氣動閥異常導致燃氣輪機啟動故障分析

張海忠，王 濤，曹美杰，郭永鵬

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北唐山 063200）

引言

某鋼鐵企業采用燃氣蒸汽聯合循環發電機組（CCPP）耦合低溫多效海水淡化裝置，形成了多介質多梯級能源高效循環利用系統，其CCPP 工藝流程如圖1 所示。燃氣輪機采用日本三菱公司的M701S系列，額定負荷118 MW，燃料以低熱值的高爐煤氣為主，同時能夠摻燒焦爐煤氣，該機組采用分軸布置，靜態變頻（SFC）啟動方式，聯合循環效率最高可達到47%。

圖1 燃氣蒸汽聯合循環機組工藝流程

1 煤壓機系統組成及閥門控制原理

1.1 系統設計基本原理

燃機和煤壓機在額定轉速以下時，因壓縮比在設計值以下，壓縮機內的流量變少容易發生喘振［1-2］，為增加壓縮機流量，該機組的煤壓機分別設置了高壓（HP）、中壓（MP）和低壓（LP）三級抽氣，回流的煤氣經過煤氣冷卻器后返回電除塵入口混合煤氣管道，工藝流程如圖2所示。

圖2 煤壓機三級抽氣回流工藝流程

燃機啟動時三臺抽氣閥門保持常開，點火升速后至2 100 r/min 后開始關閉，到2 890 r/min 后完全關閉，低壓抽氣閥的閥位指令開度曲線見圖3（三臺抽氣閥開度曲線相同）。

圖3 煤壓機低壓抽氣閥開度［%］設定曲線

1.2 閥門控制原理

低壓抽氣閥門由三菱整套提供，采用日本橫川成套的氣動蝶閥，煤壓機低壓抽氣閥控制原理如圖4 所示，執行機構采用了單作用氣缸，為氣關閥，可以實現快速打開和關閉的功能，同時利用電氣轉換器（E/P）和閥門定位器能夠實現閥門行程連續控制。

圖4 煤壓機低壓抽氣閥控制原理圖

通過查閱運行操作手冊及解讀控制程序邏輯說明書，燃機升速過程中閥門關閉的控制過程為：

（1）燃機轉速大于2 100 r/min 后，隨轉速上升，根據圖3 的開度指令曲線，氣轉換器E/P（801）通過閥門定位器（601）控制放大器（711）逐漸關閉。

（2）燃機轉速大于2 890 r/min 后，電磁閥B 勵磁，氣缸直接接入儀表氣源（0.5 MPa），確保閥門關閉并壓緊。

2 故障經過及分析

在機組開機過程中，燃機點火后升速階段發生過兩次因煤壓機低壓抽氣閥異常關閉導致燃機啟動失敗的故障。煤壓機低壓抽氣閥異常關閉信號連鎖停機的觸發條件為：燃機升速過程中轉速小于2 100 r/min，且該閥門開到位的限位開關狀態由1到0（開到位信號消失）。兩次故障具體經過和分析過程如下：

2.1 第一次故障經過

某次機組檢修結束后，在燃機點火升速至1 630 r/min 左右時，發生燃機跳閘故障，故障報警為煤壓機低壓抽氣閥門異常關閉（GC LP BLEED VAVLE ABNORMALY COLSED）。

現場檢查該氣動閥無明顯異常，遠方傳動該閥門開關動作正常。懷疑因為氣源不干凈導致閥門誤動作，隨即將該閥門及附近的2 臺高壓抽氣閥和中壓抽氣閥進行多次開關操作以便沖刷氣路，最大程度消除氣源問題導致的閥門異常動作。

措施執行完畢后執行開機操作，故障重復發生。懷疑故障原因為繼電器觸點虛接或靜電干擾導致閥門的電磁閥B 異常得電動作，采取措施從控制柜內將控制電磁閥B 的繼電器拔出，徹底斷開其控制回路。

措施執行完畢后執行再次開機，故障再次重復發生。本次故障時現場觀察到煤壓機低壓抽氣閥門實際有關閥動作，開到位限位開關松開后，閥門又重新快速打開（燃機跳機后閥門快開）。

為保障機組正常開機生產，決定采取斷開該閥門所有控制回路的臨時措施，保證該閥門在2 100 r/min 之前不會異常關閉，燃機升速至2 000 r/min 左右，再恢復正常控制功能，確保燃機能夠按照預設指令曲線關閉閥門。措施執行完畢后開機正常，升速至3 000 r/min后順利并網。

2.2 第一次故障分析

機組啟動失敗直接原因都是煤壓機低壓閥異常關閉，故障查找過程中，對氣動執行機構附屬氣源控制回路及限位開關等進行了詳細的檢查測試。

重點檢查閥門的儀表氣源、限位開關、控制電磁閥和電氣轉換器及控制回路，檢查情況見表1所示。

表1 閥門附件及控制回路檢查項目及結果

從設備檢查和測試結果可以基本排除閥門本體存在實質性硬件故障的可能。

跳機時現場觀察到該閥門確實有關閥動作，氣缸必然有進氣。導致閥門氣缸異常進氣的回路有兩個：

（1）快關控制回路（電磁閥B）異常，比如B 電磁閥的閥芯不嚴導致串氣，對應空氣閥（681）緩慢進氣導致閥芯動作使閥門主氣路打開。（多次傳動測試正常，排除該原因）

（2）閥位連續控制回路（E/P-定位器）異常，比如E/P 輸出氣壓信號異常升高，通過閥門定位器和放大器使進入氣缸的儀表氣壓力升高，推動閥門動作。

因當時冬季溫較低，室外夜間最低溫度接近-20 ℃，懷疑當時廠區內的壓縮空氣管道內、該閥門控制氣源管路和附屬設施中有結露或冰霜存在，造成電氣轉換器（E/P）氣路或定位器氣路堵塞。

隨后某次檢修后機組再次開機時，氣溫已經回升，沒有對該閥門采取任何措施的情況下，其動作正常，增強了該判斷成立的可能性，再次誤導了對故障原因的認定。

2.3 第二次故障經過及分析

次年4 月機組大修結束后，在開機過程中再次發生低壓抽氣閥在燃機升速過程中異常關閉故障。本次故障發生時，氣溫已經回升到15 ℃，氣源不存在結露結霜的可能性，排除第一次懷疑的氣源露點不合格原因。

本次啟動過程中，現場人員觀察到該氣動裝置及所在管道振動較大，而定位器位于最高點，振動幅度最大，懷疑因閥門振動太大導致閥門定位器串氣，隨即對該氣動執行器采取臨時加固措施，如圖5所示，加固后現場檢查氣動執行機構振動明顯減小，閥門定位器工作更穩定，隨后開機時燃機順利啟動。

圖5 現場氣動執行機構加固減振

3 結論及措施

3.1 結論

在機組啟動升速過程中，隨著煤壓機轉速升高，低壓抽氣管道的煤氣回流量增大，導致管道振動變大，低壓抽氣閥配套的閥門定位器安裝在執行機構頂部，振動幅度最大，強烈的振動導致閥門定位器內部的平衡機構共振失衡，閥門定位器輸出壓力瞬間失控突變，氣缸進氣壓力增大導致氣缸向關閉方向移動，開到位信號由1 變0 從而連鎖燃機跳閘。

3.2 改進措施

鑒于氣動執行機構異常動作的直接原因是設備振動大，首先從減少設備振動方面著手，另外，可以通過優化閥門控制方式，降低閥門氣路異常造成閥門誤動的概率。

具體措施如下：（1）減少抽氣管道及閥門振動。采取措施將煤壓機低壓抽氣管道增加支撐和固定，減少管道振動。（2）優化閥門控制程序。當燃機轉速小于2 100 r/min 時，A 電磁閥不得電；允許煤壓機低壓抽氣閥關閉之前，保證儀表氣不會進入氣缸，閥門處于開到位狀態。當燃機轉速大于等于2 100 r/min 時，勵磁A 電磁閥；此后執行正常的閥門控制程序，閥門通過E/P 接受閥門關閉指令控制，逐步關閉閥門，其開度曲線保持不變。通過延遲A 電磁閥動作時間，可以減少因氣路設備故障導致氣缸進氣，有效降低誤動概率。

大型燃氣輪機的控制系統比較復雜、現場儀表和執行機構較多，在處理現場設備故障時，經常會碰到一些當時無法立即確定具體原因的情況［3-5］，技術人員需要保持耐心，結合現場使用環境和運行工況進行全方位的枚舉和排除，最終定能找到真正的故障原因。