劉福剛，李紅旗，王建鑫，馬 云，張 明，李 斌

（1.吐哈油田公司油氣生產(chǎn)服務(wù)中心，新疆吐魯番 838202；2.吐哈油田公司鄯善采油管理區(qū)，新疆吐魯番 838202）

0 引言

吐哈油田公司鄯善采油管理區(qū)5#增壓壓縮機(jī)組動(dòng)力端采用美國(guó)瓦克夏公司生產(chǎn)的L7042GSI 型發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)為12缸帶渦輪增壓器和中冷器的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，機(jī)組額定功率1455 kW，轉(zhuǎn)速范圍700～1200 r/min，點(diǎn)火由CEC（Custom Engine Control unit，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元）點(diǎn)火模塊控制，轉(zhuǎn)速控制由伍德沃德調(diào)速器控制，空燃比由Fisher 閥控制。自2021 年12月以來(lái)，5#機(jī)組在正常加載運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)意外停機(jī)故障，機(jī)組意外停機(jī)，嚴(yán)重影響了裝置的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

1 故障分析

通過(guò)DCS（Distributed Control System，分布式控制系統(tǒng)）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各參數(shù)歷史數(shù)據(jù)查詢，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)故障停機(jī)前伴隨著轉(zhuǎn)速波動(dòng)大且發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)缸溫異常偏低現(xiàn)象，發(fā)動(dòng)機(jī)缸溫較低說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)馊紵龉π实拖?，表現(xiàn)為動(dòng)力不足、轉(zhuǎn)速波動(dòng)大，最終造成機(jī)組意外停機(jī)。

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度實(shí)質(zhì)上是燃燒是否充分的反映。進(jìn)入燃燒室的氣體包含天然氣和空氣，天然氣經(jīng)調(diào)壓后進(jìn)入空燃比系統(tǒng)，而過(guò)濾后的空氣經(jīng)渦輪增壓后同樣進(jìn)入空燃比系統(tǒng)，在空燃比系統(tǒng)內(nèi)，燃?xì)夂涂諝獍凑赵O(shè)定比例混合進(jìn)入調(diào)速系統(tǒng)節(jié)氣門，按照調(diào)速系統(tǒng)設(shè)定的混合氣量經(jīng)過(guò)匯管進(jìn)入燃燒室，在配氣機(jī)構(gòu)和點(diǎn)火系統(tǒng)的作用下，混合氣經(jīng)過(guò)吸氣、壓縮、做功、排氣4 個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)燃燒的熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的過(guò)程（圖1）。參與發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的系統(tǒng)有點(diǎn)火系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、空燃比系統(tǒng)、配氣機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)等，參與燃燒的環(huán)節(jié)因素都有可能造成缸溫異常。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒流程

1.1 故障診斷模型

FAT（Fault Tree Analysis，故障樹(shù)分析法）是安全系統(tǒng)工程的重要分析方法，建立FTD（Fault Tree Diagram，故障樹(shù)圖）是故障分析的基礎(chǔ)，可以直觀地表達(dá)對(duì)應(yīng)的故障處理邏輯，并通過(guò)部分事件串聯(lián)起來(lái)表達(dá)整體故障狀態(tài)。為了準(zhǔn)確記錄故障表象與根本原因之間的邏輯關(guān)系，并提高診斷系統(tǒng)推理匹配速度，按照排氣溫度低故障產(chǎn)生規(guī)則構(gòu)建知識(shí)庫(kù)模型（圖2）。

1.2 控制系統(tǒng)故障

（1）熱電偶故障。熱電偶傳感器斷裂或者存在虛接、磨皮都會(huì)使控制系統(tǒng)采集到的毫伏級(jí)電壓信號(hào)失真，從而導(dǎo)致采集的溫度信號(hào)異常。

（2）Modbus 采集模塊故障。Modbus 采集模塊為控制系統(tǒng)熱電偶采集模塊，信號(hào)經(jīng)Anybus 模塊和以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)進(jìn)入PLC 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。該模塊接線端子虛接或配置選項(xiàng)按鈕配置錯(cuò)誤，都有可能將轉(zhuǎn)換的模擬量信號(hào)誤傳到PLC。

1.3 點(diǎn)火系統(tǒng)故障

點(diǎn)火系統(tǒng)由CEC 點(diǎn)火控制模塊、正時(shí)傳感器、低壓導(dǎo)線、高壓線圈、火花塞、點(diǎn)火線束及接線盒構(gòu)成。CEC 點(diǎn)火模塊控制電路故障、CEC 接線盒接線端子虛接或斷路、點(diǎn)火線束未接地、火花塞積碳或間隙不對(duì)、燃燒室進(jìn)水、正時(shí)信號(hào)不良、高壓線圈損壞等有可能出現(xiàn)個(gè)別缸缺火，從而造成缸溫低故障。

1.4 進(jìn)氣系統(tǒng)故障

油田天然氣場(chǎng)站建設(shè)在戈壁上，風(fēng)沙較大，風(fēng)沙天氣很有可能使空氣濾芯堵塞或老化、穿透，導(dǎo)致混合器的空燃比變小。而渦輪增壓器效率的高低也會(huì)導(dǎo)致排氣溫度降低或升高。

此外，調(diào)壓閥調(diào)壓失敗致使進(jìn)入進(jìn)氣歧管的燃?xì)饬繙p少、造成各缸富氧燃燒，也是導(dǎo)致排氣溫度低的因素之一。

1.5 空氣比系統(tǒng)故障

空燃比是空氣與燃料之間的質(zhì)量比例。一般用每克燃料燃燒時(shí)所消耗的空氣的克數(shù)來(lái)表示?？杖急仁前l(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的一個(gè)重要參數(shù)，它對(duì)尾氣排放、發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性都有很大影響，過(guò)小或過(guò)大的空燃比對(duì)排氣溫度有著一定影響?？杖急鹊陀诶碚撟罴芽杖急葧r(shí)，燃燒室火焰燃燒溫度最高，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣升溫快、排氣溫度高。當(dāng)空燃比大于發(fā)動(dòng)機(jī)最佳空燃比時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率隨著發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比的增大而下降，排氣溫度也隨之降低?？杖急瘸^(guò)稀燃極限時(shí)會(huì)出現(xiàn)失火，發(fā)動(dòng)機(jī)功率顯著降低。

Fisher 調(diào)節(jié)閥是調(diào)整空燃比的核心部件，起到平衡燃?xì)馀c空氣壓差的作用，膜片損壞或者管線堵塞都有可能使空燃比失調(diào)，有導(dǎo)致富氧燃燒的混合器進(jìn)入燃燒室。Fisher 調(diào)節(jié)閥主要由計(jì)量閥、計(jì)量閥彈簧、膜片、調(diào)節(jié)器等構(gòu)成，天然氣積液、操作工誤擰調(diào)節(jié)器、膜片損壞都有可能造成錯(cuò)誤的空燃比。

1.6 配氣機(jī)構(gòu)

汽缸蓋是發(fā)動(dòng)機(jī)配氣系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，安裝在缸體上方，汽缸蓋和氣缸構(gòu)成燃燒室，汽缸蓋經(jīng)常與高溫高壓的燃?xì)饨佑|，承受了很大的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷。汽缸蓋上的進(jìn)氣門、排氣門是燃?xì)饣旌掀?、廢氣的專用流通通道，氣門間隙的過(guò)大或過(guò)小對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度有著很大影響。

（1）汽缸蓋氣門燒蝕損壞或密封不嚴(yán)漏氣，氣門座圈損壞都會(huì)導(dǎo)致氣門和氣門座圈密封失效，造成燃燒效率降低，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度過(guò)低。

（2）進(jìn)排氣門間隙調(diào)整不當(dāng)。進(jìn)氣門間隙太大，則氣門開(kāi)度增小，進(jìn)入燃燒室的燃?xì)饬繙p少，在功率不變的情況下燃燒能力減少、排氣溫度會(huì)降低。

1.7 進(jìn)氣溫度過(guò)低

進(jìn)氣溫度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致機(jī)組各缸普遍溫度偏低，因此各型發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)進(jìn)氣溫度有著嚴(yán)格的進(jìn)氣范圍要求。

1.8 燃?xì)鉄嶂涤绊?/h3>

燃?xì)鉄嶂凳且欢w積或質(zhì)量的燃?xì)馑芊懦龅臒崃糠Q為燃?xì)獾陌l(fā)熱量，通過(guò)查閱手冊(cè)得出L7042GSI 型發(fā)動(dòng)機(jī)的天然氣熱值應(yīng)在（3.26～3.46）×104kJ/m3，熱值過(guò)高會(huì)造成燃燒不充分，燃燒能力降低，從而造成排氣溫度偏低。

1.9 點(diǎn)火提前角度不合適

點(diǎn)火提前角是天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)從點(diǎn)火時(shí)刻起到活塞到達(dá)壓縮上止點(diǎn)，這段時(shí)間內(nèi)曲軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱為點(diǎn)火提前角，能使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得最佳動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和最佳排放時(shí)的點(diǎn)火提前角稱為最佳點(diǎn)火提前角。同工況下，增大點(diǎn)火提前角可減少燃燒趨勢(shì)，點(diǎn)火提前角每增加1°排氣溫度降低3～8 ℃，表象為排氣溫度降低。減小點(diǎn)火提前角則可以減少燃燒室壓力，但排氣溫度會(huì)升高。因此，合理的點(diǎn)火提前角是發(fā)動(dòng)機(jī)正常燃燒的關(guān)鍵因素之一。

2 解決措施

2.1 檢查控制系統(tǒng)

對(duì)熱電偶傳感器進(jìn)行鑒定，具體方法是使用熱溫槍測(cè)量排氣管的溫度與顯示的溫度對(duì)比，如果溫差較大則進(jìn)行更換。溫度采集主板可采用虛擬信號(hào)模擬的方式檢測(cè)其工作是否正常，具體方式是：拆除熱電偶，將信號(hào)線和FLUKE754 過(guò)程控制儀連接，使用FLUKE754 作為信號(hào)發(fā)生器檢測(cè)溫度變化情況，如果溫度相差較大則更換問(wèn)題采集主板。

2.2 定期點(diǎn)火系統(tǒng)檢查

每800 h 的保養(yǎng)作業(yè)應(yīng)拆除所有缸的火花塞，檢查火花塞的積碳、中間級(jí)燒蝕以及火花塞級(jí)間間隙。

（1）修復(fù)時(shí)，使用砂紙及時(shí)清除積碳，更換燒蝕火花塞，火花塞間隙應(yīng)調(diào)整至1.5～1.6 mm。

（2）使用多用表檢測(cè)高壓導(dǎo)線和高壓線圈，電阻阻值應(yīng)為2 Ω 以下。

（3）由于火花塞位于汽缸蓋凹槽部位，下雨時(shí)容易積液，巡檢時(shí)應(yīng)及時(shí)清理火花塞外部的積水。

（4）此外，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中如果振動(dòng)較大，則應(yīng)定期緊固高壓導(dǎo)線、高壓線圈和火花塞等。

2.3 檢查進(jìn)氣系統(tǒng)

空氣濾芯是過(guò)濾空氣雜質(zhì)的零件，應(yīng)使用高壓空氣定期吹掃濾芯中的塵土，而渦輪增壓器每12 000 h 應(yīng)開(kāi)展大修作業(yè)。

2.4 檢查空燃比系統(tǒng)

保養(yǎng)過(guò)程應(yīng)檢測(cè)空燃比，具體方法是在進(jìn)氣歧管和Fisher調(diào)壓后的燃?xì)夤芫€安裝U 形水管，在啟動(dòng)機(jī)組的過(guò)程中，觀察液柱差是否為114.3～139.7 mm 或水柱高度差為7 cm。高度差過(guò)低或過(guò)高可通過(guò)調(diào)整螺釘調(diào)節(jié)。

Fisher 閥內(nèi)壁和計(jì)量閥存在很小的間隙，計(jì)量閥在空燃比不變的情況下在燃?xì)獯祾呦伦鲋鶑?fù)運(yùn)動(dòng)，在這一過(guò)程中起導(dǎo)向作用的膜片有可能受到積液、雜質(zhì)和回火而受力不均，或者運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)計(jì)量閥共振，此時(shí)計(jì)量閥受到徑向力而向混合器內(nèi)壁方向偏斜，偏斜過(guò)大會(huì)與混合器內(nèi)壁摩擦，徑向力過(guò)大很有可能使計(jì)量閥卡死。若計(jì)量閥卡死在自由狀態(tài)下的位置時(shí)，燃?xì)饬髁繒?huì)出現(xiàn)紊亂現(xiàn)象，從而導(dǎo)致空燃比調(diào)節(jié)失效。

若調(diào)整高度差失敗可拆除混合器所有部件。在拆除計(jì)量閥時(shí)，應(yīng)檢查計(jì)量閥抽出時(shí)有無(wú)卡阻現(xiàn)象，或觀察計(jì)量閥和混合器內(nèi)壁有無(wú)磨痕。正常情況下計(jì)量閥和混合器內(nèi)壁存在間隙，無(wú)摩擦才能保證計(jì)量閥在燃?xì)鈮毫Φ淖饔孟抡{(diào)節(jié)計(jì)量閥開(kāi)度，如果存在磨痕說(shuō)明燃?xì)獠荒苷４蜷_(kāi)計(jì)量閥。

2.5 檢查配氣機(jī)構(gòu)

配氣機(jī)構(gòu)主要檢查氣門間隙和檢測(cè)缸壓。

（1）對(duì)于12 缸發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，首先將右一缸調(diào)整至壓縮上沖程位置，檢測(cè)并調(diào)整氣門間隙，進(jìn)氣門、排氣門間隙分別約0.4 mm、0.7 mm。其次按照點(diǎn)火順序，依此檢查和調(diào)整各缸氣門間隙。

（2）缸壓是評(píng)定燃燒室工作好壞的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，每半年應(yīng)檢測(cè)一次發(fā)動(dòng)機(jī)各缸的缸壓。L7042GSI 型發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸缸壓為1.07～1.20 MPa（最小不低于0.9 MPa），否則應(yīng)檢查活塞環(huán)、進(jìn)氣門密封情況。測(cè)量缸壓時(shí)應(yīng)先斷開(kāi)低壓點(diǎn)火線接頭盒或發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)忾y閥門，拆除所有缸的火花塞、裝入缸壓表，然后按照啟機(jī)流程啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，啟動(dòng)盤車時(shí)缸壓表的最大數(shù)值即為氣缸的缸壓。如果缸壓較小，則應(yīng)檢查發(fā)動(dòng)機(jī)氣門和活塞的密封性。

2.6 燃?xì)饨M分的化驗(yàn)

定期對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)忾_(kāi)展組分化驗(yàn)，可通過(guò)瓦克夏WKI 軟件計(jì)算燃?xì)鉄嶂?。如果燃?xì)鉄嶂挡辉?.26×104～3.46×104kJ/m3范圍內(nèi)，則應(yīng)檢查工藝參數(shù)并對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。

2.7 點(diǎn)火提前角檢查和標(biāo)定

按照手冊(cè)要求，L7042GSI 型發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角應(yīng)調(diào)整至21°～23°，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度約580 ℃。點(diǎn)火提前角每?jī)蓚€(gè)月檢查一次，檢查時(shí)用正時(shí)燈感應(yīng)夾夾住點(diǎn)火正極線，將正時(shí)燈正對(duì)飛輪上的正時(shí)刻度線，正時(shí)燈閃亮?xí)r顯示的度數(shù)為點(diǎn)火提前角。點(diǎn)火提前角不正確時(shí)，應(yīng)在機(jī)組停機(jī)狀態(tài)下調(diào)整CEC 點(diǎn)火模塊的正時(shí)旋鈕。

2.8 檢查其他系統(tǒng)

定期檢查夾套水溫、排氣匯管是否堵塞、機(jī)組負(fù)荷等，確保機(jī)組各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)運(yùn)行正常。

3 總結(jié)

發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)缸溫低故障后，利用故障診斷順序法可快速定位故障及排除恢復(fù)故障。在機(jī)組日常的維護(hù)過(guò)程中，除了對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行檢查外，還要對(duì)機(jī)械部件加強(qiáng)巡檢，避免檢查死角，保證機(jī)組正常運(yùn)行。