高爐汽動鼓風(fēng)機(jī)放風(fēng)故障原因分析及處理

田 嘉

(本鋼板材股份有限公司發(fā)電廠，遼寧本溪117021)

前言

某鋼鐵企業(yè)熱電廠一臺AV80型高爐軸流鼓風(fēng)機(jī)，采用汽輪機(jī)拖動方式。軸流鼓風(fēng)機(jī)是瑞士曼透平公司制造，汽輪機(jī)為杭汽制造。該軸流鼓風(fēng)機(jī)型號為AV80-16，采用全靜葉可調(diào)技術(shù)，靜葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由電液伺服閥控制的伺服馬達(dá)、調(diào)節(jié)缸和葉片承缸組成，通過控制系統(tǒng)輸出的4～20 mA信號改變伺服閥閥芯位置，控制動力油并作用于伺服馬達(dá)活塞，通過連接板帶動調(diào)節(jié)缸往復(fù)運(yùn)動，調(diào)節(jié)缸又帶動各級導(dǎo)向環(huán)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)靜葉角度的目的。

該汽動鼓風(fēng)機(jī)組于2003年投入運(yùn)行，向高爐供風(fēng)。在一次正常供風(fēng)運(yùn)行中突發(fā)故障，短時(shí)間內(nèi)連續(xù)3次出現(xiàn)靜葉角劇烈波動，使放喘閥開啟(防喘閥由編號為108、109兩組防喘閥組成)，造成風(fēng)機(jī)放風(fēng)故障，每次對高爐的風(fēng)量、風(fēng)壓均造成一定的波動影響。

1 故障現(xiàn)象描述

該鼓風(fēng)機(jī)在較短時(shí)間內(nèi)連續(xù)發(fā)生3次靜葉角波動，造成風(fēng)機(jī)放風(fēng)故障，其故障現(xiàn)象如下：

第一次故障：10點(diǎn)32分45秒，靜葉角運(yùn)行角度由72.8°在5秒內(nèi)突然增加至76°，從DCS系統(tǒng)趨勢記錄顯示：風(fēng)量增加170 m3/min；出口風(fēng)壓由373 kPa降低至371 kPa；動力油壓降低0.89 bar(正常為80 bar左右)；汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速下降36.9 r/min；防喘報(bào)警信號來，109防喘閥自動開啟12%，10 s后109防喘閥全關(guān)，風(fēng)機(jī)恢復(fù)正常。

第二次故障：11點(diǎn)57分45秒，正當(dāng)現(xiàn)場技術(shù)人員對第一次發(fā)生故障的原因進(jìn)行分析時(shí)，突然風(fēng)機(jī)內(nèi)部傳出一聲悶響，并伴隨巨大的振動，DCS趨勢記錄顯示：靜葉角運(yùn)行角度5 s內(nèi)突然減小了9.96°；軸振動大報(bào)警信號來；軸位移報(bào)警信號來；動力油壓最低降至62.82 bar，備用動力油泵聯(lián)動；108、109防喘閥全開，風(fēng)量瞬間回零；出口風(fēng)壓最低下降至189 kPa；逆流保護(hù)動作信號來；放風(fēng)線向下移動10%，后被人工復(fù)位，1分35秒后，放喘閥全部關(guān)閉，風(fēng)量恢復(fù)正常，風(fēng)壓恢復(fù)至315 kPa，后逐漸恢復(fù)至正常狀態(tài)。

第三次故障：13點(diǎn)21分45秒，風(fēng)機(jī)內(nèi)部又傳出悶響，再次出現(xiàn)靜葉角關(guān)閉，防喘閥開啟故障。此次靜葉角運(yùn)行角度由73.54°在5 s內(nèi)最低降至30.03°，已達(dá)到靜葉角最小運(yùn)行位置；108、109放喘閥全開，放風(fēng)線再次下移10%；風(fēng)壓最低降至185 kPa；其他參數(shù)變化與第二次故障情形類似。放風(fēng)線被人工復(fù)位后，1分30秒后，放喘閥關(guān)閉，風(fēng)機(jī)其他參數(shù)恢復(fù)正常。

經(jīng)歷了三次故障，對高爐供風(fēng)的風(fēng)量、風(fēng)壓造成波動，無法滿足高爐正常生產(chǎn)，風(fēng)機(jī)無法繼續(xù)運(yùn)行，經(jīng)生產(chǎn)部門同意后，啟動備用鼓風(fēng)機(jī)，該故障鼓風(fēng)機(jī)停機(jī)進(jìn)行全面檢查，徹底查找故障原因。

2 故障原因分析

該故障鼓風(fēng)機(jī)停機(jī)后，以操作站計(jì)算機(jī)中的“事件報(bào)警記錄”和“數(shù)據(jù)趨勢記錄”做數(shù)據(jù)參考，全面剖析出現(xiàn)這三次故障的發(fā)生過程，根據(jù)軸流鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行工藝及控制系統(tǒng)的理論分析及歷史故障案例，將各種發(fā)生故障的可能性全部羅列出來，對導(dǎo)致靜葉角迅速關(guān)小的可能原因通過實(shí)驗(yàn)或檢查進(jìn)行逐一排查。

2.1 靜葉角反饋值與實(shí)際值發(fā)生偏差

靜葉角位置變送器反饋值與靜葉實(shí)際位置發(fā)生偏差，使靜葉反饋值無法正確指示靜葉實(shí)際位置。風(fēng)機(jī)在運(yùn)行中，正常調(diào)整靜葉時(shí)使風(fēng)機(jī)發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速，引起靜葉角迅速關(guān)小。

實(shí)驗(yàn)方法：通過手操器給定靜葉角百分比，得到靜葉角反饋值，與原始記錄數(shù)據(jù)做對比，對比情況如圖1。

圖1 靜葉角反饋值與原始記錄對比圖

得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與原始記錄得到了很好的吻合，證明靜葉角位置變送器反饋值與靜葉實(shí)際位置并未發(fā)生偏差。并通過分析，控制靜葉角開度的油動機(jī)活塞兩側(cè)油缸通過壓力油得到平衡，使靜葉角度保持不變。靜葉角開度如果發(fā)生變化，一定是通過伺服閥的控制使油缸一側(cè)進(jìn)油、一側(cè)泄油，達(dá)到一定位置時(shí)達(dá)到新的平衡。如果風(fēng)機(jī)發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速，并不能導(dǎo)致伺服閥輸出發(fā)生變化。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果及分析結(jié)論，這種可能性不存在。

2.2 風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)在調(diào)節(jié)交接區(qū)連續(xù)性不好

該風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)方式采用靜葉角調(diào)節(jié)+轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)(woodward505調(diào)節(jié)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速)分段調(diào)節(jié)法。若風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)頻繁運(yùn)行在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)與靜葉調(diào)節(jié)交接區(qū)間，控制系統(tǒng)在調(diào)節(jié)連續(xù)性上可能存在問題，發(fā)出關(guān)小靜葉角的錯(cuò)誤指令。

檢查方法：進(jìn)入控制系統(tǒng)組態(tài)邏輯中查看轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)與靜葉調(diào)節(jié)交接區(qū)間邏輯如下：

靜葉角的增加與轉(zhuǎn)速的增加由保持不變的參數(shù)p2、p3、p4、p5、p6 與定風(fēng)量控制器比較電路 PID 的輸出p1以及中間參數(shù)c1、c2、c3、c4通過計(jì)算得出，通過 c5、c6、c7、c8 所表示。

p1=定風(fēng)量控制器比較電路PID輸出給定，不斷變化；

p2=40；p3=60；p4=80；p5=66.5；p6=50；

c1=MIN(p1×p5/p2，p5)；(取兩者取較小值)

c2=MAX(MIN((p1-p3)×(100-p5)/(p4-p3),100-p5),0)；(取兩者取較大值)

c3=MAX(MIN((p1-p2)×p6/(p3-p2),p6),0)；

c4=MAX(MIN((p1-p4)×(100-p6)/(100-p4),p5),0)；

靜葉角增加值：c5=c1+c2

轉(zhuǎn)速增加值：c6=MIN(c3+c4,100)

靜葉角給定：c7=0.6×c5+30

轉(zhuǎn)速給定：c8=(39.8-36.01)×c6+3601

根據(jù)以上計(jì)算所得數(shù)據(jù)如表1。

表1 交接區(qū)間輸出控制靜葉與轉(zhuǎn)速

表1只截取了交接區(qū)間數(shù)據(jù)，但足以說明問題。根據(jù)調(diào)節(jié)組態(tài)邏輯繪制控制器調(diào)節(jié)特性曲線，如圖2所示。

說明：Y為控制器的總輸出，分解為靜葉角指令輸出和505轉(zhuǎn)速指令輸出。DCS風(fēng)量控制器發(fā)出的靜葉角給定值與轉(zhuǎn)速給定值全部為開環(huán)輸出，而靜葉角的調(diào)整與轉(zhuǎn)速的調(diào)整分別通過手操器和505進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)。通過表1和圖2表明，在處于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)與靜葉角調(diào)節(jié)交接區(qū)間并不存在靜葉角與轉(zhuǎn)速同時(shí)調(diào)整的臨界點(diǎn)。同時(shí)在出現(xiàn)第三次故障時(shí)，風(fēng)機(jī)工況已經(jīng)避開調(diào)節(jié)交接區(qū)間。

圖2 控制器調(diào)節(jié)特性圖

檢查結(jié)論：控制系統(tǒng)在調(diào)節(jié)交接區(qū)的調(diào)節(jié)連續(xù)性上不存在問題。所以這種可能性不存在。

2.3 擾動信號造成風(fēng)量給定與反饋偏差大

風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)定風(fēng)量控制器，由于某個(gè)擾動信號，給定風(fēng)量與反饋風(fēng)量偏差過大，控制系統(tǒng)發(fā)出調(diào)節(jié)要求，使靜葉迅速關(guān)小。

實(shí)驗(yàn)方法：通過控制系統(tǒng)數(shù)值強(qiáng)制，靜態(tài)仿真風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況，將風(fēng)量給定值與風(fēng)量反饋值人為強(qiáng)制一個(gè)非常大的偏差，觀察控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程及靜葉關(guān)閉速率。首先將風(fēng)量給定值設(shè)定為5155 m3/min，反饋值同為5155 m3/min，靜葉角為81.75°，此時(shí)將反饋值強(qiáng)制為6995 m3/min。10 s后，靜葉角減小至69.47°，實(shí)驗(yàn)情況如圖 3。

圖3 風(fēng)量給定與反饋偏差大時(shí)靜葉變化情況

通過圖3得出：10 s內(nèi)靜葉角變化12.28°，變化速率為1.228°/s，這與發(fā)生故障時(shí)靜葉最大變化速率8.7°/s不吻合。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：控制系統(tǒng)在風(fēng)量給定與反饋存在巨大偏差情況下，也無法使靜葉角的變化速率達(dá)到故障時(shí)的速率，所以這種可能性不存在。

2.4 動力油泵出力不足導(dǎo)致動力油壓低

動力油泵輸出一定壓力的動力油，作用于調(diào)節(jié)油缸，用于控制靜葉角。若動力油泵出力不足，使動力油壓降低，導(dǎo)致靜葉角迅速關(guān)閉。

實(shí)驗(yàn)方法：靜態(tài)時(shí)將靜葉角保持一定開度后，停止動力油泵，使動力油壓緩慢下降，觀察靜葉角變化情況。動力油壓從正常值降低至40 bar過程中，靜葉角保持原有開度不變，同時(shí)在控制系統(tǒng)中可對靜葉進(jìn)行開關(guān)操作，直至動力里油壓下降至20 bar時(shí)，靜葉才無法操作。為驗(yàn)證在帶負(fù)荷工況動力油壓對靜葉角的影響，啟動風(fēng)機(jī)在動態(tài)時(shí)停止動力油泵，油壓在82 bar逐漸下降，此時(shí)靜葉角無變化且可加減，最后動力油壓降至48.36 bar，靜葉角無變化且均可進(jìn)行調(diào)節(jié)。

在風(fēng)機(jī)故障發(fā)生時(shí)，動力油壓最低降至62.82 bar，且第二次故障時(shí)，由于動力油壓低，備用動力油泵聯(lián)動，在第三次故障前，一直運(yùn)行兩臺動力油泵。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：動力油壓下降不會導(dǎo)致靜葉角的迅速關(guān)小。這種可能性不存在。

2.5 伺服閥內(nèi)部閥芯卡澀

用于控制靜葉角的電液伺服閥內(nèi)部閥芯發(fā)生卡澀，導(dǎo)致靜葉角迅速關(guān)閉。

檢查方法：拆下靜葉伺服機(jī)電液伺服閥，發(fā)現(xiàn)電液伺服閥閥芯底部確實(shí)有磨損痕跡，同時(shí)在轉(zhuǎn)動或上下活動閥芯時(shí)局部存在卡澀現(xiàn)象。風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行中，如果電液轉(zhuǎn)換器內(nèi)部閥芯發(fā)生卡澀，而卡澀又突然消失，有可能引起靜葉角迅速減小，使風(fēng)機(jī)工況劇變，最終導(dǎo)致風(fēng)機(jī)放風(fēng)故障。閥芯磨損情況如圖4。

圖4 伺服閥內(nèi)部閥芯局部磨損情況

由于條件所限，無法真實(shí)模擬電液轉(zhuǎn)換器內(nèi)部發(fā)生卡澀的實(shí)驗(yàn)，但通過分析，在電液伺服閥內(nèi)部閥芯發(fā)生卡澀又突然釋放時(shí)，可以引起靜葉角迅速關(guān)小，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)故障。

詳細(xì)動作過程分析：

在該鼓風(fēng)機(jī)故障發(fā)生前，風(fēng)機(jī)控制模式為定風(fēng)量控制，調(diào)節(jié)方式處于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)區(qū)間，靜葉角開度的輸出指令保持在70°。當(dāng)靜葉角開度反饋值發(fā)生微小變化時(shí)，控制靜葉角開度的電液伺服閥內(nèi)部閥芯位置也發(fā)生改變，用來修正靜葉角的實(shí)際開度保持在70°。在發(fā)生故障時(shí)刻，電液伺服閥內(nèi)部閥芯根據(jù)靜葉角反饋值發(fā)出一個(gè)關(guān)小靜葉角的指令，而此時(shí)電液轉(zhuǎn)換器內(nèi)部閥芯發(fā)生卡澀，拒不執(zhí)行，控制系統(tǒng)將逐漸增大輸出電流變化值要求靜葉角減小，當(dāng)變化值累積到一定程度，電磁力大于卡澀的靜摩擦力，閥芯突然得到釋放，使靜葉角開度迅速關(guān)小，直接導(dǎo)致風(fēng)機(jī)工況劇烈變化，使風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)瞬間移動至防喘線外，使防喘閥開啟，因靜葉液壓機(jī)構(gòu)與防喘閥液壓結(jié)構(gòu)用油同為動力油泵提供，靜葉與防喘閥的同時(shí)動作，使動力油壓迅速降低，由于防喘閥的開啟，風(fēng)壓降低，以上邏輯與計(jì)算機(jī)事件記錄及數(shù)據(jù)記錄相符合。防喘閥開啟后，逆流消失，風(fēng)機(jī)入口流量迅速恢復(fù)，使風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)恢復(fù)到正常區(qū)域，隨即防喘閥自動逐漸關(guān)閉，風(fēng)機(jī)恢復(fù)正常。

2.6 故障分析結(jié)論

綜合以上實(shí)驗(yàn)檢查結(jié)果及分析，確定用于靜葉角開度控制的電液伺服閥內(nèi)部閥芯發(fā)生卡澀使靜葉角迅速關(guān)小，是導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出現(xiàn)放風(fēng)故障的直接原因。

3 處理措施

在查明故障原因后，采取了相應(yīng)的處理措施：將用于控制靜葉角開度的電液伺服閥進(jìn)行了更換，并在更換新的電液伺服閥前，在動力油系統(tǒng)安裝沖洗板，對動力油進(jìn)行濾油。

在進(jìn)行濾油并更換新的電液伺服閥之后，該鼓風(fēng)機(jī)投入運(yùn)行，未發(fā)生靜葉角波動引起的放風(fēng)故障，問題得到徹底解決。

4 結(jié)論

針對鼓風(fēng)機(jī)靜葉伺服閥卡澀引起的故障，在鼓風(fēng)機(jī)常規(guī)檢修中，特別是威脅鼓風(fēng)機(jī)組安全運(yùn)行和保供的重要部件，如靜葉角電液伺服閥、防喘閥電液伺服閥等，要做好閥芯清掃和檢查工作。同時(shí)要科學(xué)制定重要備件使用壽命及更換周期，特別是電液伺服閥等液壓系統(tǒng)部件，到更換周期后及時(shí)進(jìn)行更新或修復(fù)。

[1]黃鐘岳,王曉放主編.透平式壓縮機(jī)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2004年8月.