基于Peak150控制的蒸汽透平典型故障分析及解決方案

劉海泉，林萬(wàn)洲，江敏

（1. 中國(guó)石油西南油氣田分公司，成都 610000；2. 西華師范大學(xué)電子信息工程學(xué)院，四川 南充 637002）

某天然氣凈化廠利用裝置余熱鍋爐自產(chǎn)的中壓過(guò)熱蒸汽（4.0 MPa，360 ℃）作為驅(qū)動(dòng)能源，驅(qū)動(dòng)蒸汽透平帶動(dòng)半貧砜胺液泵，將半貧砜胺液由尾氣處理單元輸送返回脫硫單元主吸收塔，以此完成砜胺液的循環(huán)。單列處理裝置共有2 臺(tái)半貧砜胺液泵，1 臺(tái)為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，1 臺(tái)為蒸汽透平驅(qū)動(dòng)，日常運(yùn)行透平驅(qū)動(dòng)泵，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置廢熱的再利用，透平驅(qū)動(dòng)泵聯(lián)鎖停機(jī)時(shí)系統(tǒng)可自動(dòng)切換至備用電機(jī)泵。半貧砜胺液泵的蒸汽透平為美國(guó)埃利奧特公司生產(chǎn)，額定功率796 kW，額定轉(zhuǎn)速2 980 r/min，搭配Woodward 公司生產(chǎn)的調(diào)速控制器Peak 150。Peak 150 作為蒸汽透平控制的重要組成部分，其可靠性直接決定蒸汽透平的運(yùn)行穩(wěn)定 性。

1 系統(tǒng)組成及控制功能

1.1 組成

透平調(diào)速系統(tǒng)由Peak 150 調(diào)速控制器（圖1）、轉(zhuǎn)速探頭、帶智能定位器的調(diào)速閥組成，如圖2 所示，其中Peak 150 是以微處理器為中心的數(shù)字調(diào)節(jié)器，主要用于控制一個(gè)智能閥的蒸汽透平機(jī)組。

1.2 控制功能

Peak 150 調(diào)速控制器是一種功能強(qiáng)大的可編程控制，可實(shí)現(xiàn)邏輯控制和回路控制兩種控制功能[1]。其內(nèi)部是以32 位Motorola 68332 20 MHz 微處理器為基礎(chǔ)的數(shù)字式調(diào)節(jié)器，采用手提式編程器，便于現(xiàn)場(chǎng)編程。Peak 150 使用的是模塊菜單式驅(qū)動(dòng)軟件，編程較為容易。具有多個(gè)I/O 接口，便于功能選擇[2]。

圖2 調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 The structure diagram of speed control system

1.2.1 邏輯控制實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)控制和聯(lián)鎖停機(jī)控制

當(dāng)蒸汽透平設(shè)為Peak 150 調(diào)速器自動(dòng)啟動(dòng)時(shí)，調(diào)速器按照設(shè)定的轉(zhuǎn)速升速程序（見(jiàn)圖3），從暖機(jī)轉(zhuǎn)速開始控制轉(zhuǎn)速，在不用人工干預(yù)的情況下，自動(dòng)升速到透平的額定運(yùn)行范圍。當(dāng)透平設(shè)為人工啟動(dòng)時(shí)，操作人員可通過(guò)Peak 150 調(diào)速器操作面板控制透平升速到指定轉(zhuǎn)速。

圖3 蒸汽透平的轉(zhuǎn)速變化線Fig.3 Steam turbine rotation speed curve

透平機(jī)組聯(lián)鎖停機(jī)保護(hù)控制包括超速停機(jī)保護(hù)、故障超馳保護(hù)和人工停機(jī)保護(hù)。超速停機(jī)保護(hù)是指在Peak 150 控制程序里設(shè)定了一個(gè)電超速轉(zhuǎn)速值，當(dāng)透平轉(zhuǎn)速由于某種原因超出正常的運(yùn)行范圍，急劇升高到這個(gè)值時(shí)，Peak 150 立即發(fā)出停機(jī)指令，防止透平出現(xiàn)飛車事故[3]；故障超馳保護(hù)是指當(dāng)Peak 150 在有效時(shí)間內(nèi)沒(méi)有檢測(cè)到超過(guò)最低轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)出的停機(jī)指令；人工停機(jī)保護(hù)指在異常情況下，操作人員可直接通過(guò)Peak 150 調(diào)速器操作面板的緊急停機(jī)按鈕停 機(jī)。

1.2.2 PID 回路控制

透平定速以后可投入PID 控制。如圖2 所示，轉(zhuǎn)速PID 控制器接收n1和n2兩個(gè)轉(zhuǎn)速信號(hào)，其中n1是現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)速探頭檢測(cè)到的轉(zhuǎn)速頻率信號(hào)，n2為轉(zhuǎn)速設(shè)定值。為確保轉(zhuǎn)速測(cè)量的可靠性，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置了2 個(gè)轉(zhuǎn)速探頭，HSS 高選器選擇正常的轉(zhuǎn)速頻率信號(hào)作為轉(zhuǎn)速PID 控制器的測(cè)量值。PID 控制根據(jù)n1和n2之間的差值進(jìn)行PID 運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果產(chǎn)生一個(gè)提供給帶智能定位器的調(diào)速閥4 ～ 20 mA 的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，使調(diào)速閥調(diào)節(jié)透平入口的蒸汽量，從而達(dá)到控制透平轉(zhuǎn)速的目的。

2 典型故障現(xiàn)象與解決方案

2.1 控制器復(fù)位后有轉(zhuǎn)速不能啟動(dòng)

當(dāng)透平啟動(dòng)時(shí)首先需對(duì)透平控制系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位，調(diào)速控制器Peak 150 輸出最小電流值4 mA，使對(duì)應(yīng)調(diào)速閥開度為0%。當(dāng)調(diào)速閥的閥座與閥芯之間存在間隙時(shí)，蒸汽經(jīng)過(guò)調(diào)速閥使透平在復(fù)位狀態(tài)下仍有600 ～ 800 r/min 的轉(zhuǎn)速，因此不符合透平啟動(dòng)的條件。

解決方案：要校驗(yàn)調(diào)速閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的連接部件，以確保在調(diào)用0%的執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置時(shí)透平能停機(jī)；當(dāng)調(diào)用 100%時(shí)可達(dá)到滿負(fù)荷，即控制器在沒(méi)有輸出信號(hào)或輸出最低電流4 mA 值時(shí)，調(diào)速閥仍然處于全關(guān)閉的狀態(tài)；當(dāng)輸出20 mA 時(shí)，調(diào)速閥全開。

2.2 啟機(jī)失敗

2.2.1 假失速導(dǎo)致啟機(jī)失敗

透平速度傳感器位于非驅(qū)動(dòng)端，為磁電式速度傳感器，共4 枚，用于監(jiān)測(cè)主軸轉(zhuǎn)速，見(jiàn)圖4。它是利用電磁感應(yīng)原理，在被測(cè)物體振動(dòng)時(shí)，傳感器內(nèi)固定在慣性質(zhì)量上的線圈切割磁力線，得到正比與振動(dòng)速度的電勢(shì)，該電勢(shì)通過(guò)放大器放大?？蓽y(cè)量被測(cè)物體的速度[4]。其中C2-1 位于正上方，信號(hào)接入就地轉(zhuǎn)速顯示器，不參與控制。C2-2，C2-3，C22 中的2枚傳感器探頭信號(hào)接入現(xiàn)場(chǎng)調(diào)速控制器和中控，2 選2 聯(lián)鎖，另1 枚探頭備用，未接線。

圖4 透平速度傳感器安裝示意圖Fig.4 Turbine speed sensor installation diagram

當(dāng)啟動(dòng)透平時(shí)，調(diào)速器面板上沒(méi)有速度顯示（轉(zhuǎn)速顯示0），但實(shí)際透平處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，造成假失速，調(diào)速器在有限時(shí)間內(nèi)無(wú)法獲得傳感器的速度值，觸發(fā)透平聯(lián)鎖停機(jī)。

解決方案：

（1）檢查速度傳感器的連接線是否牢固可靠，確保信號(hào)通道良好。汽輪機(jī)組應(yīng)選用高溫型傳感器、耐高溫電纜，以提高傳感器工作穩(wěn)定性[5]。

（2）檢查傳感器安裝是否到位。傳感器探頭與被檢測(cè)齒輪齒間隙要求為0.040 in（見(jiàn)圖5），其輸出電壓會(huì)受以下三個(gè)方面的影響：① 電壓隨著被監(jiān)測(cè)磁性材料表面速度的增加而增加；② 當(dāng)傳感器與齒輪齒面之間的間隙增大時(shí)，電壓減??；③ 電壓波形是由齒輪齒的尺寸和形狀、傳感器探頭桿件的尺寸和形狀所決定的。

圖5 傳感器探頭與被檢測(cè)齒輪齒間隙Fig.5 The gap between the probe of sensor and gear tested

（3）清潔磁電式傳感器探頭上的污垢，同時(shí)也要清潔透平齒輪上的污垢，確保檢測(cè)面的清潔。

（4）檢查到磁電式傳感器探頭的磁性較弱時(shí)，則需更換新的傳感器。

（5）測(cè)量速度傳感器是否有交流電壓值輸出，有輸出說(shuō)明傳感器工作正常。經(jīng)實(shí)測(cè)，安裝新的傳感器后，轉(zhuǎn)速越高，傳感器輸出電壓越高，見(jiàn)表1。

表1 轉(zhuǎn)速與交流電壓值及頻率表Table 1 Rotational speed and AC voltage and frequency

2.2.2 振動(dòng)超標(biāo)觸發(fā)聯(lián)鎖

透平在啟機(jī)過(guò)程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速升至臨界轉(zhuǎn)速區(qū)（1 500 ～ 1 800 r/min）附 近 時(shí)，時(shí) 常 觸 發(fā) 透 平驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)超標(biāo)聯(lián)鎖。該透平使用本特利內(nèi)華達(dá)3300XLNSV 電渦流振動(dòng)探頭，電渦流傳感器能測(cè)量被測(cè)物體（必須是金屬導(dǎo)體）與探頭端面的相對(duì)位置[6]。振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由探頭、前置器、延伸電纜、變送器組成，主要是在線監(jiān)測(cè)透平的軸位移量。兩枚振動(dòng)探頭互呈90°安裝，聯(lián)鎖值100 μm，以2 選2 的方式參與透平的振動(dòng)聯(lián)鎖功能。

解決方案：

（1） 調(diào)整振動(dòng)探頭與主軸之間的間距。3300XLNSV 電渦流振動(dòng)探頭與被測(cè)金屬導(dǎo)體的間距線性范圍為1.5 mm（0.25 ～ 1.75 mm，直流電壓約-13 ～ -1 V），實(shí)際應(yīng)用1 mm，通過(guò)微調(diào)傳感器使直流電壓在-10 ～ -9.5 V。

（2）檢測(cè)傳感器的直流阻抗值，通過(guò)查詢表2和表3 的數(shù)據(jù)表參數(shù)來(lái)判斷不同長(zhǎng)度傳感器的好壞。選擇延伸電纜的長(zhǎng)度，應(yīng)該使延伸電纜長(zhǎng)度加探頭電纜長(zhǎng)度，與配套前置器所要求的長(zhǎng)度一致（5 m 或9 m）[7]。

表2 探頭額定直流阻抗表Table 2 Probe DC resistance

表3 延伸電纜額定直流阻抗表Table 3 Extension cable DC resistance

（3）若以上對(duì)傳感器等儀表設(shè)施的檢查均為正常，則說(shuō)明振動(dòng)檢測(cè)性能良好，振動(dòng)超標(biāo)聯(lián)鎖的原因可能在透平的機(jī)械部分，需要檢查透平聯(lián)軸器是否對(duì)中，軸瓦有無(wú)磨損，轉(zhuǎn)子是否存在動(dòng)不平衡等問(wèn)題。

2.2.3 控制器組態(tài)參數(shù)設(shè)置不合理

透平在首次啟運(yùn)前Peak 150 調(diào)速控制器必須針對(duì)特定的透平用途進(jìn)行組態(tài)，組態(tài)菜單項(xiàng)目共計(jì)21項(xiàng)。當(dāng)組態(tài)不合理時(shí)，就會(huì)影響透平的正常啟運(yùn)，在實(shí)際組態(tài)中遇到的典型問(wèn)題和處理方式如下：

（1）故障超馳轉(zhuǎn)速未在有限時(shí)間內(nèi)超過(guò)最低轉(zhuǎn)速而停機(jī)

超馳控制是把生產(chǎn)過(guò)程中的限制條件所構(gòu)成的邏輯關(guān)系，疊加到正常的自動(dòng)控制系統(tǒng)上去的一種組合控制方法，也就是系統(tǒng)中設(shè)有兩個(gè)或兩個(gè)以上的控制器，通過(guò)（高、低值）選擇器選出能適應(yīng)生產(chǎn)安全狀況的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的自控控制[8]。

為啟動(dòng)透平，MPU 信號(hào)故障停機(jī)作用被自動(dòng)超馳，只要透平在啟動(dòng)所需的最大時(shí)間（Max Starting Time）內(nèi)超過(guò)最低轉(zhuǎn)速200 r/min，超馳功能就自動(dòng)取消，否則透平將因轉(zhuǎn)速信號(hào)丟失而聯(lián)鎖停機(jī)。通過(guò)故障超馳菜單中的參數(shù)（見(jiàn)表4），根據(jù)公式PRM=（Hz×60/齒數(shù)）計(jì)算出MPUs（MPU#1、MPU#2），將輸入頻率轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速。修改值是修改后的組態(tài)參數(shù)，將修改值300 Hz 代入該公式得出轉(zhuǎn)速600 r/min，大于200 r/min，由于暖機(jī)/下限轉(zhuǎn)速設(shè)置為500 r/min，透平很快由600 r/min 下降至500 r/min，因此將檢測(cè)速度的啟動(dòng)最大時(shí)間由240 s 縮短為15 s。該菜單組態(tài)后，順利啟動(dòng)透平至暖機(jī)轉(zhuǎn)速500 r/min的階段。

表4 故障超馳菜單表Table 4 Failed MPU override menu

（2）透平無(wú)法遠(yuǎn)程調(diào)速

正常情況下，當(dāng)透平轉(zhuǎn)速到達(dá)2 550 r/min 時(shí)，調(diào)速器將轉(zhuǎn)速信號(hào)傳輸至DCS 系統(tǒng)開啟遠(yuǎn)程調(diào)速模式（此時(shí)操作面板RMT 啟用LED 燈由閃爍變?yōu)槌Ａ粒蒁CS 系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速2 550 r/min 至3 100 r/min之間進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)，此遠(yuǎn)程調(diào)速范圍已在速度設(shè)置菜單中完成組態(tài)。若遠(yuǎn)程控制菜單參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤，將導(dǎo)致透平出現(xiàn)能就地人工調(diào)速而不能遠(yuǎn)程調(diào)速的結(jié)果，設(shè)置參數(shù)詳見(jiàn)表5。

表5 遠(yuǎn)程控制的整定菜單Table 5 Remote setting menu

Remote-Not Matched Rate 表示當(dāng)遠(yuǎn)程控制信號(hào)與轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)不匹配時(shí)，轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)以此速率變化，但只在遠(yuǎn)程模式下才起作用；Remote Rate-Max 表示當(dāng)遠(yuǎn)程控制信號(hào)與就地給定值一致，遠(yuǎn)程模式起作用時(shí)，給定值就以此速率變化。由于此兩項(xiàng)變速率設(shè)置成0，使調(diào)速器的遠(yuǎn)程控制給定信號(hào)與透平的轉(zhuǎn)速不匹配，調(diào)速器至調(diào)速閥的信號(hào)保持不變，失去遠(yuǎn)程調(diào)速的功 能。

為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)透平進(jìn)行穩(wěn)定的調(diào)速操作，對(duì)Remote-Not Matched Rate 與Remote Rate-Max 的參數(shù)值由0 修改為5 r·min-1·s-1，使調(diào)速器對(duì)來(lái)自DCS信號(hào)與透平的轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行PID 運(yùn)算，產(chǎn)生的偏差信號(hào)去控制調(diào)速閥的開度，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)速功能。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)Peak 150 調(diào)速控制系統(tǒng)的組成和控制原理的深入了解，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的不同的故障現(xiàn)象，對(duì)振動(dòng)探頭、速度傳感器、調(diào)速器組態(tài)參數(shù)等進(jìn)行調(diào)整，并采取了一系列其他解決措施，使蒸汽透平恢復(fù)安全、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行，為同類設(shè)備的維護(hù)提供了一定的借鑒意義。透平的正常投用實(shí)現(xiàn)了對(duì)廢熱的充分利用，單臺(tái)透平每年可節(jié)約電費(fèi)300萬(wàn)元以上，經(jīng)濟(jì)效益顯著。