摘 要 原料氣壓縮機(jī)汽輪機(jī)原采用TM25/200LP型電液轉(zhuǎn)換器，運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)速波動(dòng)量達(dá)到了100～140 r/min，甚至出現(xiàn)汽輪機(jī)無法調(diào)速和轉(zhuǎn)速失控的情況，危及機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行?；赥M25/200LP電液轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)、工作原理、關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)和運(yùn)行故障案例，分析出TM25/200LP電液轉(zhuǎn)換器對(duì)油質(zhì)適應(yīng)性不好、輸出桿推力小及自身穩(wěn)定性不高是造成原料氣壓縮機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。基于SMR-A14002型電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、工作原理、技術(shù)指標(biāo)等關(guān)鍵技術(shù)，總結(jié)出該電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有輸出桿推力大、對(duì)潤滑油不敏感、控制精度高、工作穩(wěn)定及油缸活塞回位快等技術(shù)特點(diǎn)。用SMR-A14002型電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)原料氣壓縮機(jī)汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行改造，效果滿意，在調(diào)速閥閥桿振動(dòng)影響下，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)量?jī)H20 r/min左右，保證了調(diào)速系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞 電液執(zhí)行機(jī)構(gòu) 汽輪機(jī) 油質(zhì)適應(yīng)性 輸出桿推力 自身穩(wěn)定性 升級(jí)改造

中圖分類號(hào) TH4 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B " 文章編號(hào) 1000-3932（2024）04-0735-07

石化企業(yè)大型壓縮機(jī)一般由汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，為了保證汽輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)又能便捷、高效運(yùn)行機(jī)組，汽輪機(jī)都設(shè)置有轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中有一個(gè)核心部件是電液轉(zhuǎn)換器（也稱電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)），它的穩(wěn)定性、靈敏性、可靠性和對(duì)控制油的適應(yīng)性直接關(guān)系到機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行和石化裝置的平穩(wěn)生產(chǎn)。

中國石油獨(dú)山子石化塔里木石化分公司原料氣壓縮機(jī)為多級(jí)離心式壓縮機(jī)，由汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，由美國埃里奧特公司制造，機(jī)組用于年產(chǎn)45萬噸合成氨生產(chǎn)裝置，為一段轉(zhuǎn)化爐提供所需的轉(zhuǎn)化天然氣，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中的電液轉(zhuǎn)換器原采用TM-25/200LP型，由于該電液轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定性較差，對(duì)潤滑油的精度要求較高，近年來多次造成汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速大幅波動(dòng)，導(dǎo)致裝置停車甚至汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速失控的情況，給機(jī)組帶來嚴(yán)重的安全隱患。為消除這一制約機(jī)組和大化肥安全運(yùn)行的技術(shù)“瓶頸”，在對(duì)各種新型電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析研究的基礎(chǔ)上，最終選用德國福伊特生產(chǎn)的三位一體電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行升級(jí)改造，使隱患得以消除。

1 汽輪機(jī)相關(guān)情況

汽輪機(jī)為中壓冷凝式透平，由沖動(dòng)級(jí)和反動(dòng)級(jí)組成，沖動(dòng)級(jí)為1組葉片，反動(dòng)級(jí)為4組葉片，徑向軸承為可傾瓦軸承，承受徑向載荷；推力軸承采用金斯伯雷軸承，承受軸向載荷，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速由單調(diào)速閥開度控制，汽輪機(jī)型號(hào)SVKJPE5。汽輪機(jī)的相關(guān)參數(shù)見表1。

1.1 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)由電子控制器（ITCC）、電液轉(zhuǎn)換器（電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)）、操作員站、測(cè)速探頭、前置放大器及調(diào)速閥等組成［1］，如圖1所示。

通過測(cè)速探頭和前置放大器將測(cè)得的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由導(dǎo)線傳輸?shù)诫娮涌刂破髦?，與控制器中給定轉(zhuǎn)速值進(jìn)行對(duì)比，經(jīng)過比例、積分、微分放大器運(yùn)算，輸出糾正電流控制信號(hào)，電信號(hào)到達(dá)電液轉(zhuǎn)換器后，在電液轉(zhuǎn)換器中經(jīng)過液壓放大，被轉(zhuǎn)換成輸出桿位移，來推動(dòng)調(diào)速閥閥桿運(yùn)動(dòng)，改變調(diào)速閥開度，對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制［2，3］。

1.2 調(diào)速閥驅(qū)動(dòng)方式

原料氣汽輪機(jī)調(diào)速機(jī)構(gòu)未設(shè)置錯(cuò)油門、油動(dòng)機(jī)、外置執(zhí)行和反饋機(jī)構(gòu)，由電液轉(zhuǎn)換器輸出軸直接與調(diào)速閥閥桿相連，通過螺母進(jìn)行剛性連接，如圖2所示。

這種連接方式是將控制電信號(hào)在電液轉(zhuǎn)換器中直接轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移信號(hào)，來推動(dòng)調(diào)速閥閥芯，由于未設(shè)置錯(cuò)油門、油動(dòng)機(jī)等放大機(jī)構(gòu)，一般輸出的機(jī)械推力較小，往往無法推動(dòng)閥芯或造成控制延時(shí)。

2 電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)TM-25/200LP

原電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電液轉(zhuǎn)換器）型號(hào)為TM-25/200LP，由美國伍德沃德生產(chǎn)，主要部件包括力矩馬達(dá)、擋板、噴嘴、水平調(diào)節(jié)彈簧、對(duì)中彈簧、二級(jí)線性滑閥、反饋彈簧及伺服活塞等。它將電子控制器輸送來的控制信號(hào)（電流20～160 mA），進(jìn)行三級(jí)放大：

第1級(jí) 噴嘴與擋板之間的距離由伺服力矩馬達(dá)的電流來控制，將輸送來的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為油壓控制信號(hào)；

第2級(jí) 二級(jí)線性滑閥兩側(cè)的油壓差控制二級(jí)滑閥活塞的運(yùn)動(dòng)；

第3級(jí) 二級(jí)滑閥活塞移動(dòng)控制伺服活塞的運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過3級(jí)放大，控制電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸出桿位移，控制調(diào)速閥開度［4，5］。

2.1 工作原理

如圖3所示，控制電流信號(hào)增加，力矩馬達(dá)線圈產(chǎn)生磁力增大，原有平衡被打破，磁力推動(dòng)擋板向下移動(dòng)，經(jīng)過擋板下部噴嘴的泄油量將減小，而上部噴嘴的泄油量將增加，二級(jí)線性滑閥兩側(cè)油壓力隨之發(fā)生變化（pa2＞pa1），推動(dòng)滑閥活塞向上移動(dòng)，壓力油進(jìn)入伺服活塞下腔，上腔排油，導(dǎo)致伺服活塞兩側(cè)油壓變化（pb2＞pb1），伺服活塞上移，調(diào)速閥開度增大，而此時(shí)反饋彈簧力增加，導(dǎo)致?lián)醢逑蛏弦苿?dòng)，水平調(diào)節(jié)彈簧力和反饋彈簧力形成合力與線圈磁力相平衡，擋板又移動(dòng)到平衡位置，二級(jí)滑閥活塞堵住伺服活塞上下油孔，伺服活塞停止運(yùn)動(dòng)，完成一次調(diào)節(jié)，控制電流信號(hào)減小，電液轉(zhuǎn)換器工作過程反向［6～8］。

關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)如下：

輸入電流 20～200 mA

實(shí)際電流 20～160 mA

最大輸出位移 25.4 mm

供油量 3.8～18.9 L/min

油缸內(nèi)徑 45 mm

活塞桿直徑 14.7 mm

供油壓力 552～2 586 kPa

實(shí)際供油壓力 563～1 056 kPa

滯后性 ±1%

過濾精度要求 10 μm

油壓552 kPa時(shí)輸出軸驅(qū)動(dòng)力 605 N

油壓1 000kPa時(shí)輸出軸驅(qū)動(dòng)力 1 300 N

最大油壓2 826 kPa時(shí)輸出軸驅(qū)動(dòng)力 2 833 N

運(yùn)行時(shí)平衡電流 110 mA

最大承受電流 250 mA

2.2 存在的技術(shù)缺陷

2.2.1 電液轉(zhuǎn)換器對(duì)油質(zhì)適應(yīng)性不好

TM-25/200LP型電液轉(zhuǎn)換器對(duì)油品的要求較高。首先，據(jù)其說明書中介紹，在電液轉(zhuǎn)換器前安裝40 μm過濾網(wǎng)便能滿足要求。而實(shí)際情況不是這樣，油泵出口已設(shè)計(jì)10 μm油濾芯，且控制油管線上又增設(shè)10 μm過濾芯，但電液轉(zhuǎn)換器仍出現(xiàn)工作異常；其次，每月對(duì)潤滑油都進(jìn)行機(jī)雜、水分、粘度等指標(biāo)化驗(yàn)，結(jié)果均合格，但電液轉(zhuǎn)換器仍然受到影響，出現(xiàn)工作異常，主要表現(xiàn)為執(zhí)行信號(hào)滯后、調(diào)速閥動(dòng)作遲緩、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)［9，10］。

2.2.2 電液轉(zhuǎn)換器輸出桿推力較小

電液轉(zhuǎn)換器輸出桿直接與調(diào)速閥閥桿相連，中間沒有錯(cuò)油門、油動(dòng)機(jī)等放大機(jī)構(gòu)，其推力較小，當(dāng)調(diào)速閥填料過緊、閥桿對(duì)中不好、閥頭與滑道輕微卡澀，就會(huì)造成電液轉(zhuǎn)換器無法推動(dòng)調(diào)速閥閥桿，造成汽輪機(jī)無法調(diào)速甚至轉(zhuǎn)速失控的情況［4，11］。

TM-25/200LP型電液轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)力較小，說明書中介紹最大油壓2 826 kPa時(shí)輸出軸驅(qū)動(dòng)力為2 833 N，而汽輪機(jī)實(shí)際控制油壓為850 kPa，輸出軸推動(dòng)力為931.6 N。

2.2.3 電液轉(zhuǎn)換器自身穩(wěn)定性不好

從工作原理可知，來自電子控制器的控制電流信號(hào)在電液轉(zhuǎn)換器中經(jīng)過三級(jí)放大，輸出機(jī)械位移對(duì)調(diào)速閥進(jìn)行控制，理論上任何一級(jí)放大部位出現(xiàn)故障都會(huì)造成汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速異常。

針對(duì)TM-25/200LP型電液轉(zhuǎn)換器存在的故障，咨詢國外公司，因該電液轉(zhuǎn)換器故障多，對(duì)油的適應(yīng)能力差，已在采購目錄中將其列入淘汰產(chǎn)品，在新機(jī)型中已不再采用，同時(shí)已開始對(duì)該電液轉(zhuǎn)換器機(jī)組進(jìn)行升級(jí)改造。

同時(shí)，向國內(nèi)廠商進(jìn)行咨詢，許多使用TM-25/200LP型電液轉(zhuǎn)換器的汽輪機(jī)也存在同樣故障，這些電液轉(zhuǎn)換器也在進(jìn)行升級(jí)改造。

2.3 事故案例

近十年，塔里木石化公司的汽輪機(jī)因使用TM-25/200LP型電液轉(zhuǎn)換器，調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)故障，制約著機(jī)組安全、長(zhǎng)周期運(yùn)行，如調(diào)速閥卡澀導(dǎo)致汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速無法升降，甚至汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速失控、調(diào)速閥閥桿不動(dòng)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速無法調(diào)節(jié)、電液轉(zhuǎn)換器接收電信號(hào)不動(dòng)作及輸出桿晃動(dòng)等造成汽輪機(jī)工作異常［12，13］。

2017年3月12日，原料氣壓縮機(jī)在啟動(dòng)過程中汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，其波動(dòng)值高達(dá)2 800 r/min，主控室緊急停車，經(jīng)靜態(tài)調(diào)試檢查，電液轉(zhuǎn)換器輸出軸運(yùn)行異常，左右擺動(dòng)且擺幅很大，拆檢電液轉(zhuǎn)換器，發(fā)現(xiàn)伺服活塞桿磨損發(fā)生泄油。

3 電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)升級(jí)改造

因汽輪機(jī)電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性不好，對(duì)油品適應(yīng)性差及輸出桿推力小，近年來多次造成汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)甚至調(diào)速失效，給化肥裝置及機(jī)組運(yùn)行帶來嚴(yán)重的安全隱患，公司決定對(duì)電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行升級(jí)改造。

向國內(nèi)化工廠和汽輪機(jī)廠商咨詢，最終選擇德國福伊特公司設(shè)計(jì)的SMR-A14002型電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)，該電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作穩(wěn)定、對(duì)潤滑油不敏感且推力大。

3.1 工作原理

SMR-A14002型電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)由油缸、換向閥、電磁線圈及電子控制模塊等組成［14］，其邏輯控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

電子控制器發(fā)出控制電流信號(hào)4～20 mA，SMR-A14002型電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制模塊接到信號(hào)后改變電磁力，使換向閥閥芯運(yùn)動(dòng)，改變電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)油缸內(nèi)的油量，對(duì)汽輪機(jī)調(diào)速閥開度進(jìn)行控制［15，16］。

關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)如下：

輸入電流 4～20 mA

正常輸出位移 30 mm

最大輸出位移 33 mm

供油量 30 L/min

油缸內(nèi)徑 100 mm

活塞桿直徑 30 mm

活塞桿側(cè)油壓面積 71.5 cm2

油壓1 000 kPa時(shí)輸出軸驅(qū)動(dòng)力 6 000～6 800 N

供油壓力 500～2 500 kPa

實(shí)際供油壓力 563～1 056 kPa

行程0時(shí)彈簧回座力 1 900 N±190 N

行程30 mm時(shí)彈簧回座力 2 500 N±200 N

滯后性 小于0.2 s

從4 mA到20 mA行程時(shí)間 小于2 s

從20 mA到4 mA行程時(shí)間 小于0.2 s

過濾精度要求 10 μm

3.2 升級(jí)改造內(nèi)容

利用冬季停工機(jī)會(huì)，對(duì)原料氣壓縮機(jī)汽輪機(jī)電液轉(zhuǎn)換器進(jìn)行升級(jí)改造，更換為SMR-A14002型電液執(zhí)行器，接收電子控制電信號(hào)4～20 mA指令。具體改造內(nèi)容如下：

a. 將原機(jī)電液轉(zhuǎn)換器TM25/200LP拆除；

b. 換新型電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)SMR-A14002；

c. 對(duì)機(jī)械部分進(jìn)行相應(yīng)改造，包括電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)SMR-A14002與調(diào)速閥閥桿連接件、萬向節(jié)等（圖5）；

d. 對(duì)油管路進(jìn)行相應(yīng)改造，將電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)油管和回油管改大，進(jìn)油管和回油管從？準(zhǔn)15 mm改為？準(zhǔn)20 mm；

e. 部分線路改造，增設(shè)電纜及防爆箱，兩根信號(hào)線利舊，新增4根10 m2電源線，24 V電源線接入防爆接線箱，從接線箱出來的信號(hào)線和電源線接至電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)（圖6）；

f. 調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)調(diào)試和組態(tài)，具體數(shù)據(jù)見表2。

3.3 技術(shù)特點(diǎn)及運(yùn)行效果

通過分析總結(jié)，SMR-A14002型電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)技術(shù)特點(diǎn)如下：輸出桿推力大，是電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)TM25的4～5倍；電液轉(zhuǎn)換器工作穩(wěn)定；對(duì)潤滑油不敏感；控制精度高；由內(nèi)置彈簧回位，油缸活塞回位快。

電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)升級(jí)改造完畢且靜態(tài)調(diào)試合格后，于2020年3月投入裝置運(yùn)行，汽輪機(jī)在滿負(fù)荷11 460 r/min運(yùn)行，轉(zhuǎn)速波動(dòng)量20 r/min左右；而改造前轉(zhuǎn)速波動(dòng)量為100～140 r/min。改造效果非常明顯，分析認(rèn)為調(diào)速閥閥桿振動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)速波動(dòng)有一定影響，到目前為止，汽輪機(jī)已運(yùn)行近兩年，未出現(xiàn)電液轉(zhuǎn)換器不動(dòng)作、輸出桿晃動(dòng)、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速大幅度波動(dòng)及失控等故障，改造成功。

4 結(jié)束語

對(duì)電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)TM25/200LP和電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)SMR-A14002進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)性能對(duì)比，選用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)SMR-A14002對(duì)原料氣壓縮機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行改造，SMR-A14002型電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出桿推力大，可有效克服調(diào)速閥在運(yùn)行中的摩擦阻力，避免汽輪機(jī)調(diào)速失控或無法調(diào)速；且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、故障少、工作穩(wěn)定性高，有利于汽輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行；對(duì)潤滑油不敏感、控制精度高，原料氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)量約為20 r/min；SMR-A14002型電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)因內(nèi)設(shè)大彈簧，調(diào)速閥關(guān)閉時(shí)間極短，解決了汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)大、潛在轉(zhuǎn)速不能調(diào)節(jié)甚至轉(zhuǎn)速失控的重大安全隱患，明顯提高了機(jī)組運(yùn)行的安全可靠性。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ 張錫德，尤文卿，李武君，等.進(jìn)口汽輪機(jī)速關(guān)閥關(guān)閉原因分析及處理方法［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，2017，38（5）：5-9；69.

［2］ 劉昌偉，劉暉，張錫德，等.汽輪機(jī)抽汽控制閥開度減小原因分析及解決措施［J］.廣州化工，2015，43（19）：145-147；176.

［3］ 王林，梁瑜，蘇鳳琴，等.透平調(diào)速控制電液轉(zhuǎn)換器工作原理及故障分析［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2012，39（10）：1359-1361.

［4］ 張錫德，陳小龍，胡漁，等.汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)失控原因分析及對(duì)策［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，2019，40（3）：24-28；33；6.

［5］ 李吉.電液型調(diào)速器執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障分析及調(diào)試技術(shù)探討［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，2003，24（6）：29-31；38.

［6］ 紀(jì)云鋒.汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)中兩種常用電液伺服閥的分析比較［J］.液壓氣動(dòng)與密封，2007，27（3）：12-14.

［7］ 張錫德，蔣振洋，胡建輝，等.潤滑油品質(zhì)劣化對(duì)大機(jī)組軸瓦的影響及處理［J］.化工設(shè)備與管道，2018，55（3）：46-50；55.

［8］ 侯中文，高維剛.二氧化碳?jí)嚎s機(jī)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)分析及處理［J］.大氮肥，2018，41（2）：131-133.

［9］ 張錫德，陳小龍，康軍，等.汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)氨壓縮機(jī)失速分析及對(duì)策［J］.天然氣與石油，2019，37（5）：26-32.

［10］ 于達(dá)仁，徐基豫，武國賢.600 MW汽輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)卡澀故障分析［J］.汽輪機(jī)技術(shù)，1996，38（4）：240-242.

［11］ 鮑文，于達(dá)仁，胡清華，等.基于振顫幅值監(jiān)測(cè)的電液轉(zhuǎn)換器卡澀故障分析與診斷［J］.汽輪機(jī)技術(shù)，2001， 43（2）：97-99；105.

［12］ 張錫德，董泰斌，劉昌偉，等.合成氣壓縮機(jī)汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)故障分析及處理［J］.大氮肥，2012，35（6）：424-426.

［13］ 劉全社.汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)速度變動(dòng)率和遲緩率的探討［J］.汽輪機(jī)技術(shù)，2001，43（4）：244-245.

［14］ 杜超，李帥.伺服驅(qū)動(dòng)式電液轉(zhuǎn)換器的故障分析與處理［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2017，44（7）：702-704.

［15］ 邵士銘，張錫德，張軍，等.大化肥合成氣壓縮機(jī)汽輪機(jī)控制系統(tǒng)改造及運(yùn)行［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，2016，37（6）：58-62；7.

［16］ 遲海清.裂解氣壓縮機(jī)組轉(zhuǎn)速波動(dòng)的原因分析及對(duì)策［J］.乙烯工業(yè)，2018，30（2）：58-61；6.

（收稿日期：2023-08-14）