汽輪機開機過程中轉速控制故障分析及處理

崔傳業，閆 舸，鄭靈杰

(1.中國石油化工股份有限公司石家莊煉化分公司，石家莊 050001；2.中車沈陽機車車輛有限公司，沈陽 110000)

0 引 言

汽輪機調速系統是汽輪機的核心部件，其作用是通過調整蒸汽流量以滿足壓縮機負荷的需要。由于運行維護、檢修、安裝質量不到位，造成汽輪機組的調速系統在運行的過程中經常出現一些故障，影響汽輪機組的正常運行[1-3]。因此，必須及時對汽輪機調速系統的故障進行分析處理，只有調試系統故障消除后，才能避免事故擴大，最大限度的發揮汽輪機的作用。文中針對汽輪機開機過程中常見的轉速波動等故障進行了總結分析。

1 調速系統結構及工作原理

調速系統的結構通常包括測速系統、電子調速器、電液轉換器、斷流式錯油門、油動機、調節汽閥等部件組成。調速系統工作時，通過數字量通道板采集機組轉速，并將它與給定轉速進行比較，對其偏差進行分析處理以及通過PID運算，運算結果經過DEH微機處理、校正、放大為所需要的電信號，通過電液轉換器轉變為錯油門中間滑閥的二次油壓信號，錯油門再將此脈動油壓變化信號加以放大后控制油動機，達到控制轉速的目的，實現機組的調節[4]。調節系統按照轉速、壓縮機入口壓力串級設定，對轉速、壓力進行自動控制，也可以通過操作員手動進行控制。

2 調速系統的故障原因及處理

2.1 調節汽閥零點偏移

機械零點設置偏差，導致開機升速出現異常。汽輪機檢修過程中由于調速系統安裝不當，出現零點偏移。在汽輪機在開機升速度時，會出現調速汽門大開度下無法沖動轉子或者觸發過扭矩保護聯鎖,汽輪機無法開機的情況，也可能出現在打開速關閥后未給定轉速則汽輪機開始升速的問題。

汽輪機調節閥包括閥桿、閥梁、閥座、閥芯組成，在閥門動作時，隨著閥梁被閥桿提升、下降，閥梁帶動閥芯上下運行，遠離或靠近閥座，實現開關閥門調節汽量的功能。為了避免閥桿受壓彎曲，要求油動機活塞桿與傳動機構杠桿連接時，油動機活塞在0行程(上死點)位置時，閥梁與閥碟脫離接觸且最小間距為2 mm，這時油動機標尺刻度指示為0，由于結構上的設計，調節閥開啟點有2 mm左右的空行程。某公司汽輪機機械零點對應的調節汽閥輸出閥位為8%，根據現場測量，油動機刻度標尺動作1 mm，對應輸出閥位約4%。以往開機沖轉子時，閥位為35%，設定的聯鎖閥位為40%，如果靜態試驗時零位偏下，1 mm的偏差就有可能導致油動機在小開度下無法沖動轉子或者觸發過扭矩保護聯鎖無法開機的狀況。反之，如果機械零點設置靠上，就會出現汽輪機在速關閥開啟后未給定轉速，汽輪機就開始升速的故障現象。

因此，檢修過程中要嚴格施工工序質量控制，要做好原始零點標記，安裝完成后做靜態試驗，檢驗機械零點是否偏移，考驗閥門線性，如果出現偏離及時調整錯油門及連桿的調整螺栓，最后留存數據為下次檢修安裝，提供數據支撐。

2.2 調速器閥閥桿卡澀

某機組在機組過臨界轉速過程中，調速汽閥二次油壓逐漸上升至0.45 MPa，給定值逐漸開大至100%，但汽輪機調速器閥桿始終沒有開啟，原因為調速汽門閥桿卡澀，現場用銅棒輕微振動閥桿，調速汽門突然全開，大量蒸汽進入汽輪機，轉速由3 800 r/min迅速升至8 300 r/min(電子跳閘轉速10 489 r/min)，隨后經過汽輪機調速系統自動調節，轉速降低至目標轉速5 000 r/min。

檢查滑閥顫振、轉盤旋轉正常，排除錯油門卡澀故障，測量調速汽門閥桿兩組彈簧壓縮量偏差4 mm，結合檢修期間發現閥梁一側與閥桿T形頭配合部位存在壓痕，判斷由于彈簧緊力不同，造成兩個閥桿受力不均勻，閥門啟閉過程中閥桿垂直工作位置偏移，閥桿與軸套、填料密封環卡澀，無法動作；再加上該閥檢修前，閥桿填料處微漏蒸汽，檢修人員為確保本次檢修無泄漏，將閥桿壓蓋緊力過大，經過調整兩端彈簧壓縮量，松動閥桿壓蓋緊力，最后調速汽門工作恢復正常，調速器閥閥桿如圖1所示。

圖1 調速器閥閥桿

2.3 錯油門滑閥卡澀

某機組在開機過程中建立速關油壓后，給定目標轉速1 000 r/min，二次油壓升壓正常，但現場調速汽閥閥位遲遲不動作，在某一時刻突然開啟轉速迅速到達2 000 r/min，之后調節汽閥振蕩波動，造成轉速大幅波動，被迫停機。停機后重新做靜態試驗，給定閥10%、20%時，調節汽閥動作幅度不明顯。通過摘除錯油門呼吸閥，檢查發現錯油門滑閥轉動盤未轉動，增大二次油壓，轉動盤仍未轉動。解體檢查發現該錯油門滑閥夾渣卡澀。經分析，該機組大修后控制油系統未加濾網，并且控制油系統至錯油門的動力油位于油管線盲端，潤滑系統內雜質進入錯油門造成滑閥卡澀，最后將錯油門解體清洗，控制油盲端管線拆除，加濾網后反復沖洗，從該管線盲端沖出較多渣滓，如圖2所示，沖洗干凈后回裝，開機運行正常。

圖2 某汽輪機控制油管線盲端沖洗出來的渣滓

分析原因為錯油門滑閥夾渣，導致滑動卡澀。當增大閥位時，滑閥跟蹤動作不靈敏，導致調速器閥位異常高，當轉子沖動后，滑閥受彈簧力平衡，此時調節汽閥閥位開度過大，轉速快速達到2 000 r/min，探頭監測到實際轉速過高后，電液轉換器給定關閥指令，閥位大幅關閉又引起轉速過低，周而復始，導致轉速振蕩較大。

2.4 轉速探頭安裝不到位

某機組在開機過程中發現轉速升至3 000 r/min左右時，轉速突然異常波動，調節汽閥突然關閉隨后又打開，造成機組升速過程不穩。經排查，發現參與轉速控制的兩個探頭中，其中一個探頭在3 000 r/min時突然跳至6 000 r/min。查歷史記錄，發現在前幾次開停機過程中，也存在某一個探頭在轉速3 000 r/min時突然跳至6 000 r/min。

該汽輪機的轉速傳感器為6個磁阻式傳感器，6個傳感器分布在汽輪機測速齒輪盤四周，與齒輪盤保持1 mm左右的間隙。其中A、B兩個轉速探頭用于調速，調速系統識別二者的高選值作為測得的實際轉速反饋給調速系統。CDE 三個轉速探頭用于超速三取二聯鎖保護，F傳至現場顯示。

測速齒輪盤旋轉時，齒輪與測速探頭的磁鋼間隙發生階梯型變化，每經過一個齒，氣隙磁阻變化一次，相應線圈中的磁通量交變一次，從而在線圈兩端感應出交流電動勢，該電動勢的頻率f與齒輪的轉速n和齒數Z成正比，即f=nZ/60。

磁阻傳感器本質上是一個電感，在齒輪經過時的磁通變化，會在線圈中產生反電動勢。當這個反電勢和齒輪通過的特定頻率相互作用時，會產生一個雜波。當轉速達到3 000 r/min時，感應電動勢正好與干擾電動勢頻率重合，使得轉速探頭測量的轉速突變翻倍[5]。如果在升速過程中，參與控制的兩個轉速探頭A、B 、其中一個出現了二倍頻率信號，轉速突變至6 000 r/min，由于控制邏輯識別的是二者的高選值，控制系統會認定實際轉速達到6 000 r/min，這與目標轉速是完全不符的，于是PID會發出關閥信號觸使調節汽閥迅速關閉，當該探頭恢復正常后實際轉速又出現一個大的階躍，調節汽閥又被迅速開啟，導致轉速波動。

解決該該問題首先要檢查安裝的探頭是否符合規范，如圖3所示為API670 中關于轉速探頭的安裝示意圖，對于轉速探頭與齒峰間距E的要求，非精密速度傳感器的值為0.875 mm±0.375 mm，精密速度傳感器的E值為0.65±0.15 mm。

圖3 API670中關于轉速探頭的安裝示意圖

檢查排除安裝問題后，仍不能解決的話，可以考慮以下兩方面：一是在轉速探頭上并聯一個250 Ω的電阻，通過電阻產生的電動勢可以抵消掉升速至3 000 r/min時的感應電動勢，從而屏蔽該干擾信號；二是將轉速探頭信號多引入一個參與轉速控制，實際轉速由“二選高”改為“三選中”，避免某個探頭受干擾短時失效造成的轉速誤判。

2.5 轉速不穩定

某機組在開機試車過程中，轉速升速速率出現波動，在某一個目標轉速下轉速±150 r/min范圍內波動、振蕩，該現象在1 000～3 000 r/min尤為明顯，當轉速升至工作6 475～9 712 r/min時通過PID整定，振蕩情況好轉，但控制速率過緩，待機組帶負荷開機時，通過多次PID整定消轉速仍舊動作遲緩，始終無法滿足壓縮機串級、自動控制要求，只能手動控制。

通過對運行狀況和檢修安裝數據的分析，結合調速汽閥的結構特點，在機組小負荷工況區域為改善汽缸和調節級葉片的受力狀況，采取了第2只閥提前開啟的措施，但是第1、2調節閥有較大重疊度。調速器閥位指示標尺較檢修前高2 mm，也就是說調速器閥閥芯靠近下方2 mm，兩者同時作用導致調速器閥閥位虛位過大，低負荷汽門小開度會引起閥門頻發開啟關閉造成轉速波動，通過PID整定雖然消除了波動，但產生了升速速率過慢的問題。

最后，通過在線調整錯油門調整螺栓，將調速器閥桿提升2 mm，標尺指示較原始位置降低2 mm，PID重新調整至原始開機狀態數值時，給定目標轉速控制速率滿足負荷調整要求，機組轉速波動狀況消除，汽輪機調速系統控制流程，如圖4所示。

圖4 汽輪機調速系統控制流程

3 質量控制

3.1 檢修質量控制

調節汽閥檢修拆除前各部件拆除前，安裝配合位置要做好標記，記錄數據，便于回裝時作為標記物。要特別關注調速器門閥桿填料壓蓋的緊力控制，兩端調速器閥桿大彈簧的壓縮量大小是否一致，調整油動機和托架間碟簧緊力保證油缸在水平方向呈垂直狀態，調速汽門各連接轉動部件銷軸的旋轉有無卡澀等關鍵質量控制點。

3.2 嚴格執行調節汽閥靜態試驗

調節汽閥的靜態試驗可以反映出調節汽閥的線性曲線，以及驗證調節汽閥動作精準、遲緩度。一定要多次試驗，一是可以檢測出調節汽閥每次的線性開度是否能與上一次重合；二是可以試驗出調速系統是否存在卡澀。調節汽閥試驗過程中不僅要試驗10%、20%、30%等整數閥位，還需將調節汽閥的真實虛位試出來，定出機械零點，可以先給5%閥位觀察調節汽閥刻度是否動作，再逐步給大1%閥位，找出刻度剛好動作的那個閥位，與廠家提供的性能曲線進行對比，確認調節汽閥的機械零點是否滿足要求，若該閥位偏差較大，需反復調整，反復試驗，直至符合要求，同時要記錄試驗的數據，為下次檢修提供安裝依據。

3.3 確保控制油的清潔度

潤滑油系統油運合格是大機組開機的關鍵點。油運過程中應嚴格按照操作規程進行，對油系統管路要認真檢查，確認軸瓦前上油管線加裝200目臨時濾網。重點關注三點：一是注意旁掉汽輪機或壓縮機調節油系統，防止渣滓被帶入調節系統滑閥中造成卡澀，待潤滑油系統沖洗合格后方可沖洗調節油系統；二是要注意將各分支管線末端充分進行沖洗；三是沖洗過程中要注意切換油冷器和油過濾器，將油系統中各個死點盲端都考慮進去。

3.4 嚴控轉速探頭安裝間隙

轉速探頭是控制轉速的直觀眼睛，正常運行及開停機過程中要經常檢查轉速趨勢有無波動，尤其是開停機過程中，已有多個案例表明部分探頭在3 000 r/min附近時，易受感應電動勢干擾產生兩倍轉速，確保探頭安裝間隙符合要求。

3.5 PID整定控制轉速處于穩態

汽輪機被調參數除轉速外，還有機械特征參數(調節量):如控制油壓、蒸汽流量等，由于機械部位的特征參數對調節的動態參數要求比轉速PID低，根據實際經驗，只要PID參數調整合適，通常可以滿足穩定性要求，而對自動調節主汽門調節過程而言，無需微分功能，僅采用比例積分作用完全可以達到良好調節的品質。因此，機組在開機狀態下發現轉速出現振蕩、升降速速率遲緩等問題，可通過PID整定實現。

4 結束語

調速系統對于汽輪機而言起著非常重要的作用，而掌握汽輪機調速系統缺陷和不安全因素以及檢修質量控制要點，對于操作及維修人員至關重要，需要在日常檢修維護過程中要做到全面細致。結合汽輪機調速器的結構特點，針對汽輪機調速系統開機過程中常見的故障，科學的采取預防性措施，從而保證機組一次開車成功。