海洋平臺發(fā)電機組柴油機游車故障排查與改進措施

0 引言

某海洋石油平臺主電站配備了3臺柴油發(fā)電機組，均由KTA19-G3（M型康明斯柴油機和HCM534D1型船用三相交流無刷同步發(fā)電機配套組成。整個主電站為中線不接地絕緣系統(tǒng)，3臺柴油發(fā)電機組及其輔助系統(tǒng)安裝在下層甲板的主發(fā)電機間，發(fā)電機組的配電系統(tǒng)安裝在主開關(guān)間，為平臺上的各種設(shè)施和設(shè)備提供持續(xù)穩(wěn)定的電力資源。

1故障現(xiàn)象

某海洋石油平臺主電站第2臺柴油發(fā)電機組（簡稱主機B）帶載功率為150kW。主機B進行常規(guī)保養(yǎng)運行7d后，其柴油機突然發(fā)生游車故障。柴油機游車是指柴油機在運轉(zhuǎn)過程中，不能隨著負荷的變化自動調(diào)節(jié)循環(huán)供油量，其轉(zhuǎn)速忽高忽低、運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定的故障。

該柴油機發(fā)生游車故障后，造成平臺電網(wǎng)波動、主機B主斷路器保護跳閘，導(dǎo)致平臺主電站失電。平臺主電站失電后，操縱主機B繼續(xù)試運行，帶載功率為 0kW 發(fā)電機頻率在 48～52Hz 范圍內(nèi)波動。每次檢修后，主機B均可啟動并正常帶載運行，但是啟動運行7＼～10d后，該柴油機仍然發(fā)生游車故障。

2故障排查方法

分析認為，柴油機發(fā)生游車故障的一般原因，是其電控系統(tǒng)或者燃油供給系統(tǒng)出現(xiàn)故障。柴油機游車故障的排查，要結(jié)合工作經(jīng)驗和實際情況，從與電控系統(tǒng)或者燃油供給系統(tǒng)相關(guān)的各個方面，按照由外到內(nèi)、從簡單到復(fù)雜的順序，從柴油機外觀、平臺負載、電控系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)以及充電裝置等方面逐一進行排查，以節(jié)約時間和提高效率。

3故障排查過程

3.1柴油機外觀排查

柴油機出現(xiàn)游車時，檢查其外觀良好，無變形和受外力撞擊現(xiàn)象；噪聲和振動有所增加，但無敲缸聲音；柴油機潤滑油液位和水溫正常；機體無油漬、水漬等異常液體殘留。發(fā)電機組保持運行狀態(tài)時，在柴油機PT泵的進油管接頭處涂抹潤滑油，潤滑油未被吸進進油管，表明進油管密封良好、沒有空氣進入[2。停機后檢查柴油機進排氣管道連接緊密，無松動和破損，電控線路沒有老化、短路、接頭松動現(xiàn)象。

3.2平臺負載排查

該石油平臺負載包括平臺生產(chǎn)設(shè)施、公用機械、照明系統(tǒng)、電熱系統(tǒng)、廚房用電設(shè)備和洗衣設(shè)備等。排查平臺負載時，平臺的生產(chǎn)流程穩(wěn)定，負載變化為30kW左右。發(fā)電機組的額定功率為 350kW ，負載變化只占發(fā)電機組額定功率的 8.6% ，遠小于發(fā)電機組 80% 的突然加卸載能力。且主機B的帶載功率為 150kW ，帶載率為額定功率的 43% ，屬于輕載運行。根據(jù)理論數(shù)值和發(fā)電機組實際運行工況， 8.6% 的負載變化和 43% 的輕載運行均不會引起柴油機發(fā)生游車故障。

3.3電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和故障排查

3.3.1 電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

柴油機機旁儀表箱（LOCALPANEL）和現(xiàn)場控制盤（CONTROLPANEL）共同組成電控系統(tǒng)。機旁儀表箱上設(shè)有燃油壓力表、潤滑油壓力表、水溫表、油溫表、轉(zhuǎn)速表、排溫表、機旁/遙控開關(guān)、起動／停機及緊急停機按鈕，均屬于柴油機機帶設(shè)備。

現(xiàn)場控制盤內(nèi)配置可編程邏輯控制器（PLC），面板上設(shè)有電壓表，電流表，頻率表等交流儀表，以及顯示發(fā)電機組工作狀態(tài)與報警的指示燈，控制發(fā)電機組的啟動、停機、試燈、消音、復(fù)位等按鈕。現(xiàn)場控制盤的主要功能包括發(fā)電機組自動啟停、故障報警停機、蓄電池充電和油水加熱控制等幾個部分，與柴油機、發(fā)電機、配電盤和中央控制室連接，是發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測和現(xiàn)場控制的核心。

現(xiàn)場控制盤接收發(fā)電機組停機、發(fā)電機電壓和柴油機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號，經(jīng)過轉(zhuǎn)換處理，將停機、調(diào)速和調(diào)壓信號，分別給到柴油機機旁儀表箱和發(fā)電機自動電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)（AVR），實現(xiàn)發(fā)電機組停機、柴油機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)功能。發(fā)電機組電氣控制系統(tǒng)如圖1所示。

3.3.2 故障排查

當柴油機發(fā)生游車故障、主機B主斷路器保護跳閘后，發(fā)電機組繼續(xù)運行，機旁儀表箱上的燃油壓力表、潤滑油壓力表、轉(zhuǎn)速表隨著柴油機轉(zhuǎn)速有規(guī)律的變化?，F(xiàn)場控制盤上的電流表為零，電壓表、頻率表同樣隨著柴油機轉(zhuǎn)速有規(guī)律的變化，蜂鳴器報警，警示燈閃爍。

進行發(fā)電機組功能測試時，柴油機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)失去速度調(diào)節(jié)功能，發(fā)電機自動電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)可正常工作。手觸中控室發(fā)電機組停機信號，發(fā)電機組立即停機且報警消失。經(jīng)過多次測量和試驗，可以斷定，發(fā)電機組電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)、輔助控制信號和中控室停機信號運行正常。雖然柴油機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)不能正常工作，但是仍然沒有找到游車故障的確切原因。

3.4燃油供給系統(tǒng)排查

3.4.1排查柴油質(zhì)量

由供給船將柴油注入到海洋石油平臺的柴油儲存柜中，柴油儲存柜中的柴油經(jīng)雙聯(lián)濾清器給日用柴油箱自動供油。柴油機燃燒后的剩余柴油，經(jīng)回流管線回流至日用柴油箱。發(fā)生游車故障時，對日用柴油箱底層和進入發(fā)電機組柴油管路的柴油取樣，發(fā)現(xiàn)油樣清澈透明、無懸浮物、無鐵屑和油泥等雜質(zhì)，3臺發(fā)電機組共用一個日用柴油箱和一段供油管路，主機A、C正常運行，由此可以確定柴油沒有受到污染。

3.4.2排查主要部件

KTA19-G3（M）型柴油機燃油供給系統(tǒng)由輸油泵、燃油濾清器、PT泵、噴油器和燃油管路等組成，采用康明斯PT直噴燃油和先進的EFC電子調(diào)速器系統(tǒng)。PT泵與其他燃油泵不同，其油量調(diào)節(jié)在PT泵中進行，燃油產(chǎn)生高壓和定時噴射在噴油器中完成，無高壓油管，各噴油器與同一PT泵相連[3]。EFC電子調(diào)速器系統(tǒng)包括安裝在柴油機飛輪殼上的轉(zhuǎn)速傳感器、安裝在PT泵上的執(zhí)行器和安裝在遙控盤上的控制器3部分。

隨著時間的推移，游車故障發(fā)生次數(shù)增加，故障排查按照由外到內(nèi)、由簡單到復(fù)雜的順序，依次更換了燃油供給系統(tǒng)的燃油濾器、轉(zhuǎn)速傳感器、PT泵、控制器以及連接的管路和線纜，但是故障現(xiàn)象仍然存在[4]。

3.5充電裝置排查

3.5.1充電裝置結(jié)構(gòu)

KTA19-G3（M）型柴油機配備了1組24V蓄電池。當柴油機啟動時，蓄電池為啟動電動機提供電流，使柴油機順利啟動。啟動完成后，蓄電池擔(dān)負著為控制系統(tǒng)存儲電能和穩(wěn)定系統(tǒng)電壓的作用。柴油機正常運轉(zhuǎn)時，其充電裝置（康明斯無刷發(fā)電機24V/35A）為蓄電池充電，同時為電控系統(tǒng)提供24V電源。

3.5.2 故障排查

查閱主機B運行記錄，得知每次游車故障間隔周期為7d左右。更換新蓄電池后，游車故障間隔周期變?yōu)?0d左右。這說明游車故障發(fā)生的間隔與更換蓄電池有關(guān)。分析認為，如果柴油機的充電裝置損壞，在發(fā)電機組運行過程中，蓄電池持續(xù)放電卻得不到充電，電控系統(tǒng)的電壓會持續(xù)降低；當電壓過低時，調(diào)速系統(tǒng)無法正常工作，會導(dǎo)致柴油機游車。

啟動主機B，連續(xù)不斷地檢測蓄電池電壓，發(fā)現(xiàn)隨著主機B的運行，蓄電池電壓由剛啟機時的24.5V逐漸降低。經(jīng)過2d時間，當蓄電池電壓降低到22V時將負載轉(zhuǎn)移給主機A，然后手動停止主機B。主機B停機后更換新的康明斯24V無刷發(fā)電機，啟機前測量蓄電池電壓為26V，啟動主機B并帶載運行，柴油機游車故障消失。

通過查找《康明斯查閱故障排除圖表》，發(fā)現(xiàn)在24V系統(tǒng)中，當電壓低于19V時，會造成電子調(diào)速器故障、導(dǎo)致柴油機游車，故障分析得到了印證。

4改進措施

4.1 優(yōu)化充電流程

4.1.1現(xiàn)場控制盤24V充電器充電原理

現(xiàn)場控制盤配有一個24V充電器，當發(fā)電機組停機后，現(xiàn)場控制盤的24V充電器給蓄電池充電；當發(fā)電機組啟動和發(fā)電機運行時，220V電源斷開，現(xiàn)場控制盤的24V充電器停止運行?，F(xiàn)場控制盤的24V充電器充電原理如圖2所示。

根據(jù)圖2分析，交流220V電源經(jīng)過開關(guān)Q3，接到接觸器RA3主觸點，經(jīng)RA3主觸點后再接入24V充電器。現(xiàn)場控制盤的24V充電器出口電源線直接連接到柴油機24V蓄電池組。K1為發(fā)電機組啟動狀態(tài)繼電器，K17為發(fā)電機組運行狀態(tài)繼電器，KC1為充電器報警繼電器。

當發(fā)電機組停止運行時，K1和K17繼電器常閉觸點閉合，接觸器RA3線圈得電，RA3主觸點閉合，現(xiàn)場控制盤的24V充電器給蓄電池充電；當發(fā)電機組啟動和運行時，K1和K17繼電器常閉觸點斷開，RA3主觸點斷開，現(xiàn)場控制盤的24V充電器停止給蓄電池充電。

4.1.2柴油機充電裝置損壞難以發(fā)現(xiàn)的原因

柴油機的24V充電裝置損壞后，在發(fā)電機組運行過程中，燃油和電控系統(tǒng)持續(xù)消耗蓄電池電能，蓄電池持續(xù)放電，電壓逐漸下降。當電壓低于19V時，引起電子調(diào)速器故障而導(dǎo)致柴油機游車。當柴油機因游車故障停機后，現(xiàn)場控制盤的24V充電器得電，開始給蓄電池充電。隨著檢修時長的增加，蓄電池電能儲量逐漸恢復(fù)，為下一次正常啟動做好了準備，同時也掩蓋了柴油機的24V充電裝置損壞導(dǎo)致蓄電池電壓降低的問題。

4.1.3優(yōu)化充電流程的方法

通過對上述充電原理進行解讀，發(fā)現(xiàn)拆除損壞的柴油機24V充電裝置、短接K17繼電器常閉觸點、在現(xiàn)場控制盤的24V充電器處增加報警繼電器KC1后，在發(fā)電機組啟動時，現(xiàn)場控制盤的24V充電器停止工作。在發(fā)電機組運行時，現(xiàn)場控制盤的24V充電器保持給蓄電池充電，補充電控系統(tǒng)的電能損耗。在現(xiàn)場控制盤的24V充電器發(fā)生故障時，KC1常閉觸點閉合，發(fā)出聲光報警。這樣優(yōu)化蓄電池充電流程，可直接判斷故障，且節(jié)省維修費用。

4.2更新控制設(shè)備

4.2.1現(xiàn)有控制設(shè)備的缺陷

平臺電站主要由柴油發(fā)電機組、現(xiàn)場控制盤、供配電系統(tǒng)和中控系統(tǒng)組成，各部分由不同的廠家生產(chǎn)，各廠家的控制理念不同。為實現(xiàn)更多功能，各部分需要相互連接，協(xié)同工作。復(fù)雜的連接關(guān)系導(dǎo)致出現(xiàn)一個故障時，需要在不同工況下，進行全系統(tǒng)排查。柴油機機旁儀表箱和現(xiàn)場控制盤沒有蓄電池電壓表，現(xiàn)場控制盤沒有單獨的蓄電池低電壓報警，故障報警信息沒有被記錄，對非自身部分沒有有效監(jiān)控，導(dǎo)致增加故障排查難度。

4.2.2控制設(shè)備更新方法

更換新一代可編程邏輯控制器（PLC），增加觸摸屏，可實現(xiàn)人機交互。根據(jù)原PLC程序和各系統(tǒng)的連接關(guān)系，重新編寫PLC程序，對觸摸屏組態(tài)。通過更新控制設(shè)備，實現(xiàn)了發(fā)電機組運行狀態(tài)實時監(jiān)控和故障報警實時記錄。

5結(jié)束語

啟動馬達運行正常，發(fā)電機組能夠啟動，說明蓄電池組不會發(fā)生饋電或者電壓過低，這種慣性思維，對工作人員排查柴油機游車故障產(chǎn)生了很大的誤區(qū)，是故障沒有及時排除的一個重要原因。雖然最后柴油機游車故障排除比較容易，但希望這種由易到難的故障排查思路和過程，以及對故障原因進行的分析和印證，能對同類柴油機游車故障的快速排查提供借鑒。監(jiān)控系統(tǒng)的報警信息是故障定位的重要線索[5]，引進先進控制設(shè)備，加強系統(tǒng)融合，鎖定報警信息，在增加系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時能夠提高故障排查效率。

參考文獻

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[5]張潔，褚威威，李仕煒.柴油機調(diào)速系統(tǒng)典型故障案例分析[J].中國修船，2022（10）：35-39.