汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速波動原因淺析及處理措施

高燕

石油化工工程質(zhì)量監(jiān)督總站天津監(jiān)督站，中國·北京 100000

論文主要介紹了中國石油化工股份有限公司某催化裝置富氣壓縮機(jī)組汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速波動的情況，通過故障分析，不僅從根本上找到了引起轉(zhuǎn)速波動的原因，而且找到了解決轉(zhuǎn)速波動的方法，保證了裝置的安全運(yùn)行，以此提出建議和改進(jìn)措施。只有密切結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際，多方面、多專業(yè)、多角度地考慮，多多增進(jìn)學(xué)科之間的融合，才能更好地解決各種故障和難題。

汽輪機(jī)；轉(zhuǎn)速波動；原因；處理措施

1 引言

中國石油化工股份有限公司某催化裝置富氣壓縮機(jī)組是由沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司制造的水平剖分式離心壓縮和杭州汽輪機(jī)股份有限公司制造的背壓式汽輪機(jī)組成。

汽輪機(jī)主要技術(shù)參數(shù)：進(jìn)氣壓力為3.3MPa，進(jìn)氣溫度為420℃，排氣壓力為1.1MPa，額定功率3978kW，額定轉(zhuǎn)速8398r/min，最大連續(xù)轉(zhuǎn)速8818r/min，跳閘轉(zhuǎn)速9700r/min，轉(zhuǎn)速范圍為6298 ～8818r/min。

汽輪機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，轉(zhuǎn)速突然出現(xiàn)波動，波動范圍從100rpm 到500rpm 不等，最高到2000rpm，轉(zhuǎn)速上漲時室內(nèi)手動調(diào)速40%調(diào)至25%轉(zhuǎn)速不變（二次油壓值也無變化），間隔10 分鐘到半小時后，機(jī)組轉(zhuǎn)速不調(diào)節(jié)緩慢自動恢復(fù)到變換前，這時控制功能恢復(fù)正常。15 天后，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速再一次出現(xiàn)波動，嚴(yán)重影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 調(diào)速系統(tǒng)組成

2.1 調(diào)速系統(tǒng)組成

汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)速感受機(jī)構(gòu)（調(diào)速器）、傳動放大機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)、反饋機(jī)構(gòu)組成。

其中，轉(zhuǎn)速感受機(jī)構(gòu)又稱調(diào)速器，是將轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)變成一次控制信號，按照工作原理可分為機(jī)械式、液壓式和電子式三大類。汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用PG-PL 型調(diào)速器，通過其動力缸的伺服活塞輸出液壓信號，帶動整個連桿系統(tǒng)的聯(lián)動，前后移動杠桿，打開或關(guān)閉主氣閥，并根據(jù)調(diào)速器動力缸伺服活塞的負(fù)載調(diào)節(jié)進(jìn)入的蒸汽量來控制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速。

傳動放大機(jī)構(gòu)對一次控制信號功率放大，并按調(diào)節(jié)目標(biāo)做控制運(yùn)算，產(chǎn)生油動機(jī)的控制信號。

配氣機(jī)構(gòu)是將油動機(jī)的行程轉(zhuǎn)變?yōu)楦髡{(diào)節(jié)氣門的開度，通過配氣機(jī)構(gòu)的非線性傳遞特性，汽輪機(jī)的進(jìn)汽量與油動機(jī)行程間校正到近似線性關(guān)系。

2.2 PG-PL 型調(diào)速器組成

PG-PL 型調(diào)速器的調(diào)速系統(tǒng)主要由供油系統(tǒng)，給定裝置，控制、緩沖系統(tǒng)和油動機(jī)組成。

供油系統(tǒng)包括齒輪油泵和蓄能器等組成，其作用是供給調(diào)節(jié)過程中所需的壓力油和控制最高油壓。齒輪油泵由汽輪機(jī)主軸驅(qū)動，將高壓油輸入高壓油管道系統(tǒng)，同時高壓油通入蓄能器。蓄能器活塞上部裝有彈簧，當(dāng)高壓油作用在活塞的力與彈簧的力相等時，活塞將側(cè)面油口堵住；當(dāng)高壓油作用在活塞上的力大于彈簧的力時，油壓推動活塞上移，直到打開側(cè)面油口，高壓油通過油口后一部分壓力油泄出返回油箱，使壓力油系統(tǒng)的油壓不至于過高。蓄能器的另一個作用是當(dāng)油系統(tǒng)瞬時間需用較大油量時，由蓄能器來補(bǔ)充。在油泵的吸入端和排出端各設(shè)有單向閥，以防止壓力油倒流。

速度給定裝置用來改變被調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的速度，使其能在所要求的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。PG-PL 型調(diào)速器的速度給定既能手動又能氣動。速度給定裝置由手動轉(zhuǎn)速給定機(jī)構(gòu)、波紋管、轉(zhuǎn)速給定控制滑閥、套筒和調(diào)速繼動活塞等組成。手動和氣動信號輸入，轉(zhuǎn)速給定控制滑閥在旋轉(zhuǎn)套筒中上、下移動，使調(diào)速繼動活塞上部油腔中的油流出或注入，調(diào)速繼動活塞上、下移動來實(shí)現(xiàn)給定值的調(diào)整。

控制緩沖系統(tǒng)由飛錘、控制滑閥、緩沖彈簧、緩沖活塞和補(bǔ)償針閥組成。在穩(wěn)定工況時，緩沖活塞處于緩沖缸中間位置，緩沖活塞左右兩側(cè)受到彈簧力和油壓的力相等。當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速降低時，控制滑閥向下移動，油動機(jī)活塞向上運(yùn)動，開大調(diào)節(jié)汽閥，使汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速升高。反之，當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速升高時，控制滑閥向上移動，油動機(jī)活塞在彈簧力的作用下向下運(yùn)動，關(guān)小調(diào)節(jié)汽閥，使汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速降低[1]。

油動機(jī)又稱伺服馬達(dá)，是調(diào)速裝置中的液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)。調(diào)速器的輸出的信號不足以帶動調(diào)節(jié)汽閥，它通過油動機(jī)活塞的運(yùn)動來控制調(diào)節(jié)汽閥的開度。

當(dāng)機(jī)組需要改變轉(zhuǎn)速時，變速機(jī)構(gòu)是受信號風(fēng)壓的變化而改變調(diào)速器彈簧的預(yù)緊力，來達(dá)到改變轉(zhuǎn)速的目的。PG-PL 調(diào)速器變速機(jī)構(gòu)采用的是氣動元件為波紋管式，主要由波紋管、調(diào)速導(dǎo)閥柱塞、調(diào)速繼動活塞等組成。

2.3 PG-PL 型調(diào)速器工作原理

PG-PL 型調(diào)速器工作原理的核心是建立在速度彈簧的彈力與飛錘旋轉(zhuǎn)的離心力保持動態(tài)平衡這個基礎(chǔ)上的，并且當(dāng)這種平衡受到破壞時能反饋輸出一個信號改變受控驅(qū)動機(jī)的蒸汽供給情況，使驅(qū)動機(jī)轉(zhuǎn)速改變、飛錘轉(zhuǎn)速變化，直至恢復(fù)到飛錘與速度彈簧彈力相平衡的狀態(tài)。

3 原因初步分析及處理措施

3.1 原因初步分析

汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)引起轉(zhuǎn)速波動的可能原因有：蒸汽壓力、溫度波動；調(diào)速器故障；轉(zhuǎn)速探頭支架松動；信號回路接地、電磁干擾；轉(zhuǎn)速控制儀表故障；調(diào)節(jié)油的油質(zhì)；錯油門、油動機(jī)卡澀。

3.2 處理措施

3.2.1 處理措施

問題出現(xiàn)后，首先調(diào)整了調(diào)速器補(bǔ)償油路針閥開度，開度由1/8 調(diào)整至1/4，調(diào)整后波動情況略緩。然后現(xiàn)場手動調(diào)節(jié)調(diào)速器旋鈕，檢查二次油壓與轉(zhuǎn)速變化的對應(yīng)情況以及錯油門-油動機(jī)是否存在機(jī)械卡塞現(xiàn)象，同時進(jìn)行下述排查：

①檢查儀表風(fēng)線，排除漏風(fēng)問題，同時檢查室內(nèi)信號輸出以及反饋信號是否有問題。

②檢查潤滑油油質(zhì)情況，增加潤滑油過濾頻次。

③在不影響生產(chǎn)的情況下，小范圍調(diào)整汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速以改變調(diào)速油流動狀況，帶走管線中的雜質(zhì)。

④切換潤滑油過濾器，拆卸清洗，確定油的潔凈程度。過濾器濾網(wǎng)上附著有細(xì)小雜質(zhì)顆粒，反映出機(jī)組潤滑油較臟。清理后，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速波動問題無明顯改善。

⑤潤滑油站內(nèi)補(bǔ)新油，改善油質(zhì)。

3.2.2 排查結(jié)果

①按照排查安排，運(yùn)行部對照同時段各工藝參數(shù)及機(jī)組參數(shù)查對，未發(fā)現(xiàn)相關(guān)變量有突變現(xiàn)象，但由于汽輪機(jī)輪室壓力取壓管嘴堵，無法核實(shí)汽輪機(jī)輪室壓力變化情況。

②儀修檢查儀表風(fēng)線，未發(fā)現(xiàn)管線泄漏問題，儀表信號檢查也未發(fā)現(xiàn)問題。

③通過增加化驗(yàn)頻次，潤滑油化驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)不合格。

④切換調(diào)速油過濾器，檢查未見過濾網(wǎng)破損及差壓失真現(xiàn)象，但潤滑油較臟。

過濾器濾芯雜質(zhì)附著圖如圖1 所示。

⑤更換PG-PL 調(diào)速器，清洗隨動活塞及錯油門，檢查發(fā)現(xiàn)：錯油門滑閥頂針直徑減小0.050mm 左右。放大器清洗發(fā)現(xiàn)隨動活塞部分有雜質(zhì)顆粒，活塞套有點(diǎn)蝕痕跡。檢查啟動器活塞以及各部彈簧未發(fā)現(xiàn)問題。同時檢查測量啟動器、放大器各部配合間隙，符合要求。更換調(diào)速器。檢查儀表線以及氣電轉(zhuǎn)換器。

3.3 處理結(jié)果

調(diào)速器回裝后，汽輪機(jī)進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)，調(diào)整汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽閥杠桿角度為11°，調(diào)節(jié)汽閥的開度與二次油壓線性關(guān)系基本符合。開機(jī)后，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速未出現(xiàn)大幅度波動。

4 汽輪機(jī)調(diào)速器解體檢修情況

運(yùn)行裝置將更換下來的調(diào)速器送至專業(yè)維修機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢修整定，具體檢查情況如下：

調(diào)速器內(nèi)部潤滑油較臟，呈紅褐色，如圖2 所示。

圖2 調(diào)速器放油圖

蓄能活塞上留有雜質(zhì)顆粒，且發(fā)生了偏磨，如圖3 所示。

圖3 儲能器活塞雜質(zhì)、磨損

調(diào)速器動力活塞磨損。

5 直接原因分析

正常情況下，調(diào)速器的速度設(shè)定靠速度給定活塞的位置來完成。壓力油在速度給定活塞上部區(qū)域的流入或流出，就把速度給定活塞移至較高或較低速度設(shè)定的位置。

當(dāng)驅(qū)動機(jī)所帶負(fù)荷降低，造成驅(qū)動機(jī)轉(zhuǎn)速升高時，飛錘旋轉(zhuǎn)離心力增大。當(dāng)調(diào)速器彈簧壓力小于一對飛錘旋轉(zhuǎn)離心力產(chǎn)生的向上的力時，滑閥上升，控制面隨之上升，中間油從控制面的下方流入無壓油池。緩沖活塞左端的壓力小于右端的壓力，緩沖活塞左移。由于針閥泄漏節(jié)流，油動機(jī)動力活塞下方的油進(jìn)入油路，該活塞下降，減少蒸汽的供給，驅(qū)動機(jī)轉(zhuǎn)速降低，逐漸與速度彈簧的彈力相平衡。與此同時，補(bǔ)償面的下部壓力低于上部壓力，滑閥下移，控制面的控制口關(guān)閉。在針閥的泄漏作用下，緩沖活塞左右壓力逐漸相等，油動機(jī)的動力活塞輸出穩(wěn)定，控制驅(qū)動機(jī)的蒸汽的供給保持穩(wěn)定。

調(diào)速器的油泵位于調(diào)速器的下方，被調(diào)速器套筒的旋轉(zhuǎn)所驅(qū)動。主動齒輪與滑閥同軸線，出口與儲能器相通，儲能器有減壓安全裝置。儲能器對于穩(wěn)定油泵出口壓力，提高調(diào)速器控制轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性有很重要的作用。儲能器活塞與缸體的密封為多道迷宮式密封，徑向間隙很?。?.015mm左右），對雜質(zhì)很敏感[2]。

當(dāng)驅(qū)動機(jī)所帶負(fù)荷降低，造成驅(qū)動機(jī)轉(zhuǎn)速升高時，氣動操作調(diào)節(jié)氣壓信號減小，弓形板、指揮閥活塞下降，控制面上升，該控制口打開，指揮閥活塞上方的油進(jìn)入無壓油池。指揮閥活塞上升，復(fù)位桿的左端被拉下，回位彈簧、弓形板、指揮閥套筒轉(zhuǎn)而下降，控制口逐漸恢復(fù)到關(guān)閉狀態(tài)。由于儲能器活塞殘留雜質(zhì)的影響，儲能器活塞卡澀，釋放旁路被堵塞，儲能器壓力增加。此時緩沖活塞左端的壓力大于右端的壓力，該活塞右端壓力升高，同時針閥泄漏，中間油通過，進(jìn)入油動機(jī)活塞的下方。活塞上升，增加或蒸汽的供給，驅(qū)動機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，氣動操作調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速效果不明顯。

氣壓機(jī)由于負(fù)荷變化，機(jī)組轉(zhuǎn)速升高，調(diào)速器齒輪泵轉(zhuǎn)速升高，調(diào)速器壓力油壓力升高，蓄壓活塞無法移動，系統(tǒng)卸油口被活塞擋住無法泄壓，導(dǎo)致油壓持續(xù)升高，調(diào)速器速度設(shè)定彈簧無法克服油壓被壓死，速度持續(xù)升高，同時緩沖活塞持續(xù)左移，輸出活塞持續(xù)加載，導(dǎo)致汽輪機(jī)調(diào)節(jié)氣門持續(xù)打開。

由于調(diào)速器振動等因素影響，卡澀的蓄能活塞克服摩擦發(fā)生移動后，調(diào)速油卸油口打開，油壓降至正常值時，轉(zhuǎn)速恢復(fù)。

所以造成機(jī)組轉(zhuǎn)速突然升高的原因是油臟導(dǎo)致蓄能活塞卡澀。

6 建議或改進(jìn)措施

為避免類似事故再次出現(xiàn)或發(fā)生，建議或改進(jìn)措施如下：

①加強(qiáng)對機(jī)組設(shè)備潤滑油的管理，定期清理潤滑油過濾器濾芯。

②調(diào)速器檢修整定后放置時間長，更換前應(yīng)再進(jìn)行整定確認(rèn)。

③保證系統(tǒng)參數(shù)的線性化關(guān)系。保證轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的定期校驗(yàn)，使調(diào)速器電流輸出、二次油壓和調(diào)節(jié)氣門開度保持線性關(guān)系，這是調(diào)速系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提條件。

④做好關(guān)鍵機(jī)組的儲備定額及備件工作，遇到突發(fā)設(shè)備問題，可以及時進(jìn)行檢修。

⑤調(diào)速器的搬運(yùn)要輕拿輕放，運(yùn)輸途中減少顛簸振動。

⑥設(shè)備更新。

經(jīng)過以上的分析，不僅從根本上找到了引起轉(zhuǎn)速波動的原因，而且找到了解決轉(zhuǎn)速波動的方法。此事件也帶給我們啟發(fā)，任何故障的出現(xiàn)都不能在某一個學(xué)科的領(lǐng)域內(nèi)孤立分析，應(yīng)該密切結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際，多方面、多專業(yè)、多角度地考慮，只有多多增進(jìn)學(xué)科之間的融合，拓展知識面，才能更好地解決各種故障和難題。