汽輪機轉速波動原因淺析及處理措施

高燕

石油化工工程質量監督總站天津監督站，中國·北京 100000

論文主要介紹了中國石油化工股份有限公司某催化裝置富氣壓縮機組汽輪機轉速波動的情況，通過故障分析，不僅從根本上找到了引起轉速波動的原因，而且找到了解決轉速波動的方法，保證了裝置的安全運行，以此提出建議和改進措施。只有密切結合現場的實際，多方面、多專業、多角度地考慮，多多增進學科之間的融合，才能更好地解決各種故障和難題。

汽輪機；轉速波動；原因；處理措施

1 引言

中國石油化工股份有限公司某催化裝置富氣壓縮機組是由沈陽鼓風機集團股份有限公司制造的水平剖分式離心壓縮和杭州汽輪機股份有限公司制造的背壓式汽輪機組成。

汽輪機主要技術參數：進氣壓力為3.3MPa，進氣溫度為420℃，排氣壓力為1.1MPa，額定功率3978kW，額定轉速8398r/min，最大連續轉速8818r/min，跳閘轉速9700r/min，轉速范圍為6298 ～8818r/min。

汽輪機正常運轉過程中，轉速突然出現波動，波動范圍從100rpm 到500rpm 不等，最高到2000rpm，轉速上漲時室內手動調速40%調至25%轉速不變（二次油壓值也無變化），間隔10 分鐘到半小時后，機組轉速不調節緩慢自動恢復到變換前，這時控制功能恢復正常。15 天后，汽輪機轉速再一次出現波動，嚴重影響機組的穩定運行。

2 調速系統組成

2.1 調速系統組成

汽輪機調速系統主要由轉速感受機構（調速器）、傳動放大機構、配氣機構、反饋機構組成。

其中，轉速感受機構又稱調速器，是將轉子的轉速信號轉變成一次控制信號，按照工作原理可分為機械式、液壓式和電子式三大類。汽輪機調速系統采用PG-PL 型調速器，通過其動力缸的伺服活塞輸出液壓信號，帶動整個連桿系統的聯動，前后移動杠桿，打開或關閉主氣閥，并根據調速器動力缸伺服活塞的負載調節進入的蒸汽量來控制汽輪機轉速。

傳動放大機構對一次控制信號功率放大，并按調節目標做控制運算，產生油動機的控制信號。

配氣機構是將油動機的行程轉變為各調節氣門的開度，通過配氣機構的非線性傳遞特性，汽輪機的進汽量與油動機行程間校正到近似線性關系。

2.2 PG-PL 型調速器組成

PG-PL 型調速器的調速系統主要由供油系統，給定裝置，控制、緩沖系統和油動機組成。

供油系統包括齒輪油泵和蓄能器等組成，其作用是供給調節過程中所需的壓力油和控制最高油壓。齒輪油泵由汽輪機主軸驅動，將高壓油輸入高壓油管道系統，同時高壓油通入蓄能器。蓄能器活塞上部裝有彈簧，當高壓油作用在活塞的力與彈簧的力相等時，活塞將側面油口堵住；當高壓油作用在活塞上的力大于彈簧的力時，油壓推動活塞上移，直到打開側面油口，高壓油通過油口后一部分壓力油泄出返回油箱，使壓力油系統的油壓不至于過高。蓄能器的另一個作用是當油系統瞬時間需用較大油量時，由蓄能器來補充。在油泵的吸入端和排出端各設有單向閥，以防止壓力油倒流。

速度給定裝置用來改變被調節汽輪機的速度，使其能在所要求的轉速下運行。PG-PL 型調速器的速度給定既能手動又能氣動。速度給定裝置由手動轉速給定機構、波紋管、轉速給定控制滑閥、套筒和調速繼動活塞等組成。手動和氣動信號輸入，轉速給定控制滑閥在旋轉套筒中上、下移動，使調速繼動活塞上部油腔中的油流出或注入，調速繼動活塞上、下移動來實現給定值的調整。

控制緩沖系統由飛錘、控制滑閥、緩沖彈簧、緩沖活塞和補償針閥組成。在穩定工況時，緩沖活塞處于緩沖缸中間位置，緩沖活塞左右兩側受到彈簧力和油壓的力相等。當汽輪機轉速降低時，控制滑閥向下移動，油動機活塞向上運動，開大調節汽閥，使汽輪機的轉速升高。反之，當汽輪機轉速升高時，控制滑閥向上移動，油動機活塞在彈簧力的作用下向下運動，關小調節汽閥，使汽輪機轉速降低[1]。

油動機又稱伺服馬達，是調速裝置中的液壓執行機構。調速器的輸出的信號不足以帶動調節汽閥，它通過油動機活塞的運動來控制調節汽閥的開度。

當機組需要改變轉速時，變速機構是受信號風壓的變化而改變調速器彈簧的預緊力，來達到改變轉速的目的。PG-PL 調速器變速機構采用的是氣動元件為波紋管式，主要由波紋管、調速導閥柱塞、調速繼動活塞等組成。

2.3 PG-PL 型調速器工作原理

PG-PL 型調速器工作原理的核心是建立在速度彈簧的彈力與飛錘旋轉的離心力保持動態平衡這個基礎上的，并且當這種平衡受到破壞時能反饋輸出一個信號改變受控驅動機的蒸汽供給情況，使驅動機轉速改變、飛錘轉速變化，直至恢復到飛錘與速度彈簧彈力相平衡的狀態。

3 原因初步分析及處理措施

3.1 原因初步分析

汽輪機調節系統引起轉速波動的可能原因有：蒸汽壓力、溫度波動；調速器故障；轉速探頭支架松動；信號回路接地、電磁干擾；轉速控制儀表故障；調節油的油質；錯油門、油動機卡澀。

3.2 處理措施

3.2.1 處理措施

問題出現后，首先調整了調速器補償油路針閥開度，開度由1/8 調整至1/4，調整后波動情況略緩。然后現場手動調節調速器旋鈕，檢查二次油壓與轉速變化的對應情況以及錯油門-油動機是否存在機械卡塞現象，同時進行下述排查：

①檢查儀表風線，排除漏風問題，同時檢查室內信號輸出以及反饋信號是否有問題。

②檢查潤滑油油質情況，增加潤滑油過濾頻次。

③在不影響生產的情況下，小范圍調整汽輪機轉速以改變調速油流動狀況，帶走管線中的雜質。

④切換潤滑油過濾器，拆卸清洗，確定油的潔凈程度。過濾器濾網上附著有細小雜質顆粒，反映出機組潤滑油較臟。清理后，汽輪機轉速波動問題無明顯改善。

⑤潤滑油站內補新油，改善油質。

3.2.2 排查結果

①按照排查安排，運行部對照同時段各工藝參數及機組參數查對，未發現相關變量有突變現象，但由于汽輪機輪室壓力取壓管嘴堵，無法核實汽輪機輪室壓力變化情況。

②儀修檢查儀表風線，未發現管線泄漏問題，儀表信號檢查也未發現問題。

③通過增加化驗頻次，潤滑油化驗未發現不合格。

④切換調速油過濾器，檢查未見過濾網破損及差壓失真現象，但潤滑油較臟。

過濾器濾芯雜質附著圖如圖1 所示。

⑤更換PG-PL 調速器，清洗隨動活塞及錯油門，檢查發現：錯油門滑閥頂針直徑減小0.050mm 左右。放大器清洗發現隨動活塞部分有雜質顆粒，活塞套有點蝕痕跡。檢查啟動器活塞以及各部彈簧未發現問題。同時檢查測量啟動器、放大器各部配合間隙，符合要求。更換調速器。檢查儀表線以及氣電轉換器。

3.3 處理結果

調速器回裝后，汽輪機進行靜態試驗，調整汽輪機調節汽閥杠桿角度為11°，調節汽閥的開度與二次油壓線性關系基本符合。開機后，汽輪機轉速未出現大幅度波動。

4 汽輪機調速器解體檢修情況

運行裝置將更換下來的調速器送至專業維修機構進行檢修整定，具體檢查情況如下：

調速器內部潤滑油較臟，呈紅褐色，如圖2 所示。

圖2 調速器放油圖

蓄能活塞上留有雜質顆粒，且發生了偏磨，如圖3 所示。

圖3 儲能器活塞雜質、磨損

調速器動力活塞磨損。

5 直接原因分析

正常情況下，調速器的速度設定靠速度給定活塞的位置來完成。壓力油在速度給定活塞上部區域的流入或流出，就把速度給定活塞移至較高或較低速度設定的位置。

當驅動機所帶負荷降低，造成驅動機轉速升高時，飛錘旋轉離心力增大。當調速器彈簧壓力小于一對飛錘旋轉離心力產生的向上的力時，滑閥上升，控制面隨之上升，中間油從控制面的下方流入無壓油池。緩沖活塞左端的壓力小于右端的壓力，緩沖活塞左移。由于針閥泄漏節流，油動機動力活塞下方的油進入油路，該活塞下降，減少蒸汽的供給，驅動機轉速降低，逐漸與速度彈簧的彈力相平衡。與此同時，補償面的下部壓力低于上部壓力，滑閥下移，控制面的控制口關閉。在針閥的泄漏作用下，緩沖活塞左右壓力逐漸相等，油動機的動力活塞輸出穩定，控制驅動機的蒸汽的供給保持穩定。

調速器的油泵位于調速器的下方，被調速器套筒的旋轉所驅動。主動齒輪與滑閥同軸線，出口與儲能器相通，儲能器有減壓安全裝置。儲能器對于穩定油泵出口壓力，提高調速器控制轉速的穩定性有很重要的作用。儲能器活塞與缸體的密封為多道迷宮式密封，徑向間隙很小（0.015mm左右），對雜質很敏感[2]。

當驅動機所帶負荷降低，造成驅動機轉速升高時，氣動操作調節氣壓信號減小，弓形板、指揮閥活塞下降，控制面上升，該控制口打開，指揮閥活塞上方的油進入無壓油池。指揮閥活塞上升，復位桿的左端被拉下，回位彈簧、弓形板、指揮閥套筒轉而下降，控制口逐漸恢復到關閉狀態。由于儲能器活塞殘留雜質的影響，儲能器活塞卡澀，釋放旁路被堵塞，儲能器壓力增加。此時緩沖活塞左端的壓力大于右端的壓力，該活塞右端壓力升高，同時針閥泄漏，中間油通過，進入油動機活塞的下方。活塞上升，增加或蒸汽的供給，驅動機轉速繼續升高，氣動操作調節轉速效果不明顯。

氣壓機由于負荷變化，機組轉速升高，調速器齒輪泵轉速升高，調速器壓力油壓力升高，蓄壓活塞無法移動，系統卸油口被活塞擋住無法泄壓，導致油壓持續升高，調速器速度設定彈簧無法克服油壓被壓死，速度持續升高，同時緩沖活塞持續左移，輸出活塞持續加載，導致汽輪機調節氣門持續打開。

由于調速器振動等因素影響，卡澀的蓄能活塞克服摩擦發生移動后，調速油卸油口打開，油壓降至正常值時，轉速恢復。

所以造成機組轉速突然升高的原因是油臟導致蓄能活塞卡澀。

6 建議或改進措施

為避免類似事故再次出現或發生，建議或改進措施如下：

①加強對機組設備潤滑油的管理，定期清理潤滑油過濾器濾芯。

②調速器檢修整定后放置時間長，更換前應再進行整定確認。

③保證系統參數的線性化關系。保證轉速控制系統的定期校驗，使調速器電流輸出、二次油壓和調節氣門開度保持線性關系，這是調速系統正常運行的前提條件。

④做好關鍵機組的儲備定額及備件工作，遇到突發設備問題，可以及時進行檢修。

⑤調速器的搬運要輕拿輕放，運輸途中減少顛簸振動。

⑥設備更新。

經過以上的分析，不僅從根本上找到了引起轉速波動的原因，而且找到了解決轉速波動的方法。此事件也帶給我們啟發，任何故障的出現都不能在某一個學科的領域內孤立分析，應該密切結合現場的實際，多方面、多專業、多角度地考慮，只有多多增進學科之間的融合，拓展知識面，才能更好地解決各種故障和難題。