4.2 MPa，蒸汽送往余熱發(fā)電機組進行發(fā)電，其余熱發(fā)電機組采用德國德萊賽蘭公司生產(chǎn)的單抽汽式透平發(fā)電機組，透平機控制器采樣美國WoodWard公司505E數(shù)字控制器，回收排汽凝結(jié)水送至除氧器補充鍋爐汽包用水，達到充分利用能源和循環(huán)利用水資源的目的。

1 抽汽式透平設(shè)備簡介

1.1 單抽汽式透平(Extraction steam turbine)

單抽汽式透平又稱為一次調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機，由高壓部分和低壓部分組成，相當于一臺背壓式汽輪機與一臺凝汽式汽輪機的組合。如圖1所示高壓蒸汽通過T&T閥(緊急切斷閥)，由高壓調(diào)節(jié)閥HP(調(diào)速閥)控制蒸汽流量進入透平做功，在高壓段后、低壓閥之前設(shè)有抽汽口，由低壓調(diào)節(jié)閥LP(抽汽閥)控制進入低壓級的蒸汽量，抽汽由抽汽管道輸出，當?shù)蛪洪y打開時，進入低壓段的蒸汽量增加，抽汽量減少；當?shù)蛪洪y關(guān)閉時，進入低壓段的蒸汽量減少，抽汽量增加?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)抽汽式透平設(shè)計性能參數(shù)要求，自動控制高壓閥和低壓閥的開度，保持透平的轉(zhuǎn)速/負荷和抽汽壓力/流量不變，來實現(xiàn)需要的功能。

圖1為典型抽汽式透平結(jié)構(gòu)示意圖。

1.2 T&T閥

T&T閥(trip and throttle valve)是指安裝在高壓蒸汽管道上的緊急切斷閥，在機組觸發(fā)跳閘信號時快速切斷高壓蒸汽，阻止高壓蒸汽進入透平，以保證設(shè)備和人員的安全。

1.3 HP閥和LP閥

HP閥是指高壓蒸汽調(diào)節(jié)閥，由三個調(diào)節(jié)閥組成的閥組也稱之為主汽門，由電液轉(zhuǎn)換器、油動機和線性位移傳感器組成的調(diào)節(jié)回路控制，通過調(diào)節(jié)進入噴嘴的蒸汽流量來控制透平機的轉(zhuǎn)速和負荷。

LP閥是指經(jīng)過高壓透平機做功后進入低壓透平機的蒸汽調(diào)節(jié)閥，分別安裝在獨立的管道上，主要作用是調(diào)節(jié)透平負荷和抽汽需求，也稱之為抽汽閥。

2 控制系統(tǒng)的主要組成和功能

2.1 PLC控制系統(tǒng)

本機組控制系統(tǒng)主要由西門子S7- 300PLC和505E數(shù)字控制器組成，最重要的控制功能是透平機并網(wǎng)前的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和并網(wǎng)后的壓力自動控制?？刂七^程為當PLC控制系統(tǒng)接收到啟動信號，啟動輔助油泵建立控制油壓，505E通過轉(zhuǎn)速/負荷和輔助控制器，調(diào)節(jié)HP和LP閥的開度，按照程序設(shè)置的停機時間的長短，控制透平機按冷機或熱機啟動條件順序啟動，按設(shè)定的升速曲線進行升速達到額定轉(zhuǎn)速時關(guān)閉輔助油泵。當發(fā)電機到達設(shè)定的勵磁轉(zhuǎn)速，發(fā)電機勵磁系統(tǒng)啟動，發(fā)電機獲得電壓，經(jīng)過同步檢測后，進行并網(wǎng)操作，當控制系統(tǒng)獲得發(fā)電機斷路器合閘反饋信號后，機組將按照控制系統(tǒng)設(shè)定的參數(shù)自動調(diào)節(jié)負荷和抽汽控制。

2.2 505E數(shù)字控制器

505E數(shù)字控制器具有505E的基本功能外，還具有對抽/補汽的控制功能。它具有兩個獨立的控制通道——轉(zhuǎn)速/負荷和輔助控制，轉(zhuǎn)速/負荷控制具備串級調(diào)速功能；輔助控制功能包括頻率控制、同步負荷分配、過臨界轉(zhuǎn)速、暖機/額定控制和順序自動啟動。505E基本控制功能如圖2所示。

2.3 啟動時轉(zhuǎn)速控制

在透平開始啟動時，505E輸出的電流信號經(jīng)電液轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成對應的調(diào)節(jié)油壓信號，來控制油動機的行程，油動機通過杠桿改變HP閥的開度來控制進汽量進而啟動透平機，轉(zhuǎn)速探頭將檢測到的轉(zhuǎn)速信號傳送給505E，速度PID控制器將該信號與速度設(shè)定值相比較，產(chǎn)生一個輸出信號給執(zhí)行機構(gòu)(通過一個低信號選擇總線)，從而維持透平在設(shè)定轉(zhuǎn)速下運行，控制原理如圖3所示。

圖3 速度自動控制原理圖

2.4 自動暖機轉(zhuǎn)速控制

當透平機沖轉(zhuǎn)時，505E控制透平機從0 r/min上升至設(shè)定的低暖機轉(zhuǎn)速，并停留在該轉(zhuǎn)速下直到設(shè)定的暖機時間結(jié)束，然后升至設(shè)定的高暖機轉(zhuǎn)速并停留直到高暖機時間結(jié)束，最后升至設(shè)定的額定轉(zhuǎn)速。機組的升速和暖機時間取決于透平機的停機時間長短，確定機組是按冷態(tài)還是熱態(tài)啟動曲線進行。自動暖機升速曲線如圖4所示。

圖4 自動暖機升速曲線

圖5 啟動過程中轉(zhuǎn)速失控實拍圖

2.5 壓力自動控制

發(fā)電機組是利用余熱蒸汽進行發(fā)電的，為了不影響熔煉主工藝的正常運行，需要采用調(diào)壓運行方式維持主蒸汽壓力的穩(wěn)定，即根據(jù)鍋爐蒸汽量的多少發(fā)電，而主蒸汽壓力基本保持不變。當發(fā)電機并網(wǎng)斷路器合閘后，505E控制器由速度控制方式切換為串級控制方式，由透平入口蒸汽壓力控制。它與速度PID串級，將透平入口蒸汽壓力變送器來的4～20 mA過程信號與串級設(shè)定值相比，比較結(jié)果輸出用于重新設(shè)定速度調(diào)節(jié)器的速度設(shè)定值，從而改變透平負荷直到透平入口主蒸汽壓力與設(shè)定壓力匹配為止。至此，透平處于調(diào)壓運行狀態(tài)，透平進入正常運行狀態(tài)。

3 故障現(xiàn)象

在一次檢修后發(fā)電機組在啟動過程中，透平機轉(zhuǎn)速上升至1 069 r/min時，沒有維持低速暖機時段，而是直接升至3 540 r/min，沒有按照暖機升速曲線設(shè)定的參數(shù)運行，為保護機組設(shè)備的安全，運行人員拍下急停按鈕手動停運機組。這種情況透平機的轉(zhuǎn)子在沒有充分預熱的狀態(tài)下高速旋轉(zhuǎn)，極易引起轉(zhuǎn)子葉片的斷裂，進而引發(fā)透平機組報廢的可能，這一故障嚴重影響機組的安全運行。圖5為啟動過程中轉(zhuǎn)速失控實拍圖。

4 故障分析與排查

針對這一故障現(xiàn)象，儀控維修人員對機組PLC控制系統(tǒng)、505E控制器、測速傳感器、調(diào)速及閥位傳感器等控制設(shè)備，應用排除法逐一檢查排除，以確定轉(zhuǎn)速失控的主要原因。

4.1 PLC及傳感器的檢查

(1)首先檢查確認PLC的CPU和模擬量AI模塊運行正常無故障，排除由PLC模塊引起的故障。

(2)檢查505E控制器低速暖機速度設(shè)定點為1 069 r/min，排除控制參數(shù)不準確引起的故障。

(3)現(xiàn)場檢查速度測量電纜和屏蔽連接緊固無松動，排除信號線虛接或干擾引起的故障。

(4)用萬用表測量速度傳感器靜態(tài)時感應線圈阻值為500 Ω，閥位反饋位移傳感器的阻值在0～5 kΩ均勻變化無斷點現(xiàn)象，說明速度傳感器和閥位反饋傳感器正常，排除了現(xiàn)場傳感器故障引起的原因。

4.2 505E調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)試驗

圖6 閥門執(zhí)行器標定步驟方框圖

為了檢查505E調(diào)速系統(tǒng)工作是否正常，在冷態(tài)下對機組進行靜態(tài)試驗，檢查505E控制器的輸出和HP閥門執(zhí)行機構(gòu)之間的動作是否符合線性關(guān)系，既控制器的輸出信號4～20 mA與閥門位置0～100%之間的對應關(guān)系是否一致，進而判斷是控制器還是閥門出現(xiàn)故障，實驗方法如下：

(1)確認機組當前處于停機狀態(tài)，蒸汽源已經(jīng)切斷，工藝系統(tǒng)具備靜態(tài)調(diào)試條件。

(2)檢查HP閥的連桿裝置連接良好，調(diào)節(jié)部件符合試驗要求。

(3)確認505E的模擬試驗接線無誤，閉合或短接505E緊急停機輸入觸點。

(4)按照閥門執(zhí)行器標定步驟方框圖，對HP閥進行試驗。圖6為標定步驟方框圖。

(5)記錄試驗數(shù)據(jù)，檢查505E的輸出開度與閥門實際開度是否對應。

通過對505E控制器和閥門執(zhí)行器的連接、動作、線性度和重復性的試驗。測試了505E顯示的0%～100%閥門位置與HP閥門的實際行程一致，進而判斷控制器、電液轉(zhuǎn)換器、閥門執(zhí)行器和閥位反饋變送器等控制設(shè)備是正常的。

4.3 HP閥體的解體檢查與故障要因確定

在排除了控制系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)都正常的情況下，通過查看設(shè)備圖紙對透平機進汽系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析，在暖機過程中控制系統(tǒng)沒有發(fā)出升速信號，但是實際透平轉(zhuǎn)速已升高，最可能的原因是HP閥組的閥芯有泄漏，導致不可控的蒸汽進入透平驅(qū)動葉輪轉(zhuǎn)動。

協(xié)同鉗工解體HP閥組的第一個調(diào)速閥檢查，使得閥芯與閥組脫離單獨測試，發(fā)現(xiàn)此閥芯與常規(guī)的調(diào)節(jié)閥閥芯在結(jié)構(gòu)上有很大的差別，為了減小高壓蒸汽對閥芯的沖擊，在閥芯外部設(shè)有閥芯導向套筒，在閥錐的底部有三個導汽孔和閥體頂部的平衡汽室連通，平衡閥芯上下的壓力，以便閥芯平穩(wěn)的動作。在手動推動閥芯移動時發(fā)現(xiàn)閥芯與導向套筒之間有明顯的間隙，并在閥芯中部留有石墨粘結(jié)物，至此斷定閥芯與導向套筒之間的石墨密封填料失效，進一步拆開導向套筒的上端蓋檢查石墨填料已老化，隨后拆開另外兩臺調(diào)速閥的密封填料都有不同程度的磨損，找到相應的石墨密封填料全部更換。如圖6所示結(jié)合閥體結(jié)構(gòu)分析閥芯在長期運行中由于高壓蒸汽的沖擊和渦流作用，使閥芯處于很高的頻率下振動，在運行一定的周期后會造成密封填料老化磨損，使得高壓蒸汽沿閥芯與導向套筒之間的間隙泄漏到平衡室再通過導汽孔進入透平機，這些不受控制的高壓蒸汽致使透平轉(zhuǎn)速失控。經(jīng)過分析這是轉(zhuǎn)速失控的主要原因。

圖7 HP閥體剖面圖

圖8 HP閥體維修圖

5 結(jié)語

利用余熱蒸汽發(fā)電和凝結(jié)水回收利用在冶煉廠已普遍采用，其機組的運行受冶煉工藝的影響啟停較為頻繁，會給機組運行帶來各種故障，針對調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)的各種故障，維修人員不能局限于單一學科領(lǐng)域，應結(jié)合機、電、儀和工藝多方面綜合分析故障原因，才能夠快速準確分析判斷各種故障，提升維修效率，確保發(fā)電機組的安全運行。