合成氣壓縮機(jī)組汽輪機(jī)調(diào)速閥失準(zhǔn)原因分析及處理

盧志勇，葉 凱，陳 鐘，羅偉雄

(海洋石油富島有限公司，海南 東方 572600)

0 引 言

中海石油建滔化工有限公司2 000 t/d甲醇裝置合成氣壓縮機(jī)組汽輪機(jī)，于2021年3月3日甲醇裝置大修期間對(duì)其進(jìn)行了解體大修，主要檢修項(xiàng)目為檢查汽輪機(jī)各軸承、軸頸磨損情況，更換轉(zhuǎn)子，檢查調(diào)速閥、抽汽閥，檢查清洗動(dòng)靜葉片，調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)調(diào)試。由于檢修前汽輪機(jī)運(yùn)行狀況良好，本次大修以清理、檢查為主，汽輪機(jī)于2021年3月20日完成檢修。2021年4月4日利用合成氣壓縮機(jī)組完成甲醇合成系統(tǒng)氮?dú)馍郎匮h(huán)后，開始正常開車，此時(shí)汽輪機(jī)由使用4.80 MPa中壓蒸汽轉(zhuǎn)為使用10 MPa高壓蒸汽階段，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速由4 376 r/min升至9 160 r/min；但在接下來的11 d運(yùn)行時(shí)間里，出現(xiàn)了蒸汽流量與汽輪機(jī)調(diào)速閥閥位不成正比的情況(即調(diào)速閥失準(zhǔn))，相較于檢修前同等蒸汽流量下汽輪機(jī)調(diào)速閥閥位上升了約10%。2021年4月16日利用甲醇裝置短停機(jī)會(huì)，對(duì)合成氣壓縮機(jī)組汽輪機(jī)調(diào)速閥失準(zhǔn)故障進(jìn)行了排查及處理。以下對(duì)有關(guān)情況作一介紹。

1 設(shè)備簡(jiǎn)況

本合成氣壓縮機(jī)組汽輪機(jī)由日本三菱重工制造，型號(hào)為5EH-8BD，屬抽汽凝汽式汽輪機(jī)；TS-3000調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍(電子調(diào)速)為8 142～10 686 r/min，其主要性能參數(shù)如表1。

表1 5EH-8BD汽輪機(jī)主要性能參數(shù)

2 運(yùn)行問題

2021年3月合成氣壓縮機(jī)組汽輪機(jī)計(jì)劃大修后，在甲醇合成系統(tǒng)結(jié)束氮?dú)庋h(huán)后的正常開車過程中，與檢修前同等蒸汽流量(154 619 kg/h)情況下出現(xiàn)了兩方面的問題：一是汽輪機(jī)調(diào)速閥閥位不穩(wěn)定，閥位由89.582%升至93.561%；二是汽輪機(jī)調(diào)速閥閥位變大，調(diào)速閥閥位達(dá)94%后(汽輪機(jī))蒸汽流量才能勉強(qiáng)達(dá)到167 000 kg/h，而檢修前正常生產(chǎn)中調(diào)速閥閥位約83%時(shí)(汽輪機(jī))蒸汽流量就能達(dá)到167 000 kg/h，2021年4月4—14日具有代表性的合成氣壓縮機(jī)組汽輪機(jī)調(diào)速閥閥位與轉(zhuǎn)速及入口蒸汽流量數(shù)據(jù)見表2。汽輪機(jī)調(diào)速閥失準(zhǔn)后，當(dāng)甲醇裝置增大負(fù)荷時(shí)，汽輪機(jī)可能會(huì)出現(xiàn)無法加大進(jìn)汽量致系統(tǒng)負(fù)荷偏低而不得不停車處理，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。為此，需停車檢查合成氣壓縮機(jī)組汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和分析調(diào)速閥的相關(guān)數(shù)據(jù)，作出預(yù)判，并處理故障。

表2 2021年4月4—14日合成氣壓縮機(jī)組汽輪機(jī)調(diào)速閥閥位與轉(zhuǎn)速及入口蒸汽流量數(shù)據(jù)

3 汽輪機(jī)調(diào)速閥閥位失準(zhǔn)故障原因排查

3.1 故障原因預(yù)判

2021年4月4—14日合成氣壓縮機(jī)組運(yùn)行狀況良好，未出現(xiàn)振動(dòng)、溫度、聲音異常，蒸汽進(jìn)汽量及抽汽量正常；本次大修中對(duì)汽輪機(jī)調(diào)速閥及抽汽調(diào)節(jié)閥之閥頭升程進(jìn)行過復(fù)查和PT檢測(cè)，所有數(shù)據(jù)均合格，未出現(xiàn)閥頭卡澀等情況，且閥桿在運(yùn)行過程中也未出現(xiàn)過卡澀。簡(jiǎn)言之，調(diào)速閥本體機(jī)械故障的可能可直接排除，調(diào)速閥閥位失準(zhǔn)原因應(yīng)出在調(diào)速系統(tǒng)上。

3.2 調(diào)速閥靜態(tài)調(diào)試

2021年4月16日，甲醇裝置短停后，首先查閱合成氣壓縮機(jī)組汽輪機(jī)檢修記錄。2021年3月20日汽輪機(jī)調(diào)速閥靜態(tài)調(diào)試數(shù)據(jù)：調(diào)速閥主控閥位為0%、25%、50%、75%、100%時(shí)，執(zhí)行器行程A(上行行程/下行行程)分別為7/7 mm、16/16 mm、26/26 mm、36/36 mm、46/46 mm，動(dòng)力活塞行程D(上行行程/下行行程)分別為0/0 mm、30/30 mm、95/95 mm、160/159 mm、208/208 mm，調(diào)速閥閥桿行程C(上行行程/下行行程)分別為0/0 mm、5/5 mm、16/16 mm、27/27 mm、35/35 mm；而設(shè)計(jì)要求為執(zhí)行器行程A為 5～46.3 mm、動(dòng)力活塞行程D為 0～203.7 mm、調(diào)速閥閥桿行程C為 0～34 mm?？梢钥吹?，汽輪機(jī)調(diào)速閥靜態(tài)調(diào)試中動(dòng)力活塞行程偏大，當(dāng)時(shí)未進(jìn)行調(diào)整，可能導(dǎo)致汽輪機(jī)調(diào)速閥開度偏小。

2021年4月16日甲醇裝置短停后，對(duì)合成氣壓縮機(jī)組汽輪機(jī)調(diào)速閥重新進(jìn)行了靜態(tài)調(diào)試，當(dāng)日汽輪機(jī)調(diào)速閥靜態(tài)調(diào)試數(shù)據(jù)：調(diào)速閥主控閥位為0%、25%、50%、75%、100%時(shí)，執(zhí)行器行程A(上行行程/下行行程)分別為7/7 mm、16/16 mm、26/26 mm、36/36 mm、46/46 mm，動(dòng)力活塞行程D(上行行程/下行行程)分別為0/0 mm、30/26 mm、76/76 mm、125/124 mm、175/175 mm，調(diào)速閥閥桿行程C(上行行程/下行行程)分別為0/0 mm、5/5 mm、12.5/12.5 mm、20.5/20.5 mm、29/29 mm。相較于2021年3月20日的靜態(tài)調(diào)試數(shù)據(jù)，調(diào)速閥主控閥位為100%時(shí)，動(dòng)力活塞行程變小33 mm，相應(yīng)地調(diào)速閥閥桿行程變小6 mm，表明在蒸汽流量相同的情況下調(diào)速閥實(shí)際閥位并未變化、而調(diào)速系統(tǒng)上調(diào)速閥信號(hào)閥位變大，即調(diào)速閥信號(hào)閥位與調(diào)速閥實(shí)際閥位的線性比例發(fā)生了變化，為何會(huì)出現(xiàn)這種情況值得深思。而對(duì)比2次的靜態(tài)調(diào)試數(shù)據(jù)，電液執(zhí)行器的靜態(tài)調(diào)試數(shù)據(jù)未變化，其控制輸出行程A除了起點(diǎn)有少許偏離外，其余線性比例良好?？梢姡啓C(jī)調(diào)速系統(tǒng)閥位失準(zhǔn)不是電液執(zhí)行器方面的原因所致。

3.3 調(diào)速閥各連接部位檢查

檢查合成氣壓縮機(jī)組汽輪機(jī)調(diào)速閥各連桿接觸點(diǎn)、銷軸有無磨損，以及螺栓的緊固情況。排查發(fā)現(xiàn)，調(diào)速系統(tǒng)導(dǎo)閥閥芯與阻尼器連接螺紋松動(dòng)，連接處應(yīng)有的防松螺母缺失。

4 汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)概況

4.1 調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及流程

要分析合成氣壓縮機(jī)組汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的故障，首先需了解調(diào)速系統(tǒng)。調(diào)速系統(tǒng)主要部件包括TS-3000電子調(diào)速器、EG-3P電液執(zhí)行器、導(dǎo)閥、調(diào)速閥動(dòng)力活塞、調(diào)速閥，各部件通過相關(guān)線性比例的連桿連接，如圖1。其中，EG-3P電液執(zhí)行器為伍德沃德(WOODWARD)生產(chǎn)的帶液力放大器的電液執(zhí)行器，其液力放大器的活塞行程為2.5″，對(duì)應(yīng)控制電流為0～160 mA。為保證調(diào)速閥的調(diào)節(jié)線性，汽輪機(jī)調(diào)速閥控制系統(tǒng)取中間段的控制電流30.1～122.1 mA，電液執(zhí)行器的活塞調(diào)節(jié)行程相應(yīng)變?yōu)?.0～46.3 mm；在轉(zhuǎn)速達(dá)到汽輪機(jī)調(diào)速范圍(8 142 r/min)后，電子調(diào)速器開始接管調(diào)整轉(zhuǎn)速。

圖1 調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及比例示意

4.2 調(diào)速原理

4.2.1 電液執(zhí)行器部分

TS-3000電子調(diào)速器，將調(diào)速閥閥位虛擬信號(hào)(0%～100%)轉(zhuǎn)換為控制電流信號(hào)(30.1～122.1 mA)且呈線性關(guān)系。通過電液執(zhí)行器線圈的電磁感應(yīng)力控制調(diào)節(jié)閥芯，開關(guān)相關(guān)動(dòng)力活塞和加載活塞的油路，并通過活塞及連桿運(yùn)動(dòng)，以導(dǎo)閥的形式控制液力放大器的油路，當(dāng)達(dá)到設(shè)定調(diào)整量時(shí)，導(dǎo)閥關(guān)閉液力放大器的動(dòng)力油油路，液力放大器活塞停止運(yùn)動(dòng)。由于電液執(zhí)行器為封裝系統(tǒng)，均由專業(yè)廠家定期拆解維修校準(zhǔn)，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)不具備維修條件，故電液執(zhí)行器的控制原理于此不贅述。

4.2.2 各調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)間的機(jī)械線性關(guān)系

電液執(zhí)行器與導(dǎo)閥和調(diào)速閥間通過連桿、導(dǎo)閥調(diào)節(jié)其機(jī)械線性關(guān)系。以打開調(diào)速閥為例，其運(yùn)動(dòng)關(guān)系為：電液執(zhí)行器活塞向下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)連桿L1向左下旋轉(zhuǎn)，此時(shí)導(dǎo)閥閥芯向下運(yùn)動(dòng)，打開動(dòng)力油至動(dòng)力活塞下部油路，動(dòng)力活塞向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)動(dòng)力活塞帶動(dòng)連桿L1向左上旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)導(dǎo)閥向上運(yùn)動(dòng)，直至導(dǎo)閥關(guān)閉而動(dòng)力油進(jìn)入動(dòng)力活塞油路，此時(shí)調(diào)整達(dá)到平衡，動(dòng)力活塞停止運(yùn)動(dòng)。動(dòng)力活塞向上運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，通過連桿L2帶動(dòng)調(diào)速閥閥芯向上運(yùn)動(dòng)，達(dá)到設(shè)定的開度，調(diào)整進(jìn)汽量，以達(dá)到調(diào)整汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

4.3 導(dǎo)閥位置變化對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的影響

導(dǎo)閥調(diào)節(jié)螺母至上旋轉(zhuǎn)銷軸的長(zhǎng)度(距離)決定了調(diào)速閥閥位在零位時(shí)導(dǎo)閥閥芯的位置，同時(shí)在調(diào)速閥任意閥位調(diào)整完畢后，此時(shí)閥芯應(yīng)剛好將動(dòng)力活塞的上/下兩條動(dòng)力油路封閉。在其他尺寸正確的情況下，且閥門從零位開始開啟，如果導(dǎo)閥調(diào)節(jié)螺母至上旋轉(zhuǎn)銷軸的長(zhǎng)度偏大，導(dǎo)閥閥芯處于偏下的位置，這會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力油提前進(jìn)入動(dòng)力活塞下部，動(dòng)力活塞提前向上運(yùn)動(dòng)——?jiǎng)恿钊谐藾零位向上漂移，100%位時(shí)行程變大，但總行程不變；如果導(dǎo)閥調(diào)節(jié)螺母至上旋轉(zhuǎn)銷軸的長(zhǎng)度偏小，則導(dǎo)閥閥芯處于偏上的位置，這會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力油提前進(jìn)入動(dòng)力活塞上部，延遲動(dòng)力活塞向上運(yùn)動(dòng)——?jiǎng)恿钊谐塘阄粶?zhǔn)確，100%位時(shí)行程偏小，總行程變小。

5 汽輪機(jī)調(diào)速閥閥位失準(zhǔn)原因確認(rèn)

綜合調(diào)速閥本體檢查情況、EG-3P電液執(zhí)行器調(diào)試校準(zhǔn)情況、調(diào)速系統(tǒng)各連桿接觸磨損情況、開車前靜態(tài)調(diào)試數(shù)據(jù)、入口蒸汽流量、蒸汽抽汽流量等，判斷導(dǎo)閥閥芯松動(dòng)是造成調(diào)速閥閥位失準(zhǔn)的主要原因。導(dǎo)閥閥芯與阻尼器通過螺紋連接，但連接處缺失防松螺母，在動(dòng)力油的作用下導(dǎo)閥閥芯連接處發(fā)生松動(dòng)，閥芯位置變化，導(dǎo)致電液執(zhí)行器行程輸出與動(dòng)力活塞行程輸出比例失調(diào)，從而導(dǎo)致調(diào)速系統(tǒng)信號(hào)閥位與調(diào)速閥實(shí)際閥位不一致。

而導(dǎo)閥閥芯位置變化的原因?yàn)?，由于工藝方面的需要，甲醇裝置開車過程中需利用合成氣壓縮機(jī)組完成甲醇合成系統(tǒng)氮?dú)馍郎匮h(huán)，期間機(jī)組反復(fù)開/停調(diào)整，此過程中導(dǎo)閥閥芯在動(dòng)力油的作用下產(chǎn)生振動(dòng)，其閥芯上連桿處裝有阻尼器(其作用是吸收部分振動(dòng)能量，降低振動(dòng)帶來的動(dòng)力活塞行程失穩(wěn))，但由于導(dǎo)閥閥芯與阻尼器連接處防松螺母缺失，導(dǎo)閥閥芯與阻尼器發(fā)生相對(duì)位移，使得導(dǎo)閥閥芯定位尺寸發(fā)生了變化。

綜上，本次調(diào)速閥閥位失準(zhǔn)的過程如下：導(dǎo)閥閥芯相對(duì)于阻尼器向上運(yùn)動(dòng)(導(dǎo)閥調(diào)節(jié)螺母至上旋轉(zhuǎn)銷軸的長(zhǎng)度變小)，導(dǎo)閥閥芯打開通往動(dòng)力活塞上部的壓力油通道，動(dòng)力活塞向下運(yùn)動(dòng)，從而關(guān)小了調(diào)速閥本體的“實(shí)際開度”，汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速和抽汽量均會(huì)減小，調(diào)速系統(tǒng)為保證汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速和抽汽量，再下達(dá)開大調(diào)速閥閥位的命令，電液執(zhí)行器執(zhí)行命令，當(dāng)調(diào)速閥“實(shí)際開度”與變化前一致時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)停止調(diào)整；隨后的持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，導(dǎo)閥閥芯一直相對(duì)于阻尼器緩慢向上運(yùn)動(dòng)，調(diào)速閥的信號(hào)閥位也越來越大，連續(xù)運(yùn)行11 d后信號(hào)閥位累積變大10%。

6 處理措施及效果

在阻尼器與導(dǎo)閥閥芯連接處安裝鎖緊螺母，并測(cè)量調(diào)整導(dǎo)閥調(diào)節(jié)螺母至上旋轉(zhuǎn)銷軸的長(zhǎng)度，2021年4月16日再次進(jìn)行主控信號(hào)與電液執(zhí)行器、動(dòng)力活塞、調(diào)速閥閥桿行程線性關(guān)系的靜態(tài)調(diào)試：調(diào)速閥主控閥位為0%、25%、50%、75%、100%時(shí)，執(zhí)行器行程A(上行行程/下行行程)分別為7/7 mm、16/16 mm、26/26 mm、36/36 mm、46/46 mm，動(dòng)力活塞行程D(上行行程/下行行程)分別為0/0 mm、42.5/42.5 mm、96/96 mm、149/149 mm、203/203 mm，調(diào)速閥閥桿行程C(上行行程/下行行程)分別為0/0 mm、7/7 mm、15.5/15.5 mm、24/24 mm、33.5/33.5 mm，動(dòng)力活塞行程和調(diào)速閥閥桿行程均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。2021年4月19日合成氣壓縮機(jī)組開車正常后，汽輪機(jī)調(diào)速閥閥位84%時(shí)，蒸汽流量為167 000 kg/h，調(diào)速閥調(diào)節(jié)正常，徹底解決了汽輪機(jī)調(diào)速閥失準(zhǔn)問題，保障了甲醇裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行。

7 結(jié)束語

綜上，本次合成氣壓縮機(jī)組汽輪機(jī)大修后出現(xiàn)的調(diào)速閥失準(zhǔn)問題，主要有兩方面的原因，一是檢修人員不熟悉/不了解調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式，沒有做好靜態(tài)調(diào)試，數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差后沒有及時(shí)調(diào)整；二是對(duì)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不夠了解，且缺乏責(zé)任心，漏裝了鎖緊螺母。為此，建議固化靜態(tài)調(diào)試流程：① 拆除銷軸螺栓，電液執(zhí)行器與連桿L1脫離，電液執(zhí)行器單獨(dú)進(jìn)行靜態(tài)調(diào)試；② 檢查各連桿接觸點(diǎn)、銷軸有無磨損，螺栓緊固情況是否良好；③ 測(cè)量核對(duì)連桿L1與電液執(zhí)行器連接銷軸與活動(dòng)支點(diǎn)S的中心距(此數(shù)據(jù)決定了電液執(zhí)行器行程A與動(dòng)力活塞行程D的比例關(guān)系，十分重要，要盡量準(zhǔn)確；若活動(dòng)支點(diǎn)S處磨損，對(duì)線性比例也有影響，需及時(shí)修復(fù)或更換零件)，此數(shù)據(jù)由設(shè)備制造廠商提供，非必要不允許調(diào)整此數(shù)據(jù)；④ 將電液執(zhí)行器與連桿L1連接，同時(shí)主控給出信號(hào)，將調(diào)速閥閥位設(shè)置為0%，測(cè)量核對(duì)導(dǎo)閥調(diào)節(jié)螺母至上旋轉(zhuǎn)銷軸的長(zhǎng)度(此數(shù)據(jù)由設(shè)備制造廠商提供)，并檢查導(dǎo)閥閥芯與阻尼器連接是否牢固、防松螺母是否已緊固；⑤ 檢查動(dòng)力活塞行程D、調(diào)速閥閥桿行程C是否為0；⑥ 整體靜態(tài)調(diào)試，按照調(diào)速閥閥位0%、25%、50%、75%、100%、75%、50%、25%、0%進(jìn)行校驗(yàn)，分別記錄信號(hào)電流、動(dòng)力活塞行程D、調(diào)速閥閥桿行程C、電液執(zhí)行器行程A，若出現(xiàn)線性比例偏離情況，須查明原因并予以調(diào)整。嚴(yán)格按照上述步驟進(jìn)行操作，靜態(tài)調(diào)試結(jié)果應(yīng)該不會(huì)出現(xiàn)偏差。另外，對(duì)于EG-3P電液執(zhí)行器出現(xiàn)的零位行程偏移問題，將在下個(gè)檢修周期予以更換維修，重點(diǎn)檢查電磁線圈、閥芯復(fù)位彈簧、動(dòng)力活塞磨損情況等。