Solar T60 型燃氣輪機喘振故障的排除

楊福海

（中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳 518000）

0 引言

燃氣輪機是用于驅動發電機、壓縮機、泵和其他外在設備的動力設備。燃氣輪運行穩定、效率高，且機組結構緊湊、占地面積小、重量輕，已在海上平臺和陸地天然氣終端大量應用，成為保障油田、天然氣終端穩定生產的關鍵設備。但由于燃氣輪機本身結構和邏輯控制復雜，自動化程度高，對設備維修人員提出了更高的技術要求。除日常維護維修外，排除難度較大的故障，要求維修人員能夠快速、準確、高效地解決問題，及時恢復電網供應，保障油田的穩定生產。

1 Solar T60 型透平燃氣輪機喘振故障案例分析

某海上平臺Solar T60 型燃氣輪機在完成機組冷洗工作后，啟動機組準備進行并網，然而在啟動過程中出現異常，機組現場出現振動并伴隨低沉的“怒吼”聲，維修人員緊急關機，使透平啟動中斷，現場出現透平關機報警，并觸發延時鎖定系統。從機組現場的振動、聲響以及人機界面顯示器上透平T5 溫度忽高忽低的變化，以及機組轉速不能持續上升的現象來判斷，初步認定機組在啟動過程中發生了喘振現象。喘振是壓氣機的一種不穩定工作狀態，在喘振狀態下，壓氣機中的氣流發生大幅度的軸向振蕩，同時還會伴隨著低頻“怒吼”聲響，使機組產生強烈的振動，這種現象通稱為喘振現象。當壓氣機發生嚴重喘振時，往往會導致壓氣機葉片斷裂，從而可能進一步演變成災難性事故。在透平機設計中，為了防止發生喘振，都會采取一些防喘振措施，包括安裝IGV（Inlet Guide Vanes，可轉進氣導葉）、防喘放氣閥（Bleed Valve）和采用雙轉子壓氣機等。Solar T60 型燃氣輪機采用了可轉進氣導葉和防喘放氣閥兩種防喘振措施。

1.1 喘振原因分析

當流經壓氣機的空氣流量減少到一定程度而使壓氣機運行進入喘振工況時，整臺壓氣機就不能穩定工作，此時空氣流量就會出現波動（忽大忽小），壓力出現脈動（忽高忽低）而發生喘振，嚴重時甚至會出現氣流從進氣口倒流出來的現象。通過對Solar T60 型燃氣輪機的結構特點和啟機過程中的邏輯控制分析，得出引起本次喘振現象的原因主要有以下4 個方面。

1.1.1 空氣入口過濾器嚴重污染阻塞

Solar T60 型燃氣輪機空氣入口過濾器由兩級組成，第一級為濾棉型過濾器，第二級為圓筒形紙質過濾器。在機組運轉時，第一級過濾器會過濾掉空氣進氣中較大的灰塵顆粒、油氣和水分，同時過濾器表面會逐漸發黑、表面的附著物成輕微泥巴狀，使得過濾器通透性下降，引起進入壓氣機的空氣流量降低。因此，需要及時更換過濾器。第二級過濾器過濾更小的灰塵顆粒，進一步凈化進入壓氣機的空氣質量。在過濾器下游和大氣之間安裝了過濾器壓差變送器，當壓差達到5 英尺水柱時，變送器觸發壓差高報警；當壓差達到7 英尺水柱的上限時，變送器觸發報警并使透平機組停機。二級過濾器更換周期為9000 h 或達到壓差高報警值。當空氣入口過濾器嚴重污染阻塞時，會使得進入壓氣機的空氣流量嚴重下降，流量減少到一定程度會引起壓氣機喘振。

1.1.2 軸流壓氣機嚴重污染

當軸流壓氣機發生嚴重污染時，污染物大量附著在壓氣機葉片上，嚴重時將影響進入壓氣機的空氣流量，使得壓氣機效率下降，性能曲線發生改變，流量降到一定程度時，將使壓氣機越過喘振邊界線進入喘振工況，從而引發喘振現象。

1.1.3 可轉進氣導葉故障

在啟機過程中或機組在低轉速運行時（機組轉速Ngp＜90%），可轉進氣導葉將處于“關”位，控制空氣進入壓氣機的角度和流量，防止啟機過程中和低轉速運行時發生喘振。可轉進氣導葉由液控電磁換向閥、液壓缸、連桿、拉桿等控制和驅動。當可轉進氣導葉發生故障時，如啟機過程中，該“關”的時候“開”，就不能實現控制進氣角度和流量的功能，也就不能起到防喘振作用，從而引起喘振現象的發生。

1.1.4 防喘放氣閥故障

在啟機過程中，防喘放氣閥應處于“開”位（蝶閥全開），減小壓氣機背壓，防止喘振的發生。防喘放氣閥由擺動驅動器、液控電磁換向閥驅動和控制，當防喘放氣閥發生故障時，如啟機的過程中，防喘放氣閥處于“關”位（蝶閥全關），則不能減小壓氣機背壓，也就不能起到防喘的作用，從而引起喘振現象的發生。

1.2 故障排除方法

1.2.1 確定故障現象

通過機組現場出現振動并伴隨低沉的“怒吼”聲，以及人機界面上顯示的T5 溫度忽高忽低的變化和Ngp 轉速不能持續上升的現象來判斷，可以確定透平在啟機過程中出現喘振現象。

1.2.2 確定相關的系統和零部件

引起喘振的主要系統和零部件為：空氣過濾器、壓氣機、防喘放氣閥、可轉進氣導葉及其相關的控制系統。而喘振在啟機過程中出現，各相關系統和零部件狀態就是需要仔細檢查的主要方向。

1.2.3 測試

（1）空氣過濾器是否太臟而造成進氣流量過小的判斷。實際運行中，該透平機組完成冷洗工作的同時，也更換了已經較臟的第一級進氣過濾器，而第二級進氣過濾器在線時間遠未達到9000 h。再根據進氣過濾器壓差變送器顯示數據來看，壓差實際為2.2 英尺水柱，壓差值在正常范圍之內（0～5 英尺水柱），可以判斷不是因為過濾器太臟而引起進氣流量變小。

（2）壓氣機是否太臟使進氣流量過低原因的判斷。實際運行中，該透平機剛剛完成冷洗工作，從冷洗的效果看，壓氣機冷洗使附著在壓氣機表面的污染物大部分被清洗掉，壓氣機此時應處于“干凈”的狀態，因此可以判斷不是因壓氣機太臟引起進氣流量變小。

（3）根據PLC 邏輯判斷。在啟機的過程中（轉速Ngp＜90%和發電機負載≤500 kW），此時防喘放氣閥應處于“打開”狀態，而可轉進氣導葉應處于“關閉”狀態，如圖1 所示。檢查后發現，防喘放氣閥狀態符合邏輯，但可轉進氣導葉處于“打開”狀態，不符合邏輯，說明可轉進氣導葉發生了故障。對可轉進氣導葉進行測試（得電“打開”，失電“關閉”），發現可轉進氣導葉不能按邏輯工作。

圖1 可轉進氣導葉（IGV）和防喘放氣閥（Bleed Valve）梯形圖

1.2.4 確定故障點

測試結果顯示，可轉進氣導葉不能按邏輯“打開”和“關閉”，根據其控制流程圖，發現可能引起可轉進氣導葉不能動作的原因有：FS903-2 過濾器堵塞、L339 電磁液控換向閥失效、驅動可轉進氣導葉運動的液壓缸CYL901 失效、可轉進氣導葉根部卡死在氣缸上等5 種可能，如圖2 所示。通過排查和測試，發現是由于電磁液控換向閥L339 線圈燒毀，導致換向閥不能按照控制邏輯動作，從而使可轉進氣導葉不能正常工作。

圖2 可轉進氣導葉液壓控制回路

1.2.5 維修后再次測試

從電磁閥線圈燒毀的情況來看，線圈已不能修復，更換新的電磁閥線圈，維修后測試電磁液控換向閥功能正常。

1.2.6 回裝測試。

將電磁液控換向閥回裝，啟機測試，喘振現象消失，機組運行正常，順利帶載并網。

1.2.7 內窺鏡檢查

針對喘振故障，啟機測試前還需要對壓氣機進行內窺鏡檢查，判斷喘振現象的發生是否已對壓氣機葉片造成損傷。嚴重的喘振會造成壓氣機毀滅性的損傷，因此不能盲目啟機測試。

2 燃氣輪機常見故障的排除方法和思路探討

由于燃氣輪機本身結構和邏輯控制復雜，自動化程度高，掌握其原理、結構和各大系統功能，是故障排除的理論基礎。而掌握一定的故障排除方法，是保障排故工作快速、準確、高效和降低維修成本的關鍵。

2.1 試錯法或更換備件法

試錯法或更換備件法，是一種常被對設備結構、輔助系統、控制系統不夠了解的維修人員采取的故障排除方法，往往通過對疑似故障零部件的更換來達到解決故障的目的。但該方法解決故障速度慢、效率低、消耗材料備件花費大，且局限性大，在遇到比較復雜的、綜合因素引起的故障問題時，往往顯得束手無策。這種試錯法顯然不適合結構和邏輯控制復雜、自動化程度高的燃氣輪機的故障排除工作。

2.2 燃氣輪機的一般故障排除方法

結合案例分析過程，針對燃氣輪機自身結構、控制等特點，總結其一般故障排除方法，其基本步驟可分為：判斷故障發生的現象、癥狀和相關境況，確定相關的系統和零部件，進行測試，確定故障點，找出需維修的零部件，維修后再次對零部件進行測試，回裝到機組系統啟動測試等7 個步驟。在本案例中，首先結合現象、參數變化確定了啟機過程中機組發生了喘振現象，找到相關系統和零部件，判斷啟機過程中該部件的狀態，判斷部件是否出現異常，再進行維修測試。系統化綜合分析已成為故障分析和排除的一般模式，這種方式具有快速、準確、效率高等特點，符合燃氣輪機一般故障排除的要求。

2.3 利用HMI（Human Message Interface，人機界面）

Solar T60 型燃氣輪機配置有TT 4000 監控系統的人機界面（圖3），能精確地顯示機組各系統在停機、啟動、并網、帶負荷、脫網等狀態下的主要工作參數，幫助相關人員監控、判斷透平發電機組的狀態，為維護、維修和故障排除提供很多的便利。

圖3 人機界面透平機報警歷史記錄

2.4 利用PLC 邏輯控制系統

Solar T60 型燃氣輪機采用RSLogix 5 PLC 控制系統（新機組多采用RSLogix 5000），可隨時調取相關的PLC 梯形圖，查看控制邏輯和設定點參數等相關信息，為故障排除提供詳細的參考依據（圖4）。

圖4 Solar T60 型燃氣輪機可轉進氣導葉、防喘放氣閥控制邏輯

3 結束語

通過對Solar T60 型燃氣輪機喘振故障的原因分析、故障排查和排除，總結并找出了適合結構和邏輯控制復雜、自動化程度高的燃氣輪機較為科學的故障排除方法；明確了人機界面和邏輯控制的重要作用，拓寬了故障排除思路；能夠快速、準確和高效地解決燃氣輪機故障難題，快速恢復油田電力的供應，為油田穩定生產提供保障。一線維修人員應全面了解、掌握、熟悉燃氣輪機的系統、結構和控制邏輯，努力提高自身技能，為油田穩定生產做出貢獻。