王世軍，吳世奇，程新續(xù)

（中國(guó)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(jī)組K201 主要由兩臺(tái)BCL408型離心式壓縮機(jī)和一臺(tái)BHS25/01 汽輪機(jī)組成，壓縮機(jī)和汽輪機(jī)之間采用膜片聯(lián)軸器連接。汽輪機(jī)為背壓式汽輪機(jī)，采用MCS 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)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(jī)組K201 汽輪機(jī)開(kāi)始出現(xiàn)間歇性不規(guī)律的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，同時(shí)機(jī)殼內(nèi)部伴有異常聲響，但查看兩側(cè)軸瓦振動(dòng)、溫度數(shù)值并無(wú)異常。初步判斷為汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)故障。

2 故障分析

汽輪機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)由4 部分組成，即轉(zhuǎn)速感受機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)放大機(jī)構(gòu)、配汽機(jī)構(gòu)和反饋機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)速感受機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橐淮慰刂菩盘?hào)。傳動(dòng)放大機(jī)構(gòu)對(duì)一次控制信號(hào)作功率放大，并按照調(diào)節(jié)需求做控制運(yùn)算，從而產(chǎn)生油動(dòng)機(jī)控制信號(hào)，調(diào)整各路油線壓力及通路情況，控制油動(dòng)機(jī)行程。配汽機(jī)構(gòu)將油動(dòng)機(jī)的行程轉(zhuǎn)變?yōu)楦髡{(diào)節(jié)汽門的開(kāi)度。通過(guò)配汽機(jī)構(gòu)的非線性傳遞特性，汽輪機(jī)的進(jìn)汽量與油動(dòng)機(jī)進(jìn)行程間矯正到近線性關(guān)系，最后由反饋機(jī)構(gòu)控制進(jìn)氣量，來(lái)控制整體汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速。

由于汽輪機(jī)的蒸汽壓力很高，所以相對(duì)開(kāi)啟主汽門和調(diào)節(jié)汽門需要很大的驅(qū)動(dòng)力。為保障汽輪機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行，必須要求調(diào)節(jié)汽門的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有較好的響應(yīng)靈敏性和較快的響應(yīng)速度。特別是在機(jī)組甩負(fù)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(shí)間內(nèi)全行程關(guān)閉。因此，對(duì)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽門和主汽門的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提出慣性小、驅(qū)動(dòng)功率大的特殊要求。

該轉(zhuǎn)速波動(dòng)現(xiàn)象持續(xù)至2016 年12 月底，并且轉(zhuǎn)速波動(dòng)及異響情況愈發(fā)變得頻繁。在此運(yùn)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(kāi)閥過(guò)濾網(wǎng)堵塞問(wèn)題、凝汽器真空度過(guò)低、儀表傳動(dòng)放大機(jī)構(gòu)、壓縮機(jī)負(fù)荷以及操作等一切可能成汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)的工藝原因，檢查控制系統(tǒng)的油壓（二次油壓）無(wú)波動(dòng)，并且通過(guò)油質(zhì)化驗(yàn)分析，油質(zhì)也正常，調(diào)速油壓大部分是根據(jù)驅(qū)動(dòng)蒸汽的壓力高低，能夠使主汽閥迅速關(guān)閉的油壓。潤(rùn)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(dòng)來(lái)決定多高壓力，排除了控制系統(tǒng)油壓波動(dòng)引起的調(diào)速氣門波動(dòng)的可能，基本判斷為內(nèi)部機(jī)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(jī)停機(jī)，對(duì)汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)檢查。在拆卸汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的過(guò)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(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)合部位，排除由于傳動(dòng)機(jī)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(duì)汽輪機(jī)的正常運(yùn)行是十分不利的，增加了汽輪機(jī)從負(fù)荷、壓力等工藝參數(shù)發(fā)生變化到調(diào)節(jié)閥開(kāi)始動(dòng)作反應(yīng)的時(shí)間，造成汽輪機(jī)不能及時(shí)適應(yīng)外界負(fù)荷的變化，造成汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的改變。如果汽輪機(jī)遲緩率過(guò)大，反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，在汽輪機(jī)突然甩負(fù)荷后，將使轉(zhuǎn)速上升過(guò)高以致超速保護(hù)裝置動(dòng)作，切斷進(jìn)汽，造成機(jī)組停機(jī)事故。對(duì)孤立運(yùn)行的機(jī)組，將產(chǎn)生較大的負(fù)荷擺動(dòng)；對(duì)并列運(yùn)行機(jī)組，將會(huì)其他運(yùn)行機(jī)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(guò)改變升程調(diào)節(jié)進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽量。對(duì)調(diào)節(jié)汽門，要求有良好的空氣動(dòng)力學(xué)特性和升程—流量特性，流動(dòng)損失小，流場(chǎng)穩(wěn)定，開(kāi)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(méi)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(diǎn)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(jí)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(wú)凸起、凹坑、劃痕等損傷，其他閥碟及閥座沒(méi)有問(wèn)題，閥桿與閥梁的接觸部位也沒(méi)有磨損痕跡。最后，考慮到閥碟自由行程的改變會(huì)影響調(diào)節(jié)系統(tǒng)的重疊度，也會(huì)影響到汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速，用深度游標(biāo)卡尺對(duì)閥梁上4 個(gè)閥碟的行程逐一進(jìn)行了檢測(cè)。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(cè)得的4 個(gè)閥碟自由行程見(jiàn)表2。由于實(shí)際閥梁下表面為平面，并無(wú)圖1 所示凹面，因此第1、2 級(jí)閥自由行程要求值不應(yīng)含x 值。測(cè)得4 個(gè)閥碟自由行程均符合設(shè)計(jì)要求，基本排除了調(diào)節(jié)閥閥碟及閥桿帶來(lái)的影響。

表2 閥碟自由行程實(shí)測(cè)尺寸 mm

圖1 閥梁部位裝配圖

在調(diào)節(jié)閥閥座的檢查過(guò)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(gè)現(xiàn)象檢修人員初步判斷故障原因?yàn)樗訇P(guān)閥未關(guān)嚴(yán)。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(méi)有關(guān)嚴(yán)，因此建議操作人員通過(guò)速關(guān)油油壓先將速關(guān)閥開(kāi)啟，然后再手動(dòng)撥動(dòng)危機(jī)保安器，通過(guò)泄掉速關(guān)油來(lái)觀察速關(guān)閥主閥錐能否順利復(fù)位關(guān)嚴(yán)。在操作的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)啟動(dòng)油壓和速關(guān)油壓順利建立后，啟動(dòng)油壓力降至0.3 MPa左右時(shí)，速關(guān)油油壓由0.8 MPa 突然泄至0，重復(fù)幾次操作都表現(xiàn)出相同情況。

速關(guān)閥的開(kāi)啟是用油壓實(shí)現(xiàn)控制的，當(dāng)啟動(dòng)油進(jìn)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(gè)密封面貼合（此時(shí)速關(guān)油回油孔被堵死），之后將速關(guān)油進(jìn)入活塞盤左側(cè)，隨著速關(guān)油油壓的建立，啟動(dòng)油壓進(jìn)行有控制的泄放，于是活塞盤和活塞如同一個(gè)整體構(gòu)件。在兩側(cè)壓差的作用下，持續(xù)向?qū)嶒?yàn)活塞側(cè)移動(dòng)直至被實(shí)驗(yàn)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(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)閥桿一起移動(dòng)，速關(guān)閥也就隨之開(kāi)啟。而當(dāng)危急保安裝置動(dòng)作時(shí)，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(duì)主閥錐留有50～80 MPa的壓緊力，從而使速關(guān)閥從保護(hù)動(dòng)作到主汽閥全部關(guān)閉的時(shí)間小于0.5～0.8 s，此時(shí)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(dǎo)致速關(guān)閥關(guān)閉不嚴(yán)，同時(shí)在卡澀也會(huì)使活塞盤不能軸向運(yùn)動(dòng)，因此當(dāng)啟動(dòng)油壓降低至小于彈簧力的情況時(shí)，活塞在彈簧力的作用下與活塞盤分離，速關(guān)油通過(guò)回油口泄掉，與上述故障現(xiàn)象吻合。于是開(kāi)始拆卸速關(guān)油油缸，檢查閥桿有無(wú)卡澀，如閥桿彎曲會(huì)導(dǎo)致閥桿卡澀，用百分表檢查閥桿跳動(dòng)值小于0.02 mm，檢查閥桿無(wú)彎曲現(xiàn)象。在將速關(guān)閥彈簧力全部卸掉后，拿撬棍撬動(dòng)速關(guān)閥閥桿，結(jié)果速關(guān)閥閥桿活動(dòng)自如并無(wú)卡澀，同時(shí)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(jī)上機(jī)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(jī)殼配合部位由于磕碰卷邊變形（圖2），因此閥座與機(jī)殼的配合尺寸無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量。檢查閥座表面僅有兩處焊點(diǎn)，由此初步判斷為閥座與機(jī)殼安裝間隙大，焊點(diǎn)少不牢靠是導(dǎo)致閥座脫落的主要原因。而汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)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(huì)影響蒸汽穩(wěn)定的進(jìn)氣量，進(jìn)而造成汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)。

圖2 閥座磕碰變形

4 故障處理

影響汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)、異響的故障點(diǎn)已找到，但新閥座與蒸汽入口殼體短時(shí)間內(nèi)不能到貨，閥座本體修復(fù)無(wú)望，無(wú)法回裝。因開(kāi)工在即，經(jīng)過(guò)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(jī)能按時(shí)啟機(jī)，又可以解決引起轉(zhuǎn)速波動(dòng)的故障。但在回裝調(diào)節(jié)閥、速關(guān)閥后，開(kāi)啟啟動(dòng)油、速關(guān)油，關(guān)閉啟動(dòng)油泄至0.3 MPa 時(shí)，再次出現(xiàn)速關(guān)油壓由0.8 MPa 泄至0 無(wú)法保持油壓的異常情況。

分析判斷啟動(dòng)油、速關(guān)油油壓在0.8 MPa 時(shí)，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(yīng)該正常無(wú)泄壓點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)判斷外部也無(wú)泄漏點(diǎn)。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(jué)到溫度，證明速關(guān)油能夠通到油缸，且是最終通過(guò)回油管線泄掉的。種種現(xiàn)象表明問(wèn)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(dāng)速關(guān)油無(wú)法注入油缸活塞盤背部，即活塞盤無(wú)法在油壓的作用下克服彈簧力隨活塞移動(dòng)，才會(huì)發(fā)生上述狀況?？紤]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(dòng)。閥座摘除后，由于沒(méi)有閥座的軸向位置限制，在彈簧力的作用下，由于前側(cè)無(wú)閥座從軸向控制速關(guān)閥閥錐位置，會(huì)使速關(guān)閥活塞盤與速關(guān)閥油缸壓蓋貼死。此處無(wú)間隙后，會(huì)導(dǎo)致速關(guān)油無(wú)法從后側(cè)注入活塞盤背部，從而失去了其推動(dòng)活塞盤作用。

查閱隨機(jī)速關(guān)閥結(jié)構(gòu)圖紙并咨詢汽輪機(jī)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(wèn)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(dòng)油、速關(guān)油一切正常，速關(guān)閥恢復(fù)正常運(yùn)行工況。汽輪機(jī)啟機(jī)后，也未出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動(dòng)及內(nèi)部發(fā)出異響情況。

此次檢修雖解決轉(zhuǎn)速波動(dòng)及運(yùn)行異響問(wèn)題，但拆除閥座后若機(jī)組運(yùn)行出現(xiàn)緊急狀況，速關(guān)閥不能及時(shí)關(guān)閉切斷主進(jìn)汽，不能保證機(jī)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(shí)安裝保障機(jī)組平穩(wěn)、安全運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)是汽輪機(jī)常見(jiàn)問(wèn)題之一，一旦出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動(dòng)將嚴(yán)重影響汽輪機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。造成汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)的原因有很多，本次故障主要原因?yàn)樗訇P(guān)閥閥座焊口開(kāi)裂，導(dǎo)致閥座脫落，造成閥座與主閥錐、閥蓋相互碰撞，使進(jìn)氣量不穩(wěn)定，造成汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，運(yùn)行時(shí)有異響。本文詳細(xì)闡述了汽輪機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)速波動(dòng)后故障排查、分析及處理的過(guò)程，為處理此類故障提供借鑒。