汽輪機停機故障分析

劉康寧（杭州和利時自動化有限公司，浙江 杭州 310018）

汽輪機停機故障分析

劉康寧（杭州和利時自動化有限公司，浙江 杭州 310018）

某電廠超速限制OPC動作時，安全油壓力開關復位導致停機。調節閥漏汽，LVDT工作溫度過高，線圈短路，油動機失控導致停機。本文提出了設計改進建議。

汽輪機；DEH；OPC；控制系統

1 項目概述

某企業自備電廠新建兩臺65MW發電機組帶企業自身負荷孤網運行。DEH的液壓系統為高壓抗燃油系統，配有：1個連續控制型油動機，通過操縱機構驅動4個調節閥；2個兩位控制型油動機，通過操縱座驅動2個主汽閥；1套高壓遮斷電磁閥組。配汽機構為小型汽輪機常見的提板式結構。調節閥油動機通過三角杠桿驅動提板上下運動。三角杠桿處配有復位彈簧。提板上懸掛了4個調節閥。如圖1所示。

機組正常運行期間，調節閥油動機上的快關電磁閥失電，高壓遮斷電磁閥帶電。透平油系統的危急遮斷滑閥處于上止點，在低壓安全油壓作用下，薄膜接口閥關閉。壓力油通過主汽閥、調節閥油動機上的節流孔進入高壓安全油路，高壓安全油路上的3個壓力開關動作，表示安全油壓已建立。在高壓安全油壓作用下，液控單向閥保持打開狀態，卸荷閥保持關閉狀態。

圖1 在提板上懸掛3個調節閥

伺服閥的B口與壓力油接通時，油動機向開門方向運動。伺服閥的B口與回油接通時，油動機向關門方向運動。B口開度越大，運動速度越快。伺服閥的B口關閉時，油動機保持原位置不動。伺服模塊比較閥位給定與LVDT油動機行程，差值放大后調整伺服B口開度，構成位置隨動系統，使油動機行程跟隨閥位給定變化。

OPC動作時，調節閥油動機上的快關電磁閥帶電，卸荷閥打開，壓力油進入活塞下腔，驅動活塞向上運動，快速關閉調節閥。如圖2所示。

DEH控制系統采用和利時的DEH/DCS一體化解決方案，系統軟件為MACSV5版本，硬件為SM系列模塊。如圖3所示。

伺服模塊將閥位給定電壓與由LVDT調制解調來的油動機行程反饋電壓之差放大后，調整伺服閥油口開度，使油動機行程跟隨閥位給定信號變化，通過杠桿配汽機構改變調節閥開度，從而改變汽輪機的進汽量。

圖2 調節閥油動機原理圖

圖3 DEH硬件系統示意圖

采用6線制LVDT。初級線圈加入1.7kHz/3.5VAC左右的正弦波激勵電壓，根據2個次級線圈感應電壓的差值，得到油動機行程信號。差值為0時對應油動機在50%中間位置。差值為正時表示行程大于50%，為負時表示行程小于50%。

伺服模塊具有LVDT斷線檢測功能。若檢測到某支LVDT線圈斷線，自動將對應LVDT反饋電壓改為最高（大于油動機全開電壓）。兩支LVDT調制解調后的電壓小選后作為反饋電壓。若2支LVDT均發生斷線故障，伺服控制回路可將調節閥全關，保證機組安全。

在機組調試階段發現，調節閥行程大于9%期間，若調節閥油動機上的OPC電磁閥動作，不僅調節閥油動機會迅速關閉，還會導致主汽閥油動機關閉，機組打閘停機故障。檢查分析為OPC電磁閥動作時，系統壓力油、高壓安全油會瞬間降低，致使安全油壓力開關復位，DEH輸出打閘指令，主汽門全關。由于時間緊，未對液壓系統問題作處理。

機組運行僅1個月后因油開關跳閘、103%超速OPC動作發生過停機故障。后來因汽輪機調節閥汽柜法蘭面漏汽，致LVDT傳感器溫度過高短路損壞，多次發生停機故障。

2 故障情況分析

下面針對3次故障情況進行分析。

（1）1月22日7:38分跳閘故障

7:38分故障前，電網負荷（功率）逐漸增加，調節閥油動機在一次調頻作用下逐漸開大，主汽流量隨之逐漸增加，主汽壓力略有下降，以維持轉速穩定，轉速最低降到2988r/min。在7:38:10時，電網負荷突然減少，轉速迅速升高。在一次調頻作用下，閥位給定、調節閥油動機行程也迅速減小。但由于一次調頻限幅為3000±30r/min，轉速超過3030后，閥位給定、調節閥油動機行程不再隨轉速升高而減小。轉速很快飛升到3092r/min，103%超速OPC動作，調節閥油動機迅速關閉。由于耗油量太大，使EH油壓、安全油壓瞬間降低，安全油壓力開關復位，安全油壓建立信號消失，DEH輸出打閘信號，AST電磁閥失電，安全油壓降低，主汽門關閉。如圖4所示。

圖4 第一次故障情況分析圖

（2）2015年1月30日5:24:22發生打閘停機事故

機組單機帶著22.6MW負荷，轉速穩定在3006r/min。在5:24:20時，油開關跳閘，OPC電磁閥動作，調節閥油動機迅速關閉。由于耗油量太大，使EH油壓、安全油壓瞬間降低，安全油壓力開關復位，安全油壓建立信號消失，DEH輸出打閘信號，AST電磁閥失電，安全油壓降低。轉速最高升到3049r/min。OPC變量“T1DOCVIVOFF”置1持續了10s，為DEH打閘開出動作所致。如圖5所示。

圖5 第二次故障分析圖

（3）2015年3月2日6:24分跳閘故障

機組單機帶29MW負荷穩定運行。在6:22:05后，油動機行程信號從60%突然增大到78%，機組轉速、功率隨之降低（29.2MW降到18.2MW），主汽壓力隨之升高。如圖6所示。進一步分析判斷為LVDT傳感器因高溫導致次級線圈匝間短路，使指示閥位信號突然增大，伺服控制反饋回路的調節作用導致關小調節閥開度。

圖6 第三次故障分析圖

總閥位給定在一次調頻的作用下，隨著轉速降低迅速增大。一次調頻給定值最大到15限幅后失去了轉速調節作用。操作員根據轉速變化情況操作閥位快速增減按鈕，改變目標閥位，試圖將轉速穩住。到6:23:56前，功率較穩定，轉速波動已明顯減弱。在6:23:57時，油動機行程信號從76.9%突然降低到50%，轉速、功率突增（18.5MW上升到20.4MW），主汽壓力突降。

進一步分析判斷為LVDT傳感器因高溫導致另一次級線圈也發生匝間短路，使指示閥位信號突然減小，伺服控制反饋回路的調節作用導致開大調節閥開度。轉速最高值顯示為3102r/min，103%超速OPC動作。調節閥油動機迅速關閉。由于耗油量太大，使EH油壓、安全油壓瞬間降低，安全油壓開關復位，安全油壓建立信號消失，DEH輸出打閘信號，AST電磁閥失電，安全油壓降低。

剛打閘時，機組還帶著負荷（功率不為0，10～0MW），轉速迅速下降。EH油壓逐漸降低。持續40s逆功率（-18.7MW）后，油開關斷開，功率顯示變為0。

3 主要問題歸納

3.1 汽輪機本體方面

（1）調節閥汽柜法蘭面漏汽

機組運行僅1個月后，調節閥汽柜法蘭面就開始出現漏汽。運行3個期間漏汽逐漸增大。由于調節閥油動機距離很近，LVDT傳感器工作溫度超過規定范圍（-25℃～120℃），導致內部線圈絕緣破壞，造成匝間短路故障。LVDT反饋電壓突變，使調節閥突然關小，后又突然開大，無法保證機組安全穩定運行。

（2）油動機環境溫度高

油動機安裝在汽缸上。由于金屬熱傳導、熱輻射的作用，油缸及油液溫度較高。影響密封件及抗燃油的使用壽命。

3.2 液壓系統方面

調節閥油動機快關耗油太大

在調節閥油動機行程大于9%的條件下，快關電磁閥動作時，壓力油充入活塞下腔，油動機迅速關閉。蓄能器不能及時補充油動機的大量耗油，壓力油、安全油瞬間下跌。導致3個安全油壓力開關瞬間復位，而打閘停機。

3.3 DEH系統方面

（1）一次調頻限幅

轉速在3000±30r/min范圍內變化時，一次調頻給定值才跟隨轉速變化。轉速超出此范圍時，一次調頻給定值被限幅而保持不變，機組即失去了轉速反饋作用，導致機組轉速超過103%OPC動作。

（2）103%超速OPC動作停機

正常的103%超速OPC功能為：103%超速OPC動作時，OPC電磁閥帶電調節閥迅速關閉，以抑制轉速超調量。當轉速降低103%超速OPC復位后，OPC電磁閥失電油動機交回調節系統控制。若油開關已斷開，則由轉速PID控制調節閥，最終穩定在3000r/min。若油開關為閉合狀態，則DEH進入閥控方式，在目標閥位及一次調頻作用下控制調節閥開度，使轉速保持穩定。

103%超速OPC動作后就打閘停機了，原因為：調節閥油動機快關時耗油量大→EH油壓瞬間降低→安全油壓力開關瞬間復位→安全油壓建立信號瞬間消失→DEH打閘開出→AST電磁閥失電→安全油壓降低→安全油壓力開關復位→安全油壓建立信號消失→機組已跳閘。

4 改進建議

4.1 汽輪機本體方面

（1）調節閥汽柜法蘭面漏汽

汽機專業采取必要措施（如增加法蘭面螺栓緊力）杜絕漏汽。

今后改進設計，增大法蘭面密封長度。

（2）油動機環境溫度高

汽機專業采取必要措施（如在油動機安裝底座上增加水套）降低油缸及油液溫度工作溫度。

今后改進設計，將油動機安裝在前箱蓋上，遠離高溫部件。

4.2 液壓系統方面

調節閥油動機快關耗油太大

在調節閥油動機壓力油管路上增加節流閥，降低油動機關閉速度。將油動機關閉時間控制在0.5s以內，既保證機組安全，又避免打壞調節閥。同時避免3個安全油壓力開關瞬間復位。

將高壓安全油壓開關復位油壓由6MPa改為2～3MPa（保證低壓遮斷動作時的油壓低于此值）。避免OPC快關動作時，此壓力開關復位。

今后改進設計，由于操作機構已設有復位彈簧，調節閥油動機可改為液壓開啟、彈簧關閉型。即上腔通入壓力油時，克服彈簧力，開啟調節閥。上腔接通回油時，在彈簧力作用下，調節閥迅速關閉。下腔始終接回油。

4.3 DEH系統方面

（1）一次調頻限幅

取消一次調頻的限幅作用。轉速過高或過低時，在一次調頻作用下可使油動機行程達到全關或全開。

考慮到鍋爐出力變化比汽輪機的需求慢得多，在大電網中運行的機組通常采用限制一次調頻的調節量，來減小對鍋爐的擾動。限幅通常設為開門方向15r/min，關門方向不限制（保證汽輪機安全）。

在孤網運行環境下，需要隨時保證發電功率與用電負荷平衡，以維持轉速穩定。通過一次調頻作用，自動調整調節閥開度，以達到上述目的。考慮到鍋爐的蓄能有限，調節閥開度增大后，主汽壓力會逐漸降低，應及時增加鍋爐的燃料。若主汽壓力下降過大，可設法甩掉部分負荷。

功率負荷不平衡量過大時，可以通過低周減載、高周切機、適時投入水電阻等措施，及時縮小功率負荷不平衡量。然后利用一次調頻作用使功率負荷達到平衡，轉速保持穩定。利用二次調頻作用或手操增減目標閥位，使轉速維持在3000r/min附近。

（2）103%超速OPC動作停機

修改與安全油壓開關開入變量“T1DMLPTRST”相關邏輯，使安全油壓力開關瞬間復位不對DEH控制系統造成影響。

· 機組已掛閘、已跳閘邏輯

增加在已掛閘“T1DMTURESET”邏輯中的TON延遲時間，由1s改為5s。以避開OPC動作時，安全油下跌時間。

將已跳閘“T1DOTURTRIP”邏輯中的“T1DMLPTRST”變量，改為已掛閘“T1DMTURESET”。避開“T1DMLPTRST”變量誤動影響。

· DEH打閘邏輯

將打閘邏輯“T 1 D O T R I P T U R”中打閘條件“T1DMLPTRST”變量改為已掛閘“T1DMTURESET”。“T1DMLPTRST”變量為0表示安全油壓已消失，可用來作為SOE記錄，以區分是DEH打的閘，還是外部打的閘。

News[ 新聞 ]

南車電機公司成功研制高速永磁變頻電機系統

2015年4月28日，具有國際先進水平的高速永磁變頻電機系統在南車株洲電機有限公司成功下線，將為某企業最新研制的水蒸氣壓縮機提供尖端動力。其與傳統的三相異步電機配套增速箱系統相比，能源利用效率提升約15%，這標志著南車電機已經全面掌握高速永磁變頻電機系統核心技術，為我國流體機械實現節能、環保提供了先進的動力系統解決方案。

據南車電機技術中心永磁電機研發部經理晏才松介紹，該電機額定功率165kW，額定轉速18000轉/分，從啟動加速至額定轉速僅需9秒，整個動力系統性能優異，運行平穩，噪聲低，振動小，全生命周期成本低。此次研制成功的高速永磁變頻電機系統包括電機、變頻器與高速滑動軸承等。

整套系統采用高速永磁同步變頻調速技術，電機直接驅動壓縮機運行，與傳統的三相異步電機通過齒輪箱增速再驅動壓縮機相比，省去了增速齒輪箱，從而消除了齒輪箱所導致的功率損失、噪聲和振動，結構緊湊、維護簡單，大大降低了動力系統的體積，節約了機器安裝的空間以及后期維護的工作量與使用成本。由于電機轉速的提升，高速永磁電機與同等功率三相異步電機相比，體積大大縮小，重量降低，材料消耗降低，驅動運行的壓縮機體積也變小，成本降低，從而使得整套蒸汽壓縮機整機具有高效率、高可靠性、高功率密度的優點。

南車電機作為中國軌道交通牽引動力的領跑者，2013年自主研制的中國首臺高速動車組用TQ-600型永磁同步牽引電機，在運行考核中性能優異。此次高速永磁變頻電機系統研制成功，彰顯了南車電機在永磁電機研制技術、制造工藝、試驗能力的國際先進水平。因為超高的性價比與優質的服務，目前已有20余家國內外高速流體機械知名企業與南車電機開展技術合作，形成了50kW至1200kW的產品型譜系列。隨著各款高速永磁電機的研發成功與推廣，具有十分巨大的經濟效益和社會效益。

Breakdown Analysis of Turbine

When the Over Speed Control (OPC) acts very often, the pressure switches of safety fuel will be released, which maybe lead to the turbine tripped. Some steam leak out from the governor valve flange face. The work temperature of LVDT is very high. The coils of LVDT are sometimes short out. The actuator is out of control inducing the turbine tripped. The improvement suggestions are proposed in this paper.

Turbine; DEH; OPC; Control system

B

1003-0492(2015)05-0108-04

TK268

劉康寧（1963-） ，男，四川德陽人，高級工程師，計算機應用碩士。現任杭州和利時自動化有限公司副總工程師兼DEH技術總監，主要從事DEH控制系統研究設計工作。