氣動(dòng)閥異常導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)故障分析

張海忠，王 濤，曹美杰，郭永鵬

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北唐山 063200）

引言

某鋼鐵企業(yè)采用燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組（CCPP）耦合低溫多效海水淡化裝置，形成了多介質(zhì)多梯級(jí)能源高效循環(huán)利用系統(tǒng)，其CCPP 工藝流程如圖1 所示。燃?xì)廨啓C(jī)采用日本三菱公司的M701S系列，額定負(fù)荷118 MW，燃料以低熱值的高爐煤氣為主，同時(shí)能夠摻燒焦?fàn)t煤氣，該機(jī)組采用分軸布置，靜態(tài)變頻（SFC）啟動(dòng)方式，聯(lián)合循環(huán)效率最高可達(dá)到47%。

圖1 燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組工藝流程

1 煤壓機(jī)系統(tǒng)組成及閥門控制原理

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本原理

燃機(jī)和煤壓機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以下時(shí)，因壓縮比在設(shè)計(jì)值以下，壓縮機(jī)內(nèi)的流量變少容易發(fā)生喘振［1-2］，為增加壓縮機(jī)流量，該機(jī)組的煤壓機(jī)分別設(shè)置了高壓（HP）、中壓（MP）和低壓（LP）三級(jí)抽氣，回流的煤氣經(jīng)過煤氣冷卻器后返回電除塵入口混合煤氣管道，工藝流程如圖2所示。

圖2 煤壓機(jī)三級(jí)抽氣回流工藝流程

燃機(jī)啟動(dòng)時(shí)三臺(tái)抽氣閥門保持常開，點(diǎn)火升速后至2 100 r/min 后開始關(guān)閉，到2 890 r/min 后完全關(guān)閉，低壓抽氣閥的閥位指令開度曲線見圖3（三臺(tái)抽氣閥開度曲線相同）。

圖3 煤壓機(jī)低壓抽氣閥開度［%］設(shè)定曲線

1.2 閥門控制原理

低壓抽氣閥門由三菱整套提供，采用日本橫川成套的氣動(dòng)蝶閥，煤壓機(jī)低壓抽氣閥控制原理如圖4 所示，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用了單作用氣缸，為氣關(guān)閥，可以實(shí)現(xiàn)快速打開和關(guān)閉的功能，同時(shí)利用電氣轉(zhuǎn)換器（E/P）和閥門定位器能夠?qū)崿F(xiàn)閥門行程連續(xù)控制。

圖4 煤壓機(jī)低壓抽氣閥控制原理圖

通過查閱運(yùn)行操作手冊(cè)及解讀控制程序邏輯說明書，燃機(jī)升速過程中閥門關(guān)閉的控制過程為：

（1）燃機(jī)轉(zhuǎn)速大于2 100 r/min 后，隨轉(zhuǎn)速上升，根據(jù)圖3 的開度指令曲線，氣轉(zhuǎn)換器E/P（801）通過閥門定位器（601）控制放大器（711）逐漸關(guān)閉。

（2）燃機(jī)轉(zhuǎn)速大于2 890 r/min 后，電磁閥B 勵(lì)磁，氣缸直接接入儀表氣源（0.5 MPa），確保閥門關(guān)閉并壓緊。

2 故障經(jīng)過及分析

在機(jī)組開機(jī)過程中，燃機(jī)點(diǎn)火后升速階段發(fā)生過兩次因煤壓機(jī)低壓抽氣閥異常關(guān)閉導(dǎo)致燃機(jī)啟動(dòng)失敗的故障。煤壓機(jī)低壓抽氣閥異常關(guān)閉信號(hào)連鎖停機(jī)的觸發(fā)條件為：燃機(jī)升速過程中轉(zhuǎn)速小于2 100 r/min，且該閥門開到位的限位開關(guān)狀態(tài)由1到0（開到位信號(hào)消失）。兩次故障具體經(jīng)過和分析過程如下：

2.1 第一次故障經(jīng)過

某次機(jī)組檢修結(jié)束后，在燃機(jī)點(diǎn)火升速至1 630 r/min 左右時(shí)，發(fā)生燃機(jī)跳閘故障，故障報(bào)警為煤壓機(jī)低壓抽氣閥門異常關(guān)閉（GC LP BLEED VAVLE ABNORMALY COLSED）。

現(xiàn)場(chǎng)檢查該氣動(dòng)閥無明顯異常，遠(yuǎn)方傳動(dòng)該閥門開關(guān)動(dòng)作正常。懷疑因?yàn)闅庠床桓蓛魧?dǎo)致閥門誤動(dòng)作，隨即將該閥門及附近的2 臺(tái)高壓抽氣閥和中壓抽氣閥進(jìn)行多次開關(guān)操作以便沖刷氣路，最大程度消除氣源問題導(dǎo)致的閥門異常動(dòng)作。

措施執(zhí)行完畢后執(zhí)行開機(jī)操作，故障重復(fù)發(fā)生。懷疑故障原因?yàn)槔^電器觸點(diǎn)虛接或靜電干擾導(dǎo)致閥門的電磁閥B 異常得電動(dòng)作，采取措施從控制柜內(nèi)將控制電磁閥B 的繼電器拔出，徹底斷開其控制回路。

措施執(zhí)行完畢后執(zhí)行再次開機(jī)，故障再次重復(fù)發(fā)生。本次故障時(shí)現(xiàn)場(chǎng)觀察到煤壓機(jī)低壓抽氣閥門實(shí)際有關(guān)閥動(dòng)作，開到位限位開關(guān)松開后，閥門又重新快速打開（燃機(jī)跳機(jī)后閥門快開）。

為保障機(jī)組正常開機(jī)生產(chǎn)，決定采取斷開該閥門所有控制回路的臨時(shí)措施，保證該閥門在2 100 r/min 之前不會(huì)異常關(guān)閉，燃機(jī)升速至2 000 r/min 左右，再恢復(fù)正?？刂乒δ?，確保燃機(jī)能夠按照預(yù)設(shè)指令曲線關(guān)閉閥門。措施執(zhí)行完畢后開機(jī)正常，升速至3 000 r/min后順利并網(wǎng)。

2.2 第一次故障分析

機(jī)組啟動(dòng)失敗直接原因都是煤壓機(jī)低壓閥異常關(guān)閉，故障查找過程中，對(duì)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)附屬氣源控制回路及限位開關(guān)等進(jìn)行了詳細(xì)的檢查測(cè)試。

重點(diǎn)檢查閥門的儀表氣源、限位開關(guān)、控制電磁閥和電氣轉(zhuǎn)換器及控制回路，檢查情況見表1所示。

表1 閥門附件及控制回路檢查項(xiàng)目及結(jié)果

從設(shè)備檢查和測(cè)試結(jié)果可以基本排除閥門本體存在實(shí)質(zhì)性硬件故障的可能。

跳機(jī)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)觀察到該閥門確實(shí)有關(guān)閥動(dòng)作，氣缸必然有進(jìn)氣。導(dǎo)致閥門氣缸異常進(jìn)氣的回路有兩個(gè)：

（1）快關(guān)控制回路（電磁閥B）異常，比如B 電磁閥的閥芯不嚴(yán)導(dǎo)致串氣，對(duì)應(yīng)空氣閥（681）緩慢進(jìn)氣導(dǎo)致閥芯動(dòng)作使閥門主氣路打開。（多次傳動(dòng)測(cè)試正常，排除該原因）

（2）閥位連續(xù)控制回路（E/P-定位器）異常，比如E/P 輸出氣壓信號(hào)異常升高，通過閥門定位器和放大器使進(jìn)入氣缸的儀表氣壓力升高，推動(dòng)閥門動(dòng)作。

因當(dāng)時(shí)冬季溫較低，室外夜間最低溫度接近-20 ℃，懷疑當(dāng)時(shí)廠區(qū)內(nèi)的壓縮空氣管道內(nèi)、該閥門控制氣源管路和附屬設(shè)施中有結(jié)露或冰霜存在，造成電氣轉(zhuǎn)換器（E/P）氣路或定位器氣路堵塞。

隨后某次檢修后機(jī)組再次開機(jī)時(shí)，氣溫已經(jīng)回升，沒有對(duì)該閥門采取任何措施的情況下，其動(dòng)作正常，增強(qiáng)了該判斷成立的可能性，再次誤導(dǎo)了對(duì)故障原因的認(rèn)定。

2.3 第二次故障經(jīng)過及分析

次年4 月機(jī)組大修結(jié)束后，在開機(jī)過程中再次發(fā)生低壓抽氣閥在燃機(jī)升速過程中異常關(guān)閉故障。本次故障發(fā)生時(shí)，氣溫已經(jīng)回升到15 ℃，氣源不存在結(jié)露結(jié)霜的可能性，排除第一次懷疑的氣源露點(diǎn)不合格原因。

本次啟動(dòng)過程中，現(xiàn)場(chǎng)人員觀察到該氣動(dòng)裝置及所在管道振動(dòng)較大，而定位器位于最高點(diǎn)，振動(dòng)幅度最大，懷疑因閥門振動(dòng)太大導(dǎo)致閥門定位器串氣，隨即對(duì)該氣動(dòng)執(zhí)行器采取臨時(shí)加固措施，如圖5所示，加固后現(xiàn)場(chǎng)檢查氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)振動(dòng)明顯減小，閥門定位器工作更穩(wěn)定，隨后開機(jī)時(shí)燃機(jī)順利啟動(dòng)。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)加固減振

3 結(jié)論及措施

3.1 結(jié)論

在機(jī)組啟動(dòng)升速過程中，隨著煤壓機(jī)轉(zhuǎn)速升高，低壓抽氣管道的煤氣回流量增大，導(dǎo)致管道振動(dòng)變大，低壓抽氣閥配套的閥門定位器安裝在執(zhí)行機(jī)構(gòu)頂部，振動(dòng)幅度最大，強(qiáng)烈的振動(dòng)導(dǎo)致閥門定位器內(nèi)部的平衡機(jī)構(gòu)共振失衡，閥門定位器輸出壓力瞬間失控突變，氣缸進(jìn)氣壓力增大導(dǎo)致氣缸向關(guān)閉方向移動(dòng)，開到位信號(hào)由1 變0 從而連鎖燃機(jī)跳閘。

3.2 改進(jìn)措施

鑒于氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)異常動(dòng)作的直接原因是設(shè)備振動(dòng)大，首先從減少設(shè)備振動(dòng)方面著手，另外，可以通過優(yōu)化閥門控制方式，降低閥門氣路異常造成閥門誤動(dòng)的概率。

具體措施如下：（1）減少抽氣管道及閥門振動(dòng)。采取措施將煤壓機(jī)低壓抽氣管道增加支撐和固定，減少管道振動(dòng)。（2）優(yōu)化閥門控制程序。當(dāng)燃機(jī)轉(zhuǎn)速小于2 100 r/min 時(shí)，A 電磁閥不得電；允許煤壓機(jī)低壓抽氣閥關(guān)閉之前，保證儀表氣不會(huì)進(jìn)入氣缸，閥門處于開到位狀態(tài)。當(dāng)燃機(jī)轉(zhuǎn)速大于等于2 100 r/min 時(shí)，勵(lì)磁A 電磁閥；此后執(zhí)行正常的閥門控制程序，閥門通過E/P 接受閥門關(guān)閉指令控制，逐步關(guān)閉閥門，其開度曲線保持不變。通過延遲A 電磁閥動(dòng)作時(shí)間，可以減少因氣路設(shè)備故障導(dǎo)致氣缸進(jìn)氣，有效降低誤動(dòng)概率。

大型燃?xì)廨啓C(jī)的控制系統(tǒng)比較復(fù)雜、現(xiàn)場(chǎng)儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)較多，在處理現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備故障時(shí)，經(jīng)常會(huì)碰到一些當(dāng)時(shí)無法立即確定具體原因的情況［3-5］，技術(shù)人員需要保持耐心，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境和運(yùn)行工況進(jìn)行全方位的枚舉和排除，最終定能找到真正的故障原因。