燃氣輪機電廠天然氣調壓段典型故障分析

廣東惠州天然氣發電有限公司 賀 杰

1 引言

目前，多數燃氣輪機電廠使用天然氣作為基本燃料，上游天然氣供應站或供氣管道的天然氣一般通過廠內天然氣調壓站送入燃氣輪機。

天然氣調壓站的主要作用是接受、計量來自上游的天然氣，同時對天然氣進行過濾、調壓、調溫等處理，滿足下游用戶需求的燃氣品質。

天然氣調壓站可分為升壓站和降壓站，燃氣輪機電廠一般為降壓站，天然氣進入燃氣輪機前依次流經緊急關閉單元、流量計量單元、分離/過濾單元、燃氣加熱單元、燃機調壓單元、機組計量單元、機組溫控單元等。

作為燃氣輪機電廠的生命線，介質具有易燃、易爆的特性，天然氣管路一旦斷供或異常泄漏，就會引起主機跳閘、爆炸、窒息等事故，所以天然氣調壓段的維護管理工作是電廠的重中之重。

2 調壓段系統流程

某三菱M701F4型燃氣輪機電廠典型調壓段設計流程如圖1所示，調壓段一用一備。每個管路配置一個切斷閥一個監控調壓器以及一個工作調壓器。監控調壓器作為工作調壓器的備用調壓器，正常工作時，監控調壓器全開，工作調壓器負責調壓，當工作調壓器失效時，監控調壓器接替工作調壓器負責調壓，并將壓力控制在一個稍高的壓力值。

圖1 典型調壓段系統流程圖[1]

主出口配置一個安全放散閥，當壓力超過設定值時進行壓力放散。

兩路下游配置一個逆止閥，防止下游壓力波動反傳引發系統誤動作。

初始壓力設定為主監控調壓器3.95MPa，工作調壓器3.8MPa，快速切斷閥4.25MPa。備用監控調壓器3.95MPa，工作調壓器3.65MPa，快速切斷閥4.25MPa。

3 調壓器及切斷閥工作原理

此調壓段為PS79型指揮器控制式FL型軸流式調壓器的間接型調壓，以圖2為例分析調壓器工作原理。

圖2 間接式調壓器示意圖

原始設計時，調壓器彈簧設定壓力較大，指揮器彈簧壓力較小，指揮器動作比較敏感，使用指揮器能避免直接調壓時調壓器頻繁動作導致壓力波動。

當下游用氣需求增大，調壓器出口壓力（下游取樣壓力）降低時，指揮器皮膜下方壓力將小于彈簧壓力，導致指揮器閥桿整體向下移動，從而打開指揮器V型閥。此時，調壓器進口壓力（上游取樣壓力）通過指揮器閥口進入調壓器皮膜下方加大負載壓力，此時負載壓力大于調壓器彈簧壓力，導致調壓器閥桿整體向上移動，從而打開調壓器V型閥。上游壓力流入下游通道，增大出口壓力。此時，指揮器皮膜下方壓力將大于指揮器彈簧壓力，從而關閉V型閥，負載壓力不變，最后調壓器達到一個新的平衡點以穩定壓力[2]。

此調壓段快速切斷閥為FEQ型切斷閥，其結構如圖3所示，當由取壓點傳送至傳感器薄膜一側的壓力失常，超過（超壓）或低于（失壓）切斷設定值時，彎板或螺桿的位置就會發生變化，從而觸動撞針A或B，使脫扣機構脫扣，釋放主閥瓣，主閥瓣在關閉彈簧的作用下，迅速向下移動，并與閥口緊密貼合，截斷管路中的氣流。

圖3 FEQ切斷閥結構示意圖

4 典型故障分析

4.1 調壓段壓力偏離設定值

4.1.1 故障實例

某次機組檢修期間，對機組主、備用調壓段進行壓力整定，由于機組未投運，關閉調壓段進出口球閥，使用氮氣瓶分別對兩個調壓段進行壓力整定，設定為主監控調壓器3.95MPa，工作調壓器3.8MPa，快速切斷閥4.25MPa；備用監控調壓器3.95MPa，工作調壓器3.65MPa，快速切斷閥4.25MPa。次日，在機組投運時發現出口壓力較設定值低0.2MPa，停機在機組維持3000轉時，對調壓段壓力重新進行整定，整定后出口壓力正常。

4.1.2 故障分析

在機組未投運的情況下使用氮氣瓶進行調壓與機組實際運行時的氣流流量差距較大，當調壓器需要時間反應或持續大流量時，原本的調壓情況與實際運行情況并不匹配。為了準確設定調壓段出口壓力，需在大流量的情況下對調壓段進行調壓。

此外，壓力整定順序錯誤也會造成壓力偏離設定值，通常整定壓力順序為由高至低，即切斷閥—監控調壓器—工作調壓器，指揮器壓力通過頂部六角頭旋鈕進行調節，旋緊為出口壓力增大，反之減小，具體整定方法如下：

一是關閉主、備用調壓段進出口球閥，旋緊工作指揮器旋鈕，使工作調壓器全開；旋緊快速切斷閥指揮器旋鈕，使切斷閥動作值達到最大；旋松監控指揮器旋鈕，使監控調壓器全關。

二是打開調壓段進出口球閥，緩慢旋緊監控指揮器旋鈕，觀察出口壓力表，使壓力達到快速切斷閥動作壓力并待其穩定。隨后緩慢松開切斷閥指揮器旋鈕，直至切斷閥動作，鎖緊切斷閥指揮器旋鈕，此時壓力即為設定的切斷閥動作壓力。

三是輕微旋松監控指揮器旋鈕，隨后重新打開快速切斷閥，觀察出口壓力待其穩定，隨后慢慢旋松監控指揮器旋鈕使出口壓力下降，當出口壓力達到監控調壓器設定值后待其穩定，鎖緊監控指揮器旋鈕，此時壓力即為設定的監控調壓器壓力。

四是緩慢旋松工作調壓器指揮器旋鈕使出口壓力下降，當出口壓力達到工作調壓器設定值后待其穩定，鎖緊工作指揮器旋鈕，此時壓力即為設定的工作調壓器壓力。

五是打開備用調壓段進出口球閥，關閉主調壓段進出口球閥，使用相同方法設定備用調壓段壓力。

4.2 工作調壓器壓力異常升高

4.2.1 故障實例

某日，某主工作調壓器開度在機組轉速1800的時候從0%忽然劇增到20%，壓力迅速升高，主切斷閥動作關閉，隨后備用切斷閥也動作關閉，導致機組跳機。

現場嘗試進行恢復，關閉備用前后手動閥，重投主調壓段，在機組轉速2000轉時，主調壓段下游壓力從3.9MPa上升到4.4MPa，切斷閥動作（設定壓力4.25），為防止跳機，手動拉開切斷閥防止其動作，壓力稍有下降后最高升至4.6MPa，同時迅速打開備用進出口手動閥，關閉主進出口手動閥，備用下游穩定在3.6MPa，可正常供機組使用。隨后使用備用投運。

4.2.2 故障分析

通過解體主工作調壓閥主閥，主閥皮膜有老化嚴重鼓包損壞現象。閥口墊也有老化損壞現象，直接導致調壓失效。

分析可知，天然氣在大流量供氣過程中突然快速壓力上漲及跳機的原因：一是正常調壓主運行狀態是，氣流經過一個入口手動球閥—切斷閥（動作值取至調壓出口）—監控調壓閥（全開狀態）—工作調壓閥（調壓狀態）—出口手動球閥—出口安全閥—母管逆止閥—母管手動球閥—機組。

二是工作調壓閥主閥閥體內密封件有破損的情況下投入運行，在天然氣流量增大時，主閥內部元件內漏，得不到有效前后壓差平衡，導致調壓失效，出口壓力增大。

三是工作調壓閥調壓失效后，工作閥迅速打開，此時監控調壓閥接到下游異常增大的信號后監控調壓閥開始投入使用，開度增大。

四是工作調壓閥突然全開，監控調壓閥響應不及時，出口壓力升高到入口器切斷閥動作值導致其動作，切斷氣源。

五是主切斷閥取樣壓力及備用切斷閥取樣壓力為同一壓力，導致主切斷閥動作，而主下游壓力無法迅速釋放的情況下，備用同樣會取到較高壓力值而動作，導致備用關閉。

更換主工作調壓閥備件，重新整定壓力后，主調壓段運行正常。

4.3 主調壓段壓力波動或無法投入運行。

4.3.1 故障實例

某日，機組停運后，主調壓段出口壓力無法穩定持續上漲，直至出口安全閥動作。次日，使用打氣筒對主、備用調壓器進行檢查，發現動作正常無泄漏，判斷為指揮器泄漏。隨后對指揮器進行拆檢，發現監控指揮器閥口墊正常，而工作指揮器閥口墊損壞嚴重。遂更換新指揮器用于主工作調壓器并進行壓力整定，啟動機組過程中主調壓段出口壓力波動較大，關小主調壓段出口球閥開度至75%后出口壓力穩定。

4.3.2 故障分析

通過觀察指揮器結構，結合上文調壓器工作原理分析可知，調壓器進口端的壓力進入調壓器負載側需要通過指揮器入口，再流經閥墊，最后到達指揮器出口，而底部的調節螺母可以通過控制上方的閥口，從而控制進入閥墊的氣流量，影響指揮器的調節速度。當調節螺母全緊時，天然氣無法通過，指揮器失去調節作用。而當調節螺母過緊或過松時，會造成調壓器反應緩慢或過速，從而造成調壓器出口壓力波動。

當更換新指揮器時，其調節螺母開度為出廠設置，不一定與生產現場匹配，須在使用前進行多次調整，使其達到與機組匹配的開度。

5 優化改進建議

通過分析機組常出現的實際缺陷案例及總結運行經驗，結合調壓工作原理和系統設計流程，針對目前常見的天然氣調壓段設計提出部分優化改進建議：一是當機組進出口壓差較大時，宜使用多級調壓，避免造成監控調壓器和工作調壓器工作條件惡劣，加劇密封件損壞。

二是可在調壓器處負載側增加加速放散閥，其作用為當事故引起負載側超壓時，加速負載釋放，從而保證調壓器快速關閉，保證調壓段安全。

三是合理設計動作壓力。對加速放散閥，出口安全閥，主、備用快速切斷閥動作壓力進行梯級設置。使其動作壓力為加速放散閥＜出口安全閥＜主、備用快速切斷閥；當調壓管路異常壓力升高時，可優先通過加速放散閥或出口安全閥動作泄壓，不至于憋壓后導致器切斷閥動作，造成機組跳機，給監控調壓閥、備用調壓段有一定的響應時間。此外，主路和備用路的快速切斷閥的動作壓力也應該有一定的差別，避免到達動作壓力后，兩路同時切斷，造成機組跳機。

四是根據上述分析可知，當主調壓段設備發生故障而切斷閥保護發動動作時，備用不能有效緩沖壓力變化，安全閥也未能及時動作釋放壓力，從而導致備用失效，為杜絕此類現象發生，可在主及備用切斷閥取樣點后加裝逆止門，如此，當主下游壓力過大導致主切斷閥動作時，下游高壓力不會馬上傳至備用切斷閥，此時，通過安全閥泄放及下游用戶消耗，將會導致下游壓力減小，備用能夠平緩過渡，接替主進行調壓。

五是當調壓段發生故障時，由于主、備用共用一個安全放散閥且位于兩路手動閥之后，無法實現主或備用單獨進行天然氣放散，進而進行氮氣置換隔離，也就無法及時進行消缺，存在較大風險隱患。建議將主、備用出口手動閥前充氮口改造為天然氣手動放散口，接入天然氣放散管道，用于系統隔離。