氮?dú)鈮嚎s機(jī)透平轉(zhuǎn)速波動(dòng)原因分析及應(yīng)對(duì)措施

毛大軍

（呼倫貝爾金新化工有限公司，內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021506）

0 引 言

呼倫貝爾金新化工有限公司“50·80”項(xiàng)目（500kt／a合成氨、800kt／a尿素）配套36000 m3／h空分裝置是公用工程中的重要單元，不僅為全廠提供儀表空氣、工廠空氣，而且肩負(fù)著為下游生產(chǎn)系統(tǒng)提供合格氧氣和氮?dú)獾闹厝巍Ｉa(chǎn)系統(tǒng)所用氮?dú)庵饕譃榈蛪旱獨(dú)夂椭袎旱獨(dú)?，正常情況下直接從空分精餾塔下塔頂部抽一股低壓氮?dú)?，?jīng)高壓主換熱器復(fù)熱后，再經(jīng)低壓氮?dú)夤芫W(wǎng)送至下游系統(tǒng)；當(dāng)外界使用低壓氮?dú)獾牧枯^大時(shí)，中壓氮?dú)馔ㄟ^(guò)減壓閥為低壓氮?dú)夤芫W(wǎng)自動(dòng)補(bǔ)充部分低壓氮?dú)狻?/p>

從精餾塔下塔頂部抽出的氮?dú)膺M(jìn)入過(guò)冷器，分別經(jīng)高壓主換熱器和低壓主換熱器復(fù)熱后，送至離心式氮?dú)鈮嚎s機(jī)（簡(jiǎn)稱氮壓機(jī)）入口，由氮壓機(jī)升壓至3.7MPa后送出（主要用作原料及催化劑保護(hù)、置換氣等）。氮壓機(jī)由汽輪機(jī)（透平）、低壓缸、高壓缸、齒輪箱組成，汽輪機(jī)為凝汽式 （由杭州汽輪機(jī)股份有限公司制造）。氮壓機(jī)透平-壓縮機(jī)綜合控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱ITCC），選用美國(guó)TRICONEX 公司的TRICON TS3000控制器對(duì)機(jī)組進(jìn)行控制和保護(hù)。

1 氮壓機(jī)透平轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)原理

氮壓機(jī)透平上共有6支磁感應(yīng)轉(zhuǎn)速探頭（如圖1），3支進(jìn)ProTech203超速保護(hù)系統(tǒng)，專門用于氮壓機(jī)超速保護(hù)；另外3支探頭進(jìn)入ITCC控制系統(tǒng)參與轉(zhuǎn)速控制。參與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的3個(gè)信號(hào)，SE01662和SE01663直接進(jìn)入ITCC控制系統(tǒng)的脈沖卡件；SE01661則先經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)速表，由現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)速表轉(zhuǎn)換成4～20mA模擬量信號(hào)后再送至ITCC控制系統(tǒng)，同另外2支探頭（SE01662和SE01663）轉(zhuǎn)速信號(hào)一起選取中值參與汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，與目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)定值比較，然后由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模塊運(yùn)算后輸出相應(yīng)的電流信號(hào)?，F(xiàn)場(chǎng)電液轉(zhuǎn)換器接收到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的電流信號(hào)后，將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的油壓信號(hào)，控制油動(dòng)機(jī)油缸內(nèi)的活塞動(dòng)作，再通過(guò)杠桿系統(tǒng)操縱調(diào)節(jié)汽閥的開(kāi)度，從而控制汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速。

圖1 氮壓機(jī)透平轉(zhuǎn)速探頭分布示意圖

1.1 電液轉(zhuǎn)換器的工作原理

電液轉(zhuǎn)換器由福伊特公司生產(chǎn)，采用24V直流電，由電磁控制部分和液壓部分組成。4～20mA的給定電流信號(hào)在控制磁體中產(chǎn)生一個(gè)磁力，經(jīng)推桿傳遞給控制活塞，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的液壓信號(hào)作為反饋值，用來(lái)控制汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽閥的閥位。

電磁控制體向控制活塞提供磁力FMag，然后又抵消由輸出油壓A通過(guò)控制活塞中心通孔而產(chǎn)生的液壓力FHydr。執(zhí)行器的輸出油路一直擁有所需的油壓和油量，從而精確控制調(diào)節(jié)汽閥的閥位。

氮壓機(jī)組上使用的電液轉(zhuǎn)換器型號(hào)為DSGB07112，帶手動(dòng)旋鈕，其設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。在無(wú)電的情況下，彈性擋圈從旋鈕上去掉后可由手動(dòng)控制旋鈕來(lái)操作，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)輸出壓力增加。W＝4mA分壓計(jì)X0和W＝20mA分壓計(jì)X1分別用于最小輸出壓力和最大輸出壓力的調(diào)整。

表1電液轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 調(diào)節(jié)汽閥的工作原理

調(diào)節(jié)汽閥的作用是按照控制單元的指令改變進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽流量，以使機(jī)組受控參數(shù)（功率或轉(zhuǎn)速、進(jìn)汽壓力、背壓等）符合運(yùn)行要求。調(diào)節(jié)汽閥主要由調(diào)節(jié)閥、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和油動(dòng)機(jī)三部分組成。其中，調(diào)節(jié)閥包括閥桿、閥梁、閥碟及閥座等；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由支架和杠桿組成；油動(dòng)機(jī)為斷流雙作用往復(fù)式，主要由油缸、錯(cuò)油門、連接體和反饋機(jī)構(gòu)組成，是調(diào)節(jié)汽閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它將電液轉(zhuǎn)換器輸入的二次油壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為有足夠做功能力的行程輸出，以操縱調(diào)節(jié)閥，控制汽輪機(jī)進(jìn)汽量。

1.3 調(diào)速系統(tǒng)液壓控制原理

調(diào)速系統(tǒng)液壓控制原理如圖2。電液轉(zhuǎn)換器將4～20mA的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成0.15～0.45MPa的二次油壓信號(hào)后，液壓油經(jīng)單向節(jié)流閥節(jié)流后進(jìn)入油動(dòng)機(jī)錯(cuò)油門，油的流向由錯(cuò)油門滑閥控制；在穩(wěn)定工況下，滑閥下端的二次油作用力與上端的彈簧力相平衡，使滑閥處在中間位置，滑閥凸肩正好將中間套筒的油口封住，油缸的進(jìn)、出油路均被阻斷，此時(shí)油缸活塞不動(dòng)作，調(diào)節(jié)汽閥的開(kāi)度保持不變。當(dāng)工況發(fā)生變化，比如出現(xiàn)轉(zhuǎn)速降低或升高時(shí)，二次油壓C將升高或降低，滑閥的受力平衡改變使滑閥上移或下移，于是，在動(dòng)力油P通往油缸活塞上腔的油口被打開(kāi)的同時(shí)，活塞下腔或上腔與回油口T接通，因此活塞下行或上行，使調(diào)節(jié)汽閥開(kāi)度增大或減小，進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽流量增加或減少，機(jī)組轉(zhuǎn)速增大或降低；同時(shí)，隨著活塞的下行或上行，通過(guò)反饋杠桿的動(dòng)作使錯(cuò)油門彈簧的工作負(fù)荷增大或減小，當(dāng)作用在滑閥上的二次油壓力與彈簧力達(dá)到新的平衡時(shí)，滑閥又恢復(fù)至中間位置，機(jī)組也就在新的工況下穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 調(diào)速系統(tǒng)液壓控制原理示意圖

2 氮壓機(jī)透平（汽輪機(jī)）轉(zhuǎn)速大幅波動(dòng)事故簡(jiǎn)況

2013年10月20日09：05，氮壓機(jī)開(kāi)車，在1000r／min和4650r／min升速暖機(jī)時(shí)，調(diào)節(jié)汽閥開(kāi)度均在40%左右；升速完成后，汽輪機(jī)進(jìn)入正常工作轉(zhuǎn)速，當(dāng)日16：00左右，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)大幅波動(dòng)，波動(dòng)幅度超過(guò)1000r／min，調(diào)節(jié)汽閥開(kāi)度在15% ～73%之間大幅波動(dòng)；隨后主控（人員）采取了緊急停車，現(xiàn)場(chǎng)人員檢查發(fā)現(xiàn)，就地儀表盤上的二次油壓未出現(xiàn)波動(dòng)的情況下調(diào)節(jié)汽閥的開(kāi)度卻在不斷地變化。

3 氮壓機(jī)透平轉(zhuǎn)速波動(dòng)原因分析及排查

3.1 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)的常見(jiàn)原因

（1）油路系統(tǒng)方面。主油泵打量不足而控制油壓力較低，且輔油泵未自啟動(dòng)；回油管線有壓力，蓄能器未正常投用；潤(rùn)滑油、控制油管線較臟，潤(rùn)滑油、控制油不潔凈使控制油路（管線）堵塞而油壓不穩(wěn)定。以上原因均可能引起汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)。

（2）蒸汽系統(tǒng)方面。高壓蒸汽管網(wǎng)設(shè)計(jì)壓力9.3MPa、溫度525℃，高壓蒸汽管網(wǎng)必須提供足夠的蒸汽流量來(lái)保證氮壓機(jī)的運(yùn)行，否則會(huì)引起汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)。

（3）工藝氣量波動(dòng)。實(shí)際生產(chǎn)中，氮壓機(jī)四段出口壓力放空調(diào)節(jié)閥（PV01659）閥位如果出現(xiàn)大幅波動(dòng)，或者空分冷箱送至氮壓機(jī)入口的氮?dú)饬髁砍霈F(xiàn)大幅波動(dòng)，以及氮壓機(jī)送外界的中壓氮?dú)饬髁砍霈F(xiàn)大幅波動(dòng)，均可能引起汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)。

（4）電液轉(zhuǎn)換器故障。電液轉(zhuǎn)換器工作時(shí)供電不足；或者電液轉(zhuǎn)換器控制電流擾動(dòng)；或者液壓部件進(jìn)入了空氣、灰塵、顆粒等，被污染的壓力流體引起控制活塞處摩擦增大，出現(xiàn)動(dòng)作滯后現(xiàn)象及壓力的變化，導(dǎo)致二次油壓不穩(wěn)定，輸出壓力出現(xiàn)巨大波動(dòng)。以上原因均可能引起汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速大幅波動(dòng)。

（5）ITCC控制系統(tǒng)方面?？刂葡到y(tǒng)自身方面的原因如控制器出現(xiàn)故障、脈沖卡件異常，或汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的PID參數(shù)設(shè)置不正確、控制不穩(wěn)定，將導(dǎo)致調(diào)節(jié)汽閥開(kāi)度波動(dòng)，進(jìn)而引起汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大。

（6）轉(zhuǎn)速探頭故障。汽輪機(jī)上3支進(jìn)入ITCC控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速探頭 （SE01661／01662／01663）若出現(xiàn)了故障，致轉(zhuǎn)速測(cè)量不準(zhǔn)確，就會(huì)誤導(dǎo)ITCC系統(tǒng)的控制，從而導(dǎo)致調(diào)節(jié)汽閥開(kāi)度波動(dòng)較大，不能穩(wěn)定控制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速。

（7）機(jī)械松動(dòng)。調(diào)節(jié)汽閥上的反饋杠桿、調(diào)節(jié)螺釘、杠桿等松動(dòng)，或這些連接處的間隙變大，將導(dǎo)致調(diào)節(jié)汽閥動(dòng)作不靈敏，引起汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)。

（8）調(diào)試方面。停車檢修后，未對(duì)調(diào)節(jié)汽閥的行程做靜態(tài)調(diào)試，可能導(dǎo)致調(diào)節(jié)汽閥開(kāi)度與控制系統(tǒng)上的輸出值不對(duì)應(yīng)，或者出現(xiàn)調(diào)節(jié)汽閥動(dòng)作不順暢等問(wèn)題，引起汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)。

（9）單向節(jié)流閥油路不暢。單向節(jié)流閥實(shí)際上是由節(jié)流閥和單向閥并聯(lián)在一起組合而成的復(fù)合閥，主要由閥芯、閥體、閥體蓋、螺紋桿、手輪、彈簧和絲堵組成，其節(jié)流面積的大小是靠手輪來(lái)調(diào)整的，如果調(diào)整不合適，或者單向節(jié)流閥安裝方向不正確，將會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入油動(dòng)機(jī)的二次油壓不穩(wěn)定或者回油不暢，進(jìn)而引起汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)。

3.2 排查過(guò)程

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)波動(dòng)后，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行了仔細(xì)檢查，并結(jié)合ITCC畫面上各儀表測(cè)點(diǎn)的趨勢(shì)圖分析，潤(rùn)滑油泵出口壓力一直保持在1.05 MPa左右、油溫在40℃左右；控制油壓力正常，在0.87～0.92MPa之間；查看DCS操作畫面，高壓蒸汽的壓力、溫度無(wú)大的波動(dòng)，均屬正常，蒸汽流量也滿足要求；現(xiàn)場(chǎng)儀表盤上的示數(shù)，油壓和蒸汽流量方面均無(wú)問(wèn)題。

2013年10月20日氮壓機(jī)開(kāi)車，機(jī)組轉(zhuǎn)速升至6500r／min時(shí)，防喘振閥（FV01657）開(kāi)度25%，放空閥（PV01659）開(kāi)度在60%左右，氮壓機(jī)一段入口壓力106kPa（A）、出口壓力3.7 MPa，當(dāng)時(shí)各裝置處于大修期間，外界氮?dú)庥昧糠浅Ｉ?，由此排除了因工況波動(dòng)而致汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)的可能。

ITCC機(jī)柜內(nèi)的硬件設(shè)備運(yùn)行正常，無(wú)任何報(bào)警信號(hào)，轉(zhuǎn)速控制的參數(shù)設(shè)置也沒(méi)有問(wèn)題，控制系統(tǒng)輸出閥位與現(xiàn)場(chǎng)二次表油壓示數(shù)吻合，電液轉(zhuǎn)換器無(wú)問(wèn)題。從現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)速表和ITCC操作界面上看到的3支探頭轉(zhuǎn)速及ProTech203超速保護(hù)系統(tǒng)上顯示的3支探頭轉(zhuǎn)速來(lái)看，6支轉(zhuǎn)速探頭的測(cè)量值均相同，表明轉(zhuǎn)速探頭無(wú)問(wèn)題，轉(zhuǎn)速為真實(shí)值。

在檢查現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的同時(shí)，充分調(diào)取了之前的開(kāi)車數(shù)據(jù)：氮壓機(jī)在1000r／min升速暖機(jī)時(shí)調(diào)節(jié)汽閥開(kāi)度在20%左右，在4650r／min升速暖機(jī)時(shí)調(diào)節(jié)汽閥開(kāi)度在40%左右；從2013年10月20日氮壓機(jī)的開(kāi)車情況來(lái)看，氮壓機(jī)在1000 r／min和4650r／min暖機(jī)時(shí)，調(diào)節(jié)汽閥開(kāi)度基本上均在40%左右，但有一段時(shí)間ITCC系統(tǒng)輸出至調(diào)節(jié)汽閥開(kāi)度由40%降至24.05%，這表明氮壓機(jī)在開(kāi)車時(shí)就出現(xiàn)了異常。接下來(lái)的排查工作主要是檢查電液轉(zhuǎn)換器至油動(dòng)機(jī)二次油管線、調(diào)節(jié)汽閥等設(shè)備方面的問(wèn)題。

在工藝人員進(jìn)行緊急停車后，現(xiàn)場(chǎng)檢查二次油壓未出現(xiàn)波動(dòng)，調(diào)節(jié)汽閥上的各連接件未出現(xiàn)松動(dòng)、卡澀或間隙過(guò)大等問(wèn)題，但調(diào)節(jié)汽閥開(kāi)度在不斷地變化，存在二次油路回油不暢的問(wèn)題。從電液轉(zhuǎn)換器出來(lái)進(jìn)油動(dòng)機(jī)的二次油管線上只有一支單向節(jié)流閥，安裝在靠近油動(dòng)機(jī)錯(cuò)油門的二次油管路上，它既能控制液壓油只向一個(gè)方向流動(dòng)，又能控制液壓油流量的大小，以扼制、衰減二次油路中出現(xiàn)的壓力波動(dòng)，使錯(cuò)油門不受干擾地穩(wěn)定工作。單向節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)如圖3。當(dāng)液壓油從單向節(jié)流閥P1端孔進(jìn)入閥體內(nèi)時(shí)，流量受到限制，起到節(jié)流作用，流量的大小由手輪調(diào)節(jié)錐形閥芯與閥體間隙的大小來(lái)控制；當(dāng)液壓油從P2端孔進(jìn)入閥體內(nèi)時(shí)，在液壓油的作用下，閥芯壓彈簧下滑，此時(shí)閥芯位置不起節(jié)流作用，使液壓油不受節(jié)流閥限制而自由通過(guò)，只起單向閥作用。單向節(jié)流閥在此處的作用主要是穩(wěn)定進(jìn)入油動(dòng)機(jī)的二次油壓，而回油時(shí)讓油動(dòng)機(jī)內(nèi)的二次油快速返回。因此，單向節(jié)流閥的安裝方向非常重要，一旦裝反，不僅起不到應(yīng)有的作用，而且還會(huì)因進(jìn)油過(guò)快、回油受阻（當(dāng)電液轉(zhuǎn)換器的二次油自下而上進(jìn)入油動(dòng)機(jī)時(shí)，單向閥是打開(kāi)的，二次油將迅速進(jìn)入油動(dòng)機(jī)內(nèi)，根本起不到穩(wěn)定二次油壓的作用；而回油的時(shí)候，單向閥關(guān)閉，僅靠節(jié)流孔的流通面積來(lái)回油，回油速度將受到嚴(yán)重的影響，不利于快速減負(fù)荷），直接影響調(diào)節(jié)汽閥的動(dòng)作情況，造成汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)大幅波動(dòng)。

圖3 單向節(jié)流閥結(jié)構(gòu)示意圖

通過(guò)排查，最終確認(rèn)是現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)油動(dòng)機(jī)的二次油管線上單向節(jié)流閥裝反，導(dǎo)致油動(dòng)機(jī)的活塞不停地上下動(dòng)作，帶動(dòng)調(diào)節(jié)汽閥的閥桿一起動(dòng)作，從而造成汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的大幅波動(dòng)。

4 應(yīng)對(duì)措施

確認(rèn)進(jìn)油動(dòng)機(jī)的二次油管線上單向節(jié)流閥現(xiàn)場(chǎng)安裝方向不正確（裝反）后，調(diào)換單向節(jié)流閥的安裝方向，并按要求調(diào)整單向節(jié)流閥手動(dòng)旋鈕的開(kāi)度，使之符合油動(dòng)機(jī)的升程。同時(shí)，為了更好地監(jiān)控電液轉(zhuǎn)換器二次油壓的輸出情況，對(duì)二次油管線進(jìn)行了技改，即在單向節(jié)流閥后新增1塊二次油壓遠(yuǎn)傳壓力監(jiān)測(cè)儀表，儀表帶液晶顯示表頭，可在現(xiàn)場(chǎng)直接讀取二次油壓的準(zhǔn)確數(shù)值，并在ITCC畫面上添加了此二次油壓的趨勢(shì)記錄，從而可為快速、有針對(duì)性地解決有關(guān)問(wèn)題提供準(zhǔn)確的參考依據(jù)。

5 經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

（1）每次停車大修，需檢查氮壓機(jī)透平調(diào)節(jié)汽閥各連接杠桿、連接螺栓是否松動(dòng)，連接件的間隙是否變大等；開(kāi)車前，須對(duì)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽閥做靜態(tài)測(cè)試，通過(guò)ITCC控制系統(tǒng)中輸出的電流信號(hào)，檢查現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)汽閥開(kāi)度是否正確，并做好記錄；對(duì)調(diào)試中出現(xiàn)的問(wèn)題（如主控輸出信號(hào)與現(xiàn)場(chǎng)閥位不對(duì)應(yīng)，調(diào)節(jié)汽閥動(dòng)作不暢等）及時(shí)分析、及時(shí)處理，并重新調(diào)校至合格。

（2）要對(duì)每次氮壓機(jī)開(kāi)車汽輪機(jī)升速過(guò)程中的參數(shù)做好記錄，如果相較于之前開(kāi)車時(shí)的數(shù)據(jù)有較大變化，需加強(qiáng)分析，及時(shí)查找原因，將事故掐滅在萌芽狀態(tài)，避免損壞設(shè)備，確保系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）加強(qiáng)油系統(tǒng)的維護(hù)，定期清洗或維修油過(guò)濾器濾網(wǎng)，提高油系統(tǒng)的清潔度；在電液轉(zhuǎn)換器輸出油壓管線上增設(shè)遠(yuǎn)傳壓力監(jiān)測(cè)儀表后，在ITCC控制系統(tǒng)中直接調(diào)取其趨勢(shì)記錄，可以很方便地知道二次油壓是否存在波動(dòng)，有利于判斷電液轉(zhuǎn)換器工作是否正常，這對(duì)電液轉(zhuǎn)換器液壓部件的清洗也具有指導(dǎo)意義。

（4）現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)油動(dòng)機(jī)的二次油管線上一個(gè)看似簡(jiǎn)單的單向節(jié)流閥，其錯(cuò)誤安裝對(duì)設(shè)備造成如此大的影響，這提醒我們需在施工、檢修中的每一個(gè)環(huán)節(jié)認(rèn)真檢查、仔細(xì)確認(rèn)，不放過(guò)任何一個(gè)細(xì)節(jié)，這樣才能確保設(shè)備的良好運(yùn)行。