基于控制系統下的燃氣輪機超溫跳車原因

陳海庭+王玉江

摘 要 海洋石油富島化肥一期燃氣輪機SUVIMAC-II控制系統于1995年投入使用，2008年初改造為TRICONT S3000三冗余控制系統。改造中將燃機伺服控制系統改為冗余控制，改造后轉速控制精確穩定，但隨著時間推移，轉速控制品質逐漸下降，2013年8月出現因控制失調導致超溫跳機。本文針對燃機超溫跳車進行了分析研究，查找跳車原因，提出解決措施。

【關鍵詞】燃氣輪機 控制規律 原因分析 伺服系統

海洋石油富島化肥一期裝置工藝空氣壓縮機組驅動透平燃氣輪機是從意大利新比隆公司引進的工業用燃氣輪機，型號為PGT10，該燃機為單燃燒室帶蒸汽注入的雙軸機組，高壓透平有兩級動葉，額定轉速為10800RPM，驅動燃機本體的17級軸流式壓縮機（也稱為壓氣機）壓縮燃燒用空氣；低壓透平為動力透平，也有兩級動葉，額定轉速為7900RPM，驅動工藝空氣壓縮機高低壓缸.機組布置圖見圖1。

該燃機配套SUVIMAC-II控制系統于1995年投入使用，連續運行十幾年后，由于硬件老化，故障頻發，于2008年初改造為TRICON TS3000三冗余控制系統。改造中將燃機伺服控制系統改為冗余控制，改造后轉速控制精確穩定，但隨著時間推移，轉速控制品質逐漸下降，轉速波動不斷加大，2013年8月出現了因控制失調導致超溫跳機的事故。

1 燃機控制規律分析

燃機主調節系統是對燃氣輪機工作過程的狀態進行控制的調節系統；是對燃氣輪機工作過程中某個參數實現恒值閉環自動調節的系統。燃氣輪機的主控系統包括：啟動燃料控制系統、高壓軸加速率控制、低壓軸加速率控制、低壓軸轉速控制、乏氣溫度控制、手動燃料控制.

2 燃機超溫跳車過程描述

2013年8月16日凌晨2點后，系統總C由95.4上漲至98.0，工藝調整合成氣壓縮機轉速以控制前系統壓力。燃機跳車前，PC02002在3.535-3.590MPa之間，FC02002在39.9-40.3KNM3/h之間，工藝人員未對燃機進行工藝調整。2013年8月16日凌晨4點35分22秒出現02K001機組跳車信號，合成氨裝置維持一段爐運行，后系統做停車處理，輔助鍋爐TEG運行方式切至FDF運行方式。

經檢查，02機組控制系統的SOE可看出，燃氣透平出現伺服故障報警MALM191，2秒后排氣溫度高報警MALM155，3秒后排氣溫度高聯鎖MTRIP113機組跳車。

3 燃機超溫跳車原因分析

3.1 燃機超溫跳車過程分析

跳車前燃機處于低壓軸負荷控制，工藝負荷基本穩定時，燃機低壓軸轉速上升，04時28分14秒，GCV伺服控制器輸出GCV-PO開始下降，4時28分24秒下降至本輪調節的最低值，反饋于28分30秒下降至最低值，反饋滯后6秒鐘（正常跟蹤應在1秒內），GCV關小使低壓軸轉速下降。同時，GCV閥門關小導致高壓軸轉速開始下降，28分17秒時NCV伺服控制器輸出NCV-PO開始上升，但直到28分29秒時，反饋才開始上升。即NCV閥門動作（反饋）滯后輸出12秒。在這12秒內，高壓軸轉速從10678rpm下降至10518rpm，下降了160rpm，IGV閥跟著下降了10%，導致入口空氣大幅減少，進而引起低壓軸轉速下降。

在IGV與GCV都關小的雙重作用下，低壓軸轉速迅速下降，28分29秒時滯后的NCV突然大幅開大，能量向高壓軸傾斜，加劇了低壓軸轉速的下降。低壓軸轉速設定不變的情況下，低壓軸轉速控制器迅速將GCV開大，由于GCV與NCV閥的動作滯后，導致低壓軸轉速超調，低壓軸轉速控制器迅速將GCV關小。

由于GCV動作滯后，高低壓軸轉速繼續升高，低壓軸轉速控制器繼續關小GCV閥門，即GCV伺服控制器輸出大幅降低，燃料量急劇下降，高壓軸轉速大幅降低，NCV又嚴重滯后，使得高壓軸持續大幅降低，從10727一直降至10037下降了690rpm，降幅6.4%，而IGV受77NH控制，降幅是其7倍，下降了46%，從87%降至41%。其結果是入口空氣銳減，排氣溫度在4秒內從493℃上漲至532℃的聯鎖值而跳車。

3.2 跳車可能原因分析

3.2.1 工況存在大幅調整

根據操作記錄及機組運行趨勢來看工況穩定，無大幅調整。可排除工況大幅調整原因。

3.2.2 高低壓軸轉速測量異常

高、低壓軸各有2支轉速探頭，探頭轉速測量趨勢一致，無異常波動，可排除高低壓軸轉速測量異常原因。

3.2.3 排氣溫度測量異常

排氣溫度共有12支熱電偶測量，去掉最高、最低值后取平均值。從測量值趨勢看，變化一致無明顯異常波動，可排除排氣溫度測量異常原因。

3.2.4 液壓油系統壓力，過濾器前后差壓異常

無相關報警記錄，檢查液壓油系統壓力正常，過濾器前后差壓正常。可排除液壓油系統壓力，過濾器前后差壓異常原因。

3.2.5 NCV、GCV等閥門卡澀

靜態校驗各閥門動作順暢，無明顯卡澀現象。可排除NCV、GCV等閥門卡澀原因。

3.2.6 LVDT連接松動

現場對可檢查部位進行了檢查，連接牢固無松動。可排除LVDT連接松動原因。

3.2.7 VC（伺服系統）卡件問題

在對閥門進行校驗時發現GCV靜態校驗閥位不穩，閥門反饋數據不穩定，超調過大及在50%輸出跑零等問題。經過對跳車前機組運行趨勢的分析，結合對可能原因的排查，事故原因為GCV與NCV伺服控制卡調節不穩定，控制參數出現漂移，控制失調空氣量驟減導致排氣溫度高觸發超溫跳車。

4 應對措施

4.1 伺服控制卡參數整定

TS3000的AO卡的兩個通道分別輸出4-20mA閥位指令給每個VC模塊，每個VC模塊分別輸出電流信號給伺服閥，伺服閥返回LVDT信號給主VC模塊，主VC模塊輸出一路一分二的1～5V閥門反饋信號給從VC模塊和TS3000的AI卡，最后HMI從TS3000中讀出閥位。其中TS3000與HMI之間是通過通訊協議來交互，不會出現數據偏差問題。而伺服閥的LVDT信號與VC模塊的輸出閥位若存在偏差，會直接導致閥門控制波動，而從現象來看控制平穩沒有波動，也排除了VC模塊與伺服閥之間的信號問題。

跳車后在廠家技術人員指導下，對GCV、NCV兩個閥門伺服控制卡參數進行整定，靜態調試閥門動作滯后時間縮小，開車后GCV、NCV控制穩定，高低壓軸轉速控制優于停車之前。

在2013年底大修中，對所有伺服控制卡參數進行重新整定。將GCV伺服控制卡主卡更換，并進行參數調整及校驗，重新調校GCV、NCV、IGV、SRV兩個伺服控制閥門，根據需要重新調整伺服控制卡零點、滿度及PI參數。調試后靜態調試閥門跟蹤迅速，控制精確，閥門精度達到1級，能夠很好地滿足生產需要。

5 結束語

燃機超溫跳車原因為為GCV與NCV伺服控制卡調節不穩定，控制參數出現漂移，控制失調所致。重新調校伺服控制系統開車后，伺服閥門控制精準，高低壓軸轉速控制穩定，大大提高了系統運行的穩定性，可靠性，為裝置的穩定可靠及長周期運行打下了堅實的基礎。

作者簡介

陳海庭（1972-），男，助理工程師，技師。目前在中海石油化學股份有限公司海南基地電儀部從事儀表運行維護工作。

王玉江（1983-），男，工程師，工程碩士。目前在中海石油化學股份有限公司海南基地化肥一部從事大機組儀表技術管理工作。

作者單位

中海油化學股份有限公司 海南省東方市 572600