Solar T60 型燃?xì)廨啓C(jī)喘振故障的排除

楊福海

（中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司，廣東深圳 518000）

0 引言

燃?xì)廨啓C(jī)是用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)、壓縮機(jī)、泵和其他外在設(shè)備的動(dòng)力設(shè)備。燃?xì)廨嗊\(yùn)行穩(wěn)定、效率高，且機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、重量輕，已在海上平臺(tái)和陸地天然氣終端大量應(yīng)用，成為保障油田、天然氣終端穩(wěn)定生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備。但由于燃?xì)廨啓C(jī)本身結(jié)構(gòu)和邏輯控制復(fù)雜，自動(dòng)化程度高，對(duì)設(shè)備維修人員提出了更高的技術(shù)要求。除日常維護(hù)維修外，排除難度較大的故障，要求維修人員能夠快速、準(zhǔn)確、高效地解決問(wèn)題，及時(shí)恢復(fù)電網(wǎng)供應(yīng)，保障油田的穩(wěn)定生產(chǎn)。

1 Solar T60 型透平燃?xì)廨啓C(jī)喘振故障案例分析

某海上平臺(tái)Solar T60 型燃?xì)廨啓C(jī)在完成機(jī)組冷洗工作后，啟動(dòng)機(jī)組準(zhǔn)備進(jìn)行并網(wǎng)，然而在啟動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)異常，機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)振動(dòng)并伴隨低沉的“怒吼”聲，維修人員緊急關(guān)機(jī)，使透平啟動(dòng)中斷，現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)透平關(guān)機(jī)報(bào)警，并觸發(fā)延時(shí)鎖定系統(tǒng)。從機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)的振動(dòng)、聲響以及人機(jī)界面顯示器上透平T5 溫度忽高忽低的變化，以及機(jī)組轉(zhuǎn)速不能持續(xù)上升的現(xiàn)象來(lái)判斷，初步認(rèn)定機(jī)組在啟動(dòng)過(guò)程中發(fā)生了喘振現(xiàn)象。喘振是壓氣機(jī)的一種不穩(wěn)定工作狀態(tài)，在喘振狀態(tài)下，壓氣機(jī)中的氣流發(fā)生大幅度的軸向振蕩，同時(shí)還會(huì)伴隨著低頻“怒吼”聲響，使機(jī)組產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，這種現(xiàn)象通稱為喘振現(xiàn)象。當(dāng)壓氣機(jī)發(fā)生嚴(yán)重喘振時(shí)，往往會(huì)導(dǎo)致壓氣機(jī)葉片斷裂，從而可能進(jìn)一步演變成災(zāi)難性事故。在透平機(jī)設(shè)計(jì)中，為了防止發(fā)生喘振，都會(huì)采取一些防喘振措施，包括安裝IGV（Inlet Guide Vanes，可轉(zhuǎn)進(jìn)氣導(dǎo)葉）、防喘放氣閥（Bleed Valve）和采用雙轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)等。Solar T60 型燃?xì)廨啓C(jī)采用了可轉(zhuǎn)進(jìn)氣導(dǎo)葉和防喘放氣閥兩種防喘振措施。

1.1 喘振原因分析

當(dāng)流經(jīng)壓氣機(jī)的空氣流量減少到一定程度而使壓氣機(jī)運(yùn)行進(jìn)入喘振工況時(shí)，整臺(tái)壓氣機(jī)就不能穩(wěn)定工作，此時(shí)空氣流量就會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)（忽大忽?。?，壓力出現(xiàn)脈動(dòng)（忽高忽低）而發(fā)生喘振，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)氣流從進(jìn)氣口倒流出來(lái)的現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)Solar T60 型燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和啟機(jī)過(guò)程中的邏輯控制分析，得出引起本次喘振現(xiàn)象的原因主要有以下4 個(gè)方面。

1.1.1 空氣入口過(guò)濾器嚴(yán)重污染阻塞

Solar T60 型燃?xì)廨啓C(jī)空氣入口過(guò)濾器由兩級(jí)組成，第一級(jí)為濾棉型過(guò)濾器，第二級(jí)為圓筒形紙質(zhì)過(guò)濾器。在機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，第一級(jí)過(guò)濾器會(huì)過(guò)濾掉空氣進(jìn)氣中較大的灰塵顆粒、油氣和水分，同時(shí)過(guò)濾器表面會(huì)逐漸發(fā)黑、表面的附著物成輕微泥巴狀，使得過(guò)濾器通透性下降，引起進(jìn)入壓氣機(jī)的空氣流量降低。因此，需要及時(shí)更換過(guò)濾器。第二級(jí)過(guò)濾器過(guò)濾更小的灰塵顆粒，進(jìn)一步凈化進(jìn)入壓氣機(jī)的空氣質(zhì)量。在過(guò)濾器下游和大氣之間安裝了過(guò)濾器壓差變送器，當(dāng)壓差達(dá)到5 英尺水柱時(shí)，變送器觸發(fā)壓差高報(bào)警；當(dāng)壓差達(dá)到7 英尺水柱的上限時(shí)，變送器觸發(fā)報(bào)警并使透平機(jī)組停機(jī)。二級(jí)過(guò)濾器更換周期為9000 h 或達(dá)到壓差高報(bào)警值。當(dāng)空氣入口過(guò)濾器嚴(yán)重污染阻塞時(shí)，會(huì)使得進(jìn)入壓氣機(jī)的空氣流量嚴(yán)重下降，流量減少到一定程度會(huì)引起壓氣機(jī)喘振。

1.1.2 軸流壓氣機(jī)嚴(yán)重污染

當(dāng)軸流壓氣機(jī)發(fā)生嚴(yán)重污染時(shí)，污染物大量附著在壓氣機(jī)葉片上，嚴(yán)重時(shí)將影響進(jìn)入壓氣機(jī)的空氣流量，使得壓氣機(jī)效率下降，性能曲線發(fā)生改變，流量降到一定程度時(shí)，將使壓氣機(jī)越過(guò)喘振邊界線進(jìn)入喘振工況，從而引發(fā)喘振現(xiàn)象。

1.1.3 可轉(zhuǎn)進(jìn)氣導(dǎo)葉故障

在啟機(jī)過(guò)程中或機(jī)組在低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)（機(jī)組轉(zhuǎn)速Ngp＜90%），可轉(zhuǎn)進(jìn)氣導(dǎo)葉將處于“關(guān)”位，控制空氣進(jìn)入壓氣機(jī)的角度和流量，防止啟機(jī)過(guò)程中和低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)發(fā)生喘振?？赊D(zhuǎn)進(jìn)氣導(dǎo)葉由液控電磁換向閥、液壓缸、連桿、拉桿等控制和驅(qū)動(dòng)。當(dāng)可轉(zhuǎn)進(jìn)氣導(dǎo)葉發(fā)生故障時(shí)，如啟機(jī)過(guò)程中，該“關(guān)”的時(shí)候“開”，就不能實(shí)現(xiàn)控制進(jìn)氣角度和流量的功能，也就不能起到防喘振作用，從而引起喘振現(xiàn)象的發(fā)生。

1.1.4 防喘放氣閥故障

在啟機(jī)過(guò)程中，防喘放氣閥應(yīng)處于“開”位（蝶閥全開），減小壓氣機(jī)背壓，防止喘振的發(fā)生。防喘放氣閥由擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)器、液控電磁換向閥驅(qū)動(dòng)和控制，當(dāng)防喘放氣閥發(fā)生故障時(shí)，如啟機(jī)的過(guò)程中，防喘放氣閥處于“關(guān)”位（蝶閥全關(guān)），則不能減小壓氣機(jī)背壓，也就不能起到防喘的作用，從而引起喘振現(xiàn)象的發(fā)生。

1.2 故障排除方法

1.2.1 確定故障現(xiàn)象

通過(guò)機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)振動(dòng)并伴隨低沉的“怒吼”聲，以及人機(jī)界面上顯示的T5 溫度忽高忽低的變化和Ngp 轉(zhuǎn)速不能持續(xù)上升的現(xiàn)象來(lái)判斷，可以確定透平在啟機(jī)過(guò)程中出現(xiàn)喘振現(xiàn)象。

1.2.2 確定相關(guān)的系統(tǒng)和零部件

引起喘振的主要系統(tǒng)和零部件為：空氣過(guò)濾器、壓氣機(jī)、防喘放氣閥、可轉(zhuǎn)進(jìn)氣導(dǎo)葉及其相關(guān)的控制系統(tǒng)。而喘振在啟機(jī)過(guò)程中出現(xiàn)，各相關(guān)系統(tǒng)和零部件狀態(tài)就是需要仔細(xì)檢查的主要方向。

1.2.3 測(cè)試

（1）空氣過(guò)濾器是否太臟而造成進(jìn)氣流量過(guò)小的判斷。實(shí)際運(yùn)行中，該透平機(jī)組完成冷洗工作的同時(shí)，也更換了已經(jīng)較臟的第一級(jí)進(jìn)氣過(guò)濾器，而第二級(jí)進(jìn)氣過(guò)濾器在線時(shí)間遠(yuǎn)未達(dá)到9000 h。再根據(jù)進(jìn)氣過(guò)濾器壓差變送器顯示數(shù)據(jù)來(lái)看，壓差實(shí)際為2.2 英尺水柱，壓差值在正常范圍之內(nèi)（0～5 英尺水柱），可以判斷不是因?yàn)檫^(guò)濾器太臟而引起進(jìn)氣流量變小。

（2）壓氣機(jī)是否太臟使進(jìn)氣流量過(guò)低原因的判斷。實(shí)際運(yùn)行中，該透平機(jī)剛剛完成冷洗工作，從冷洗的效果看，壓氣機(jī)冷洗使附著在壓氣機(jī)表面的污染物大部分被清洗掉，壓氣機(jī)此時(shí)應(yīng)處于“干凈”的狀態(tài)，因此可以判斷不是因壓氣機(jī)太臟引起進(jìn)氣流量變小。

（3）根據(jù)PLC 邏輯判斷。在啟機(jī)的過(guò)程中（轉(zhuǎn)速Ngp＜90%和發(fā)電機(jī)負(fù)載≤500 kW），此時(shí)防喘放氣閥應(yīng)處于“打開”狀態(tài)，而可轉(zhuǎn)進(jìn)氣導(dǎo)葉應(yīng)處于“關(guān)閉”狀態(tài)，如圖1 所示。檢查后發(fā)現(xiàn)，防喘放氣閥狀態(tài)符合邏輯，但可轉(zhuǎn)進(jìn)氣導(dǎo)葉處于“打開”狀態(tài)，不符合邏輯，說(shuō)明可轉(zhuǎn)進(jìn)氣導(dǎo)葉發(fā)生了故障。對(duì)可轉(zhuǎn)進(jìn)氣導(dǎo)葉進(jìn)行測(cè)試（得電“打開”，失電“關(guān)閉”），發(fā)現(xiàn)可轉(zhuǎn)進(jìn)氣導(dǎo)葉不能按邏輯工作。

圖1 可轉(zhuǎn)進(jìn)氣導(dǎo)葉（IGV）和防喘放氣閥（Bleed Valve）梯形圖

1.2.4 確定故障點(diǎn)

測(cè)試結(jié)果顯示，可轉(zhuǎn)進(jìn)氣導(dǎo)葉不能按邏輯“打開”和“關(guān)閉”，根據(jù)其控制流程圖，發(fā)現(xiàn)可能引起可轉(zhuǎn)進(jìn)氣導(dǎo)葉不能動(dòng)作的原因有：FS903-2 過(guò)濾器堵塞、L339 電磁液控?fù)Q向閥失效、驅(qū)動(dòng)可轉(zhuǎn)進(jìn)氣導(dǎo)葉運(yùn)動(dòng)的液壓缸CYL901 失效、可轉(zhuǎn)進(jìn)氣導(dǎo)葉根部卡死在氣缸上等5 種可能，如圖2 所示。通過(guò)排查和測(cè)試，發(fā)現(xiàn)是由于電磁液控?fù)Q向閥L339 線圈燒毀，導(dǎo)致?lián)Q向閥不能按照控制邏輯動(dòng)作，從而使可轉(zhuǎn)進(jìn)氣導(dǎo)葉不能正常工作。

圖2 可轉(zhuǎn)進(jìn)氣導(dǎo)葉液壓控制回路

1.2.5 維修后再次測(cè)試

從電磁閥線圈燒毀的情況來(lái)看，線圈已不能修復(fù)，更換新的電磁閥線圈，維修后測(cè)試電磁液控?fù)Q向閥功能正常。

1.2.6 回裝測(cè)試。

將電磁液控?fù)Q向閥回裝，啟機(jī)測(cè)試，喘振現(xiàn)象消失，機(jī)組運(yùn)行正常，順利帶載并網(wǎng)。

1.2.7 內(nèi)窺鏡檢查

針對(duì)喘振故障，啟機(jī)測(cè)試前還需要對(duì)壓氣機(jī)進(jìn)行內(nèi)窺鏡檢查，判斷喘振現(xiàn)象的發(fā)生是否已對(duì)壓氣機(jī)葉片造成損傷。嚴(yán)重的喘振會(huì)造成壓氣機(jī)毀滅性的損傷，因此不能盲目啟機(jī)測(cè)試。

2 燃?xì)廨啓C(jī)常見故障的排除方法和思路探討

由于燃?xì)廨啓C(jī)本身結(jié)構(gòu)和邏輯控制復(fù)雜，自動(dòng)化程度高，掌握其原理、結(jié)構(gòu)和各大系統(tǒng)功能，是故障排除的理論基礎(chǔ)。而掌握一定的故障排除方法，是保障排故工作快速、準(zhǔn)確、高效和降低維修成本的關(guān)鍵。

2.1 試錯(cuò)法或更換備件法

試錯(cuò)法或更換備件法，是一種常被對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)、輔助系統(tǒng)、控制系統(tǒng)不夠了解的維修人員采取的故障排除方法，往往通過(guò)對(duì)疑似故障零部件的更換來(lái)達(dá)到解決故障的目的。但該方法解決故障速度慢、效率低、消耗材料備件花費(fèi)大，且局限性大，在遇到比較復(fù)雜的、綜合因素引起的故障問(wèn)題時(shí)，往往顯得束手無(wú)策。這種試錯(cuò)法顯然不適合結(jié)構(gòu)和邏輯控制復(fù)雜、自動(dòng)化程度高的燃?xì)廨啓C(jī)的故障排除工作。

2.2 燃?xì)廨啓C(jī)的一般故障排除方法

結(jié)合案例分析過(guò)程，針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)自身結(jié)構(gòu)、控制等特點(diǎn)，總結(jié)其一般故障排除方法，其基本步驟可分為：判斷故障發(fā)生的現(xiàn)象、癥狀和相關(guān)境況，確定相關(guān)的系統(tǒng)和零部件，進(jìn)行測(cè)試，確定故障點(diǎn)，找出需維修的零部件，維修后再次對(duì)零部件進(jìn)行測(cè)試，回裝到機(jī)組系統(tǒng)啟動(dòng)測(cè)試等7 個(gè)步驟。在本案例中，首先結(jié)合現(xiàn)象、參數(shù)變化確定了啟機(jī)過(guò)程中機(jī)組發(fā)生了喘振現(xiàn)象，找到相關(guān)系統(tǒng)和零部件，判斷啟機(jī)過(guò)程中該部件的狀態(tài)，判斷部件是否出現(xiàn)異常，再進(jìn)行維修測(cè)試。系統(tǒng)化綜合分析已成為故障分析和排除的一般模式，這種方式具有快速、準(zhǔn)確、效率高等特點(diǎn)，符合燃?xì)廨啓C(jī)一般故障排除的要求。

2.3 利用HMI（Human Message Interface，人機(jī)界面）

Solar T60 型燃?xì)廨啓C(jī)配置有TT 4000 監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)界面（圖3），能精確地顯示機(jī)組各系統(tǒng)在停機(jī)、啟動(dòng)、并網(wǎng)、帶負(fù)荷、脫網(wǎng)等狀態(tài)下的主要工作參數(shù)，幫助相關(guān)人員監(jiān)控、判斷透平發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)，為維護(hù)、維修和故障排除提供很多的便利。

圖3 人機(jī)界面透平機(jī)報(bào)警歷史記錄

2.4 利用PLC 邏輯控制系統(tǒng)

Solar T60 型燃?xì)廨啓C(jī)采用RSLogix 5 PLC 控制系統(tǒng)（新機(jī)組多采用RSLogix 5000），可隨時(shí)調(diào)取相關(guān)的PLC 梯形圖，查看控制邏輯和設(shè)定點(diǎn)參數(shù)等相關(guān)信息，為故障排除提供詳細(xì)的參考依據(jù)（圖4）。

圖4 Solar T60 型燃?xì)廨啓C(jī)可轉(zhuǎn)進(jìn)氣導(dǎo)葉、防喘放氣閥控制邏輯

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)Solar T60 型燃?xì)廨啓C(jī)喘振故障的原因分析、故障排查和排除，總結(jié)并找出了適合結(jié)構(gòu)和邏輯控制復(fù)雜、自動(dòng)化程度高的燃?xì)廨啓C(jī)較為科學(xué)的故障排除方法；明確了人機(jī)界面和邏輯控制的重要作用，拓寬了故障排除思路；能夠快速、準(zhǔn)確和高效地解決燃?xì)廨啓C(jī)故障難題，快速恢復(fù)油田電力的供應(yīng)，為油田穩(wěn)定生產(chǎn)提供保障。一線維修人員應(yīng)全面了解、掌握、熟悉燃?xì)廨啓C(jī)的系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)和控制邏輯，努力提高自身技能，為油田穩(wěn)定生產(chǎn)做出貢獻(xiàn)。