某工業型燃氣輪機起動電機系統故障分析

魏昌淼，臧 軍，李沛澤

(中國船舶重工集團公司第七〇三研究所無錫分部，江蘇 無錫 214151)

燃氣輪機的起動過程較復雜，是燃氣輪機穩定運行工作的一個比較重要的環節，也是易產生各類故障的一個環節[1,3]。燃氣輪機的起動過程根據轉速上升情況，一般可以分為三個階段[2-4]。第一階段為冷態加速階段，起動設備帶動轉子旋轉、升速至燃料點火所需轉速。第二階段為點火脫扣階段，機組點火、燃料開始著火，渦輪開始做功，渦輪做功出力逐漸增大、起動設備出力逐漸減小，機組轉速持續上升，直至起動設備脫扣。第三階段為熱態加速階段，起動設備脫扣退出工作后，渦輪繼續增加做功為機組轉速上升提供功率，轉子升速直到空車轉速為止。

本文針對的某工業型燃氣輪機在起動過程冷態加速階段提供出力的是三臺三相異步起動電機。起動電機能否穩定工作決定了燃氣輪機能否正常起動，在該型燃氣輪機長期的運行過程中，起動電機系統出現多次故障，致使起動電機無法按照既定程序為燃氣輪機提供冷態加速出力，從而嚴重影響了燃氣輪機的安全穩定運行。針對異步電機故障診斷，很多學者也做了大量的相關研究[5-6]。

1 某工業型燃氣輪機起動電機工作原理

某型燃氣輪機起動冷態加速階段由3臺三相異步電機帶動，當運行人員按下起動按鈕后，燃氣輪機控制系統發出起動指令給1#起動電機控制箱內PLC，1#起動電機控制箱PLC按照既定邏輯程序，分別控制3個起動電機控制箱，從而使三臺起動電機按照既定的程序依次投入工作。起動電機控制箱主電路如圖1所示，起動電機控制箱控制電路如圖2所示。

圖1 控制箱主電路

通過控制控制箱內各接觸器閉合及斷開，實現起動電機依次投入工作，并實現雙速轉換。如圖2所示，PLC發出起動電機一速開關量指令到I/01，KA1回路直流24V控制電接通，繼電器KA1閉合回路交流380V控制電接通，繼而KM1接觸器閉合，380V工作電接通起動電機，起動電機一速開始工作；5秒后，PLC發出起動電機一速加速開關量指令到I/02，KM2接觸器閉合、短接R1電阻實現起動電機一速加速。

如圖2所示，燃氣輪機達到冷態一速后，PLC斷開一速指令，發出起動電機二速開關量指令到 I/03、I/04，KA3、KA4回路直流24V控制電接通，繼電器KA3、KA4閉合回路交流380V控制電接通，繼而KM3、KM4接觸器閉合，380V工作電接通起動電機，起動電機線圈結構由Δ型轉變為YY型，，起動電機二速開始工作，如圖3所示；5秒后，PLC發出起動電機二速加速開關量指令到I/02，KM2接觸器閉合、短接R1電阻實現起動電機二速加速。

圖2 控制箱控制電路

圖3 Δ-YY雙速圖

起動電機經過二速工作，將燃氣輪機帶動至燃燒室點火所需要的轉速，此后渦輪開始做功，渦輪及起動電機同時出力帶動機組旋轉，隨著機組轉速的升高，起動電機按照既定程序斷開二速指令，撤出工作。

2 某工業型燃氣輪機起動電機系統故障案例

起動電機為燃氣輪機起動過程提供最初始的能量來源，密切關系著燃氣輪機能否正常起動。本型燃氣輪機在實際運行過程中出現過多次起動電機系統故障，本文總結典型的起動電機系統故障案例如下文所述。

2.1 起動邏輯故障案例

該型某臺燃氣輪機在備車完畢后，按運行規程進行起動前的首次冷吹，運行人員按下冷吹按鈕，起動電機電流上升，機組轉速緩慢上升，在7秒鐘左右，燃氣輪機控制系統監測面板突然發出“起動電機邏輯故障”的報警信息，隨后控制系統發出燃氣輪機緊急停機保護報警。

這是一起典型的由于該型燃氣輪機起動電機邏輯故障，直接導致燃氣輪機起動失敗的故障。

上述燃氣輪機起動失敗后，運行人員進行以下分析及檢查：

1) 查詢燃氣輪機控制邏輯圖，當燃氣輪機控制系統發出起動電機一速指令未收到接觸器KM1吸合反饋的ER310信號或燃氣輪機控制系統發出起動電機加速指令未收到接觸器KM2吸合反饋的ER330信號,或燃氣輪機控制系統發出起動電機二速指令未收到接觸器KM3/KM4吸合反饋的ER320信號，控制系統發出“起動電機邏輯故障”報警并執行燃氣輪機緊急停機程序。由此運行人員判斷此次緊急停機是由于某接觸器未吸合故障而引起。

2) 查詢此次起動失敗起動電機電流數據，發現1#起動電機電流存在異常，如圖4所示。從此次異常數據與歷史數據對比可看出1#起動電機電流在一速加速過程階段突然丟失，判斷1#起動電機控制箱內KM2接觸器可能存在吸合故障。

圖4 1#起動電機冷吹電流數據

3) 打開1#起動電機控制箱箱蓋，再次冷吹燃氣輪機并同時觀察KM2接觸器吸合情況。冷吹指令發出后，轉子轉速緩慢上升，觀察發現KM2接觸器吸合后自行彈開，燃機執行停機保護程序。

4) 更換1#起動電機控制箱內KM2接觸器，更換KM2接觸器后，后續燃機起動恢復正常。

由此可歸納為這是一起起動電機控制箱內接觸器吸合異常引起的起動失敗故障。

2.2 Δ-YY轉換故障案例

該型某臺燃氣輪機在備車完畢后，按要求進行起動， 3臺起動電機分別依次投入一速、二速工作后，燃機轉速較歷史值偏低，運行人員手動緊急停機。

上述燃氣輪機停機后，運行人員進行以下分析及檢查：

1) 查詢運行數據，發現1#起動電機電流值較歷史值偏低，如圖5所示。

2) 檢查1#起動電機控制箱內各線路連接情況，發現1#電機控制箱內與KM3接觸器連接的3相電線路有一相存在松動。將該松動線路緊固后，后續機組起動恢復正常。

燃氣輪機起動電機通過Δ-YY型轉換來實現雙速轉換，Δ型為一速結構，YY型為二速結構，轉換能否成功決定了起動電機能否將燃氣輪機帶至更高所需的轉速；由此判斷此故障為線路松動致使起動電機二速YY型結構缺相引起。

圖5 1#起動電機起動電流數據

3 起動電機設備故障排查方向及運行注意事項

起動電機工作電流表征著起動電機工作是否正常的關鍵參數，燃氣輪機起動過程運行人員應密切關注起動電流值。當起動電機設備出現故障時，運行人員應根據不同故障現象并結合運行數據分析，來精確判斷故障點。

3.1 起動邏輯故障分析

1) 當起動過程出現起動邏輯故障，即燃氣輪機控制系統未收到某個接觸器的閉合信號，應分析判別一速、一速加速、二速、二速加速等階段電流的異常情況，從而鎖定異常電流階段對應的接觸器是否工作正常，若接觸器異常應更換并起動機組驗證。

2) 若以上各階段電流分析均正常，應排查接觸器與燃氣輪機控制系統連接的接觸器閉合信號反饋線路是否存在通斷異常。

3.2 起動轉速偏低分析

起動轉速偏低，意味著起動電機出力偏低，運行人員應分析電流數據是否較歷史值偏低。若偏低，重點排查Δ-YY轉換各線路連接情況。

若燃氣輪機起動過程轉速上升正常，而起動電機無電流顯示，應檢查電流互感器是否存在異常。

3.3 起動電機未按邏輯停止工作

若燃機冷吹、起動過程中，某個起動電機未按照程序撤出而持續工作，說明起動電機控制箱接觸器一直處于閉合狀態。此時應排查接觸器控制回路是否異常，接觸器是否存在失電不彈開情況。若3臺起動電機均不停止工作，說明燃氣輪機控制系統指令一直輸出，應排查開關量指令是否異常[7]，重點檢查控制系統開關量輸出板卡是否異常造成起動電機工作指令一直輸出。

若3臺起動電機均未按程序工作，重點排查起動電機工作指令開關量線路是否異常，致使指令未到達起動電機控制箱。

3.4 其他運行注意事項

1) 按照規范，通電前確認各線路絕緣值在規范要求內，各端子接線無松動。

2) 起動電機線路首次安裝后，應用萬用表測量一速、二速線圈內阻，以確定接線正確。同時在首次起動燃機前，必須試驗起動電機工作轉向，若轉向反向需重新接線。

3) 燃氣輪機通流部分水清洗時，起動電機需做好防護工作，防止清洗液進入起動電機各接線處。

4) 加強起動電機系統各接線端子檢查，防止接線松動；加強檢查各接觸器、繼電器是否存在老化現象，使用到壽命應及時更換。

4 總結

針對燃氣輪機起動電機系統問題，本文從研究起動電機系統工作原理出發，結合燃氣輪機運行工作中出現的起動邏輯故障及Δ-YY轉換故障案列進行分析，總結出：

1) 當起動過程出現起動邏輯故障，應分析判別起動階段電流的異常情況，繼而鎖定異常電流階段對應的接觸器是否工作正常。若各階段電流分析均正常，應排查接觸器與燃氣輪機控制系統連接的接觸器閉合信號反饋線路是否存在通斷異常。

2) 起動轉速偏低，起動電機出力偏低，應重點排查Δ-YY轉換各線路連接情況。

3) 起動電機工作后未按程序停止，起動電機未按程序工作，應排查開關量指令是否存在異常。

4) 為保證起動電機穩定工作，應加強運行檢查及防護工作。