中山嘉明電力有限公司 黃耀文

1 引言

燃料控制閥用于控制燃機燃燒系統(tǒng)的燃氣流量，其動力由液壓缸驅(qū)動，液壓缸上裝有彈簧可在失效狀態(tài)時關(guān)閉閥門，起到安全保護作用。燃料控制閥的閥芯外形經(jīng)過特別設(shè)計，使閥門流通面積與閥芯行程成比例關(guān)系，同時其流線型閥芯和文氏管閥座，使其具備壓阻低、壓比高的高壓恢復(fù)功能。高壓恢復(fù)設(shè)計能夠讓在閥門供應(yīng)壓力低的情況下，實現(xiàn)臨界壓力運行，其優(yōu)點是閥門的流量與閥門進氣壓力及閥門流通面積呈函數(shù)關(guān)系，而與閥門的壓力損失無關(guān)。運行時閥門的開度大小由控制系統(tǒng)控制，所供應(yīng)燃氣按一定的百分比分配給每路燃氣通道，燃料分配比由燃燒運行模式及其基準溫度控制[1]。

根據(jù)燃燒系統(tǒng)的不同有兩種不同的閥門類型，一種是標準壓損設(shè)計（標準燃氣控制閥），另一種是低壓損設(shè)計（低壓損燃氣控制閥）。兩種設(shè)計都具有線性流量特性，即便在低壓比的情況下也不會受到閥門出口壓力的影響。某GE 9FA 燃機在DLN2.6+改造時，燃料控制系統(tǒng)的閥門同步改造為低壓損型，與標準燃料控制閥相比，會使燃料噴嘴的壓比更穩(wěn)定，能夠進一步降低閥門的壓損，從而提升燃燒系統(tǒng)的可靠性。

2 事件經(jīng)過

2017-2019年，二期GE 9FA 燃機在進行了燃燒器DLN2.6+改造后多次發(fā)生機組啟動并網(wǎng)燃燒模式切換時GCV3燃料控制閥不跟隨指令跳機，系統(tǒng)報警均為“GCV3 TRACKING FAULT-HIGH HIGH ERROP TRIP”（即燃料控制閥基準值和反饋值的差的絕對值大于5%，延時5S，機組停運）觸發(fā)機組主保護動作，機組跳閘。缺陷發(fā)生后儀控專業(yè)立即對閥門進行靜態(tài)和充氮氣模擬動態(tài)開關(guān)試驗，均為正常，重新啟動機組并網(wǎng)歷次也都正常。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)該故障具有一定的隨機性，未找到明顯的關(guān)聯(lián)點。

3 原因分析

3.1 燃料控制閥組模塊介紹

該公司9FA 燃料模塊在DLN2.6+改造后的布置如圖1所示。閥組的動力來自同一個液壓油系統(tǒng)，通過伺服閥控制開關(guān)位置。根據(jù)控制順序，開機點火時啟用D5支路，在升速過程中D5退出，PM1、PM2投用直到并網(wǎng)帶負荷，當(dāng)負荷達到一定值，溫度匹配滿足要求時，燃燒模式切換PM3投入使用。

圖1 燃料控制閥組模塊

3.2 原因排查

3.2.1 伺服閥故障

2017年2月22日#4機第一次發(fā)生該缺陷后，技術(shù)人員初步判定為伺服閥故障導(dǎo)致閥門拒動，隨后更換了伺服閥，但過了兩周，#4機組陸續(xù)出現(xiàn)了該故障。一般情況下伺服閥不會如此頻繁出現(xiàn)故障，因此排除了伺服閥問題。

3.2.2 液壓油油質(zhì)

2017年3月5日和7日，#4機接連發(fā)生3次同一原因引起的跳機。此時分析認為是液壓油油質(zhì)存在問題，伺服閥動作時存在一定概率使顆粒物堵塞伺服閥導(dǎo)致卡澀。停機后更換了伺服閥，對液壓油進行濾油并進行化驗，結(jié)果顯示指標均在合格范圍內(nèi)，查閱前幾個周期的化驗結(jié)果，未發(fā)現(xiàn)超標數(shù)據(jù)。#4機在之后的幾個月內(nèi)都未發(fā)生同樣情況，因此排除油質(zhì)引起的缺陷，在2017年8月26日#3機組上出現(xiàn)了同樣故障，排查跟蹤油質(zhì)數(shù)據(jù)，無明顯劣化趨勢，而且在不同的機組中均發(fā)生，因此也排除了液壓油油質(zhì)存在問題。

3.2.3 閥門安裝工藝

由于#4機接連發(fā)生幾次故障都找不到原因，因此認為是#4機的GCV3閥門存在質(zhì)量缺陷，在排查油質(zhì)的同時，3月7日發(fā)生故障后決定更換該閥門。舊閥門在拆除過程中發(fā)現(xiàn)法蘭孔存在磨損如圖2所示，懷疑閥門安裝存在應(yīng)力，閥體剛度不夠會產(chǎn)生變形，導(dǎo)致閥桿被憋住增加摩擦的可能性。因此在更換閥門時嚴格控制回裝質(zhì)量，法蘭圓周和張口控制在0.5mm內(nèi)，保證閥門不存在扭曲。2017年8月26日，在#3機組出現(xiàn)故障排除了液壓油問題后，閥門的安裝變成了重點懷疑對象，重新拆裝了#3機組的GCV3閥。但在2018年6月12日#3機上缺陷再現(xiàn)。因此，閥門的安裝可能是原因之一，但不是根本原因。

圖2 閥門法蘭孔磨損

3.2.4 閥組的位置布置

考慮到二期兩臺機組存在共性問題，技術(shù)人員對閥組間的布置形式展開調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)閥組罩殼的呼吸口在靠近GCV1和GCV3的位置，如圖3所示。GCV3閥是機組并網(wǎng)后切換燃燒模式時投入，機組運行已近半個小時，閥體入口溫度基本接近燃氣的185℃。但因為閥門的一側(cè)正對呼吸口，在罩殼風(fēng)機的作用下有持續(xù)不斷的冷卻空氣灌入對閥體進行冷卻，可能出現(xiàn)閥門因為前后受熱不均導(dǎo)致閥芯和閥體不同心而卡澀的現(xiàn)象。而GCV1閥即D5燃料是機組啟動就開始投用，投入時間較短，且初始溫度相對較低，因此GCV1不會出現(xiàn)上述現(xiàn)象。為了驗證該想法的可能性，在罩殼呼吸口后、GCV3閥前設(shè)置了一個導(dǎo)流板，將冷空氣發(fā)散導(dǎo)流至四周，避免直吹GCV3閥，同時對閥體部分增加一層保溫，降低溫度對閥體的影響[2]。

圖3 閥組間正對GCV3閥門的呼吸口

在對兩機組采取以上措施后，設(shè)備穩(wěn)定運行了幾個月后，2018年10月1日和2018年12月28日，兩臺機又分別再次出現(xiàn)了不跟隨導(dǎo)致跳機的情況。由此可見，分析得出呼吸口的原因驗證失敗。

3.2.5 閥門結(jié)構(gòu)問題

針對GCV3閥門的不跟隨現(xiàn)象，為進一步了解故障原因，排除閥體卡澀可能性，對#4燃機在2017年多次出現(xiàn)過故障的GCV3閥運送至閥門維修工廠進行解體檢查。解體后發(fā)現(xiàn)閥芯密封線有偏移和磨損如圖4所示，該現(xiàn)象與閥門法蘭孔有受力摩擦的情況相對應(yīng)，可能存在安裝不正確導(dǎo)致外部應(yīng)力作用于閥門發(fā)生變形。在深入拆檢伺服閥、跳閘閥、濾網(wǎng)等液壓缸附件時，未發(fā)現(xiàn)有堵塞和臟污物，再次排除伺服閥故障和油質(zhì)不合格因素的影響[3]。

圖4 閥芯密封線錯位和碰磨

閥門解體雖然未發(fā)現(xiàn)有明顯的卡澀原因指向性，但值得注意的是，燃料控制閥油動機的受力面積比較小，閥芯各部件如圖5所示。液壓缸的作用面積S'=S（R'，r'），而閥門開啟需要克服天然氣壓力對應(yīng)的面積S=S（R，r）,從受力角度分析，閥門啟動力F開=（P油壓×S’）應(yīng)大于F合力=（P2×S+彈簧力+閥桿摩擦力）。從實際測算的數(shù)據(jù)中可知，啟動力F開與F合力基本相當(dāng)，處在臨界值，若軸向密封件中積存的微小顆粒跟閥桿發(fā)生摩擦增加阻力，或閥桿與密封件相對長時間不動作，發(fā)生相對運動改變初始狀態(tài)需要克服慣性力，或油管有油泥對油壓產(chǎn)生節(jié)流等，都可能會導(dǎo)致啟動力不足，難以克服阻力，進而發(fā)生不跟隨指令的故障。針對以上分析，專業(yè)人員將液壓油壓力提高至規(guī)范上限1500PSI，同時在啟動前增加閥門活動試驗，減少密封件與閥芯的吸附力。采取上述措施后，經(jīng)過近3年的持續(xù)跟蹤，機組啟動700多次再未出現(xiàn)以上故障，故障已基本消除。

圖5 閥芯部件

4 處理措施

結(jié)合上述分析驗證過程，處理燃料控制閥拒動的主要措施有以下幾點。一是檢查伺服閥，排查伺服閥故障。二是檢查液壓油質(zhì)，這是造成伺服閥卡澀的主要原因。三是檢查閥門的安裝質(zhì)量，排查是否存在野蠻施工造成閥門變形導(dǎo)致摩擦阻力增大。四是提高液壓系統(tǒng)油壓，檢查油管是否存在沉積物堵塞節(jié)流，本次處理過程中提高油壓后缺陷已消除，可在閥門進口處增加就地壓力表，檢查液壓油管道是否有阻塞。五是增加啟動前的活動試驗。六是解體閥門，檢查閥芯是否有卡澀。

5 結(jié)語

燃料控制閥是燃料系統(tǒng)的重要組成部分，運行中只要出現(xiàn)故障，基本都會導(dǎo)致機組非停。因此設(shè)備的日常維護顯得較為重要，液壓缸和伺服閥結(jié)合計劃檢修做定期保養(yǎng)是一個重要的環(huán)節(jié)，平時也需要時刻關(guān)注液壓油的品質(zhì)，一旦受到污染，則整個系統(tǒng)的閥門安全運行都受到威脅，因此必須嚴格把控。另外針對設(shè)計裕量是否足夠的問題，需要跟廠家進行進一步的交流探討，對于重要閥門，能否適當(dāng)放大安全裕度重新選型。