9FA型燃氣輪機防喘閥控制部分典型故障分析及處理方法

朱俊

（上海華電電力發展有限公司望亭發電分公司 江蘇蘇州 215155）

1 防喘閥簡介

GE 公司9FA 型燃氣輪機上的防喘閥是一種兩位式氣動執行機構，安裝在燃氣輪機排氣擴壓間內壓氣機9 級和13 級的抽氣管道上，主要作用是在機組啟停過程中通過打開閥門將壓氣機9級和13級抽氣排入燃氣輪機擴壓段，從而使得燃氣輪機的運行線遠離壓氣機的喘振邊界線，防止壓氣機喘振現象的發生。

9FA 型燃氣輪機1 臺機組設計有4 個防喘閥，由2個兩位三通電磁閥來控制，1個電磁閥同時控制2個防喘閥的啟閉。電磁閥的指令來自于MK VI 控制系統，當電磁閥線圈得電時，壓縮空氣通過電磁閥進入氣缸，推動防喘閥迅速關閉；當電磁閥線圈失電時，氣缸內的壓縮空氣通過電磁閥排氣口排出，依靠氣缸內的彈簧力使閥門打開。在氣缸的輸出軸上安裝有1個位置反饋，里面有2個磁性開關用來指示閥門的開關狀態，位置信號傳送到MK VI系統參與邏輯運算。

2 防喘閥控制部分的典型故障

2.1 電磁閥故障

電磁閥是用于控制防喘閥啟閉的氣動執行機構，布置在燃氣輪機排氣擴壓間內防喘閥底部靠墻的固定支架上。電磁閥的常見故障有以下5類：（1）電磁閥機械部分發生卡澀；（2）電磁閥線圈老化損壞；（3）電磁閥密封件老化漏氣；（4）電磁閥先導與執行部分的連接銷脫落；（5）電磁閥線圈接線端子松動、線頭斷裂。

2.2 位置反饋故障

位置反饋用于現場指示和遠傳防喘閥位置信號。整個位置反饋由底座、偏心輪傳動軸組件、磁性開關組件、保護罩組成。位置反饋的故障有以下5 類：（1）磁性開關及其預制電纜損壞；（2）磁性開關預制電纜線頭在接線端子處斷裂；（3）偏心輪組件內的磁頭失磁；（4）定位管件變形熔化；（5）磁性開關兩顆固定螺絲松動。

2.3 控制系統硬件及信號電纜故障

防喘閥的指令和反饋信號都接入MK VI系統參與邏輯運算。控制系統硬件及信號電纜故障情況有以下3 種：（1）TRLY 開關量輸出卡上的繼電器故障；（2）TRLY 開關量輸出卡輸出通道內熔絲熔斷；（3）信號電纜發生開路、短路、接地故障。

3 防喘閥控制部分典型故障原因分析

3.1 電磁閥故障原因分析

3.1.1 電磁閥機械部分卡澀原因分析

造成電磁閥機械部分卡澀的主要原因有：控制用壓縮空氣不干凈，含有雜質；電磁閥使用年限長，閥桿缺少潤滑脂潤滑而卡澀；電磁閥先導電磁鐵故障導致閥體機械部分卡澀［1］。

3.1.2 電磁閥線圈老化損壞原因分析

引起電磁閥線圈老化損壞的原因有：電磁閥使用年限較長，線圈長時間通電導致線圈老化故障；排氣擴壓間內環境溫度超溫使電磁閥線圈故障損壞；電磁閥線圈接線端子老化、環境超溫使線圈的預制線纜短路導致電磁閥線圈損壞。

3.1.3 電磁閥密封件老化漏氣原因分析

導致電磁閥密封件漏氣的原因有：電磁閥使用年限長，密封件老化變形而失效；壓縮空氣不干凈導致密封件磨損超標而漏氣；工作環境溫度超過了密封件的耐溫范圍使得密封件老化失效。

3.1.4 電磁閥先導與執行部分的連接銷脫落原因分析

造成連接銷脫落的主要原因是：燃機的頻繁啟停導致防喘閥電磁閥頻繁動作，時間一長就會導致開口銷逐漸變形而從孔內滑脫。

3.1.5 電磁閥線圈接線端子松動、線頭斷裂原因分析

造成電磁閥線圈接線端子松動、線頭斷裂的原因是：高溫振動的工作環境導致接線端子老化線頭松動，由于電磁閥線圈的預制線纜是多股軟線，線徑較細，反復地緊固端子螺絲就會導致線頭斷裂。

3.2 位置反饋故障原因分析

3.2.1 磁性開關及其預制電纜損壞原因分析

燃機的使用年限超較長，出現了排氣擴壓器外保溫層脫落、非金屬膨脹節破損和法蘭連接螺栓斷裂等問題［2］，造成防喘閥周圍的空間溫度達到120℃，遠超該類型磁性開關的設計工作溫度90℃，導致磁性開關及其預制電纜因高溫而損壞，見圖1。

圖1 磁性開關及預制電纜損壞

3.2.2 磁性開關預制電纜線頭斷裂原因分析

燃機作為調峰機組啟停頻繁，機組在啟停時防喘閥都要動作，尤其在全速空載狀態防喘閥全部打開時，位置反饋的振動很大，磁性開關的預制電纜是多股軟線，線纜短線徑細，而且沒有使用接線柱，長期在振動的環境下工作使得線頭在接線端子處斷裂，見圖2。

圖2 預制線線頭斷裂

3.2.3 偏心輪組件內的磁頭失磁原因分析

偏心輪組件上的磁頭是用來和磁性開關接觸使開關得磁而接點閉合，原設計使用的是普通的永磁鐵，不耐高溫，長期工作在高溫的環境下導致磁頭失磁。

3.2.4 定位管件變形熔化原因分析。

定位管件是用來固定磁性開關在特定位置能與偏心輪上的磁頭接觸。定位管件是塑料材質，耐溫在100℃以下，長時間在高溫的環境下工作導致變形熔化，見圖3。

圖3 定位管件融化變形

3.2.5 磁性開關固定螺絲松動原因分析

固定磁性開關的兩顆螺絲穿過前面板、磁性開關和定位管后直接旋緊在底板上的螺紋孔內，沒有防振措施，長期在振動環境下工作導致螺絲松動、底板絲口滑牙使磁性開關錯位。

3.3 控制系統硬件及信號電纜故障原因分析

3.3.1 TRLY開關量輸出卡繼電器故障原因分析

燃機作為調峰機組啟停頻繁，一次啟動防喘閥短時間頻繁開關8 次，繼電器接點在斷開瞬間會產生電弧，長期連續使用會導致接點拉毛、接點接觸電阻變大而導致繼電器故障［3］。

3.3.2 TRLY開關量輸出卡輸出通道內熔絲熔斷原因分析

TRLY 卡輸出通道內標配的是3.15A 的慢熔型玻璃管熔絲。防喘閥正常工作時，電磁閥線圈電流在0.5A 以下，燃機作為調峰機組啟停頻繁，機組啟動時，防喘閥短時間內要連續動作，通過實驗實測在繼電器接點閉合的瞬間電流要達3A以上，由于是慢熔型熔絲電流瞬間超限不會立即熔斷，而長時間使用就會造成熔絲不定期的突發型熔斷。

3.3.3 信號電纜故障原因分析

由于設備老化導致排氣擴壓間內溫度升高，超過了信號電纜的耐溫等級導致信號電纜發生開路、短路、接地等故障。電磁閥指令電纜故障會導致電磁閥拒動、卡件通道內熔絲熔斷等故障，位置反饋信號電纜故障會導致位置反饋信號失效、機組110VDC電源接地等故障。

4 防喘閥控制部分典型故障處理方案

4.1 電磁閥故障處理

（1）提升儀用壓縮空氣的質量。加強對氣泵房空氣后處理裝置的檢修維護，使其可靠工作。更換防喘閥氣控回路內老化的過濾減壓裝置，對過濾減壓裝置內的濾芯定期更換，定期對過濾減壓閥進行排污［4］。（2）加強對電磁閥的檢查維護。建立設備臺賬，對每個電磁閥做好使用更換記錄。平時加強對電磁閥的檢查，查看電磁閥密封件有無漏氣情況，檢查連接銷有無變形脫落。利用機組停機機會定期對防喘閥校驗，記錄閥門開關時間、電磁閥線圈阻值、線圈通電電流、電纜絕緣等參數，發現設備老化、參數不符合要求的電磁閥及時進行更換。（3）對電磁閥線圈的預制電纜套好耐高溫保護套管，在線頭處做好圓孔型的接線柱，更換耐溫抗振性好的接線端子。機組停機時，定期對線圈預制電纜及接線端子檢查，發現問題及時處理。（4）外接壓縮空氣吹掃冷卻，降低電磁閥的工作溫度。

4.2 位置反饋故障處理

防喘閥位置反饋的絕大部分故障都是內部組件的耐溫抗振性能差引起的，可以利用以下方法解決。

4.2.1 提升位置反饋的耐溫等級

（1）將位置反饋內部組件中的磁性開關更換為WESTLOCK公司XT-90型耐高溫磁性開關，耐溫130℃，在開關的預制線纜上套好耐高溫保護套管，如圖4所示。（2）將偏心輪上的2 個磁頭更換為鋁鎳鈷材料制作的永磁鐵，耐溫550℃，如圖5 所示。（3）將磁性開關中間的兩根定位管改為316不銹鋼管，耐溫800℃，如圖6所示。（4）制作專用的吹掃冷卻裝置，將壓縮空氣通過節流閥和過濾減壓閥后引入位置反饋內部進行吹掃冷卻，從而有效降低位置反饋的工作溫度。

圖4 磁性開關改型

圖5 磁頭改型

圖6 定位管改型

4.2.2 提升位置反饋的抗振性能

（1）用316 不銹鋼螺絲替代原來固定磁性開關的兩顆普通螺絲；更換鋁合金底板，用316 不銹鋼板替代，在接線端子板上的螺絲孔處加上316 不銹鋼平墊圈，固定螺絲穿出底板螺紋孔后加上316 不銹鋼平墊圈、彈簧墊圈、螺母進行鎖緊加固，如圖7 所示。（2）在磁性開關預制線纜的線頭上制作接線柱，采用菲尼克斯專用型冷壓接線柱，耐溫和強度都能滿足使用要求，有效提升線纜在端子處的抗振性能。

圖7 開關組件抗振處理

4.2.3 優化防喘閥保護邏輯

原保護邏輯設計當機組并網后，任一防喘閥位置錯誤（開、關信號均未置“1”），或任一防喘閥打開（開信號置“1”，關信號置“0”），均觸發機組減負荷解列。而實際觸發機組減負荷解列的條件都是由于高溫振動的環境導致防喘閥位置反饋故障，是保護的誤動。因此，把機組并網后任一防喘閥位置錯誤這一觸發機組減負荷解列的條件去除，只作為報警信號提醒運行人員，從而有效提升保護邏輯的容錯能力，避免保護誤動［5］。

4.3 控制系統硬件及信號電纜故障處理

4.3.1 TRLY開關量輸出卡繼電器故障處理

對每個電磁閥對應TRLY 卡件通道的繼電器建立專用設備臺賬，記錄更換和使用維護情況。定期檢查和測量繼電器線圈和接點的阻值、絕緣情況，發現異常的繼電器及時更換。

4.3.2 TRLY 開關量輸出卡輸出通道內熔絲熔斷處理

原設計3.15A 慢熔型玻璃管熔絲適合長期連續運行防喘閥始終保持關閉的機組，并不適合在頻繁啟停的調峰機組上使用。更換電磁閥熔絲，采用美國博士曼公司生產的6.3A慢熔型陶瓷管熔絲替代，電流等級和防爆性能都得到有效提升［6］，如圖8所示。

圖8 熔絲改型

4.3.3 信號電纜故障處理

采用更高耐溫等級的電纜替換原信號電纜，并在電纜外層套上專用的耐高溫保護套管，線頭上制作好耐高溫的接線柱，從而有效提升信號電纜的耐溫等級，使其能在高溫的環境下可靠工作。

5 結語

通過提升儀用壓縮空氣質量、提高電磁閥線圈預制電纜及接線端子的耐溫等級、加裝壓縮空氣吹掃冷卻的方法，能夠有效延長防喘閥電磁閥的使用壽命到1倍以上，電磁閥7萬元/個，可以節約一筆可觀的生產維護費用。通過定期對電磁閥進行檢查校驗，可以及時發現問題及時處理，有效避免機組非停事件的發生，保障機組安全運行。

通過對防喘閥位置反饋的技術改造，有效提升了耐溫和抗振性能，使其能夠長期在高溫振動的環境下可靠工作。改造后，位置反饋的使用壽命可以提升到原來的5倍以上，原來更換一個防喘閥位置反饋16 000元，現在內部組件只需定期更換磁性開關，磁性開關2200元/個，以每次更換2 個計算，可以節約維護經濟成本27.5%，往復循環則維護經濟成本不斷遞減。

通過對TRLY 開關量輸出卡輸出通道內熔絲換型，加強對繼電器的檢查維護并更換高耐溫等級的信號電纜，使得控制系統硬件及信號電纜的年故障發生率降低到零，有效保障機組安全運行。