航改型燃機燃調(diào)閥故障原因分析及改進(jìn)措施

羅易洲

(國家管網(wǎng)集團聯(lián)合管道有限責(zé)任公司西部分公司生產(chǎn)運行部，新疆 烏魯木齊 830013)

1 引言

隨著天然氣管線里程不斷增長，壓縮機組運行穩(wěn)定性的提升愈發(fā)重要。國內(nèi)現(xiàn)有在役天然氣長輸管線燃驅(qū)壓縮機組總計140余套，現(xiàn)有燃驅(qū)壓縮機組整體系統(tǒng)相對復(fù)雜，調(diào)速范圍僅65%～105%，運行期間因燃料氣污染、供電異常、閥門本體故障極易導(dǎo)致燃料氣系統(tǒng)運行異常，觸發(fā)機組停機后4 h 內(nèi)無法及時恢復(fù)備用?，F(xiàn)役天然氣長輸管線燃驅(qū)壓縮機組使用的燃調(diào)閥主要由GE(美國通用電氣公司)、西門子能源、索拉透平公司提供，其中GE、西門子公司燃調(diào)閥在國內(nèi)應(yīng)用較為廣泛，本文主要研究GE及西門子燃調(diào)閥故障規(guī)律，制定優(yōu)化處置措施，開展預(yù)防性運維檢修作業(yè)，爭取將燃料氣系統(tǒng)故障降至最低，逐步提升燃驅(qū)機組整體可靠性。

2 燃料氣計量閥基本信息

燃料氣調(diào)節(jié)閥是根據(jù)燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速、功率等要求，按照自動化控制的信號，遵照一定的燃料氣供給規(guī)律，向燃?xì)廨啓C燃燒室燃料罐供應(yīng)一定數(shù)量氣體燃料的調(diào)節(jié)裝置。在緊急情況下，燃料氣計量閥也能快速終止燃料氣的供給并排空燃料氣管路系統(tǒng)內(nèi)的氣體燃料，在燃?xì)廨啓C系統(tǒng)內(nèi)扮演著重要的角色。

該閥為精密調(diào)節(jié)閥，主要由閥體、閥芯及執(zhí)行機構(gòu)組成。當(dāng)閥門收到開啟信號時，上部電機開始順時針轉(zhuǎn)動，并通過電機軸前端的滾珠絲桿(右旋螺紋)，提升中間聯(lián)接套，帶動閥芯向上運行，完成開啟動作，中間彈簧為回座彈簧，當(dāng)電機提升力大于彈簧回座力與閥芯自重之和時，閥門向上開啟，增大閥門開度，反之，當(dāng)彈簧回座力大于電機提升力時，閥門向下關(guān)閉，減小閥門開度。因此，當(dāng)機組正常運行時，根據(jù)負(fù)載的大小，需要隨時調(diào)整閥門開度以調(diào)節(jié)機組的燃?xì)夤饬浚虚g聯(lián)接套與提升螺桿始終保持小幅運動狀態(tài)，此處部位極易磨損。

電機軸前端與中間聯(lián)接套之間采用滾珠絲杠螺母副，可實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動與直線運動相互轉(zhuǎn)換，它的結(jié)構(gòu)特點是在具有螺旋槽的絲杠螺母中裝有滾珠作為中間傳動元件，以減少摩擦絲杠和螺母上的摩擦，絲杠與螺母之間都加工有圓弧形的螺旋槽，這兩個圓弧形螺旋槽對合形成一個螺旋線滾道。在滾道內(nèi)裝上滾珠，當(dāng)絲杠與螺母相對運動時，滾珠沿螺旋槽向前滾動，絲杠與螺母之間基本上為滾動摩擦。為防止?jié)L珠從螺母中滾出來，在螺母的螺旋槽兩端設(shè)有回程引導(dǎo)裝置，使?jié)L珠能循環(huán)流動。

GE燃驅(qū)機組使用的燃調(diào)閥型號為GS16，該計量閥由閥門、電動執(zhí)行機構(gòu)和控制器三部分組成?？刂破鹘邮盏綑C組控制系統(tǒng)的位置命令信號后，通過比例模擬量輸出驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)改變閥門球形閥芯的扇形面積來控制燃料氣通過的流量。反饋信號由電動執(zhí)行機構(gòu)上的解算器生成，輸出閥門的旋轉(zhuǎn)位置。當(dāng)閥芯扇形面積增加是燃料氣通過流量增加，反之，燃料氣流向下降。執(zhí)行機構(gòu)包含一個模擬位置控制器，可通過4～20 mA的輸入信號接收信號。當(dāng)控制器收到一個模擬輸入時，控制器通過比例模擬量輸出驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)改變?nèi)剂蠚庥嬃块y球形閥芯的扇形面積來控制燃料氣通過的流量。閥上的解算器生成閥門的實際位置信息，并通過控制器將此信號發(fā)送給機組控制系統(tǒng)。

GS16閥是一個電子驅(qū)動的燃料閥，帶有內(nèi)置電子閥位控制器。此閥可接收命令信號，然后準(zhǔn)確定位球形燃料計量元件，露出與流量呈正比的有效面積。計量元件可通過由球形元件和底生成的剪切型動作進(jìn)行自我清潔。使用一個分解器進(jìn)行閥位反饋。分解器直接與燃料計量元件相連，無需使用連接裝置或齒輪系，進(jìn)而提高了準(zhǔn)確性。GS16燃調(diào)閥的閥體為球閥，當(dāng)電機轉(zhuǎn)動時帶動球閥轉(zhuǎn)動給出不同的開度。

3 燃調(diào)閥使用情況

目前國內(nèi)長輸天然氣管線航改型燃機主要使用GE、西門子燃調(diào)閥，分布于西氣東輸一線、二線和三線，其中GE機組燃調(diào)閥使用最為廣泛，燃調(diào)閥配置情況如表1所示。

表1 燃調(diào)閥分布表

4 燃調(diào)閥故障及原因分析

4.1 故障現(xiàn)狀

根據(jù)經(jīng)驗，燃調(diào)閥運行時間越長，故障次數(shù)越多。西一線、西二線西門子RB211機組燃料氣計量閥及其相關(guān)系統(tǒng)故障統(tǒng)計見表2。

表2 燃調(diào)閥故障表

4.2 拆解檢查

針對燃調(diào)閥在壓縮機組運行中遇到的各種問題，開展燃調(diào)閥拆卸檢查工作。西門子燃調(diào)閥拆卸檢查發(fā)現(xiàn)彈簧座通過鎖緊螺母與閥桿固定，連接桿穿過彈簧座。彈簧座承接壓縮彈簧的推力，當(dāng)電機作用的向上的拉力減小時，彈簧推力使閥桿向下運動，使閥門流通截面減小或關(guān)閉閥門。連接桿和閥桿皆做直線運動，彈簧座上設(shè)計有指示器和限位器，可以指示閥位(機械)和開關(guān)限位。

西門子燃調(diào)閥解構(gòu)決定了閥桿平衡盤外表面上堆積的污物導(dǎo)致閥門卡澀。軸承及閥桿檢查雖然有磨損情況存在，手動轉(zhuǎn)動未發(fā)現(xiàn)有卡澀問題，但其存在的磨損會影響閥門控制的精度。驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子頻繁來回旋轉(zhuǎn)以調(diào)節(jié)閥位，動作時導(dǎo)致軸承、滾珠及閥桿的磨損，同時軸承承受較大的軸向力(力的大小為彈簧力、閥桿重力及密封元件阻力、氣體壓力之和)，使得軸承、閥桿單側(cè)接觸，并將潤滑脂擠出，由于長期磨損潤滑脂減少，缺乏潤滑脂的潤滑，在接觸面上直接摩擦而產(chǎn)生磨損；另一方面，也可能閥門設(shè)計時選用的軸承型號不當(dāng)或軸承質(zhì)量不好造成。

GE機組燃調(diào)閥主要由控制板、驅(qū)動電機、閥體組成，拆解燃調(diào)閥檢查閥體存在油污雜質(zhì)。

在GE燃調(diào)閥運行過程中，如果機組發(fā)生跳機，控制系統(tǒng)會讓燃料氣計量閥瞬間關(guān)閉，由于閥門的球面出現(xiàn)磨損，閥門內(nèi)調(diào)節(jié)球體表面出現(xiàn)磨損。出現(xiàn)該現(xiàn)象由于過濾后的燃料氣存在微小雜質(zhì)，并且機組運行時閥門長時間在1%開度內(nèi)反復(fù)波動，在有微小雜志的情況下反復(fù)動作在球體表面產(chǎn)生磨損和碎屑堆積。這樣在閥門瞬間關(guān)閉的時候需要一個很大的力矩才能讓閥門關(guān)閉，這個瞬間力矩超過了電動執(zhí)行的設(shè)計范圍。電動機的功率不夠輸出這個力矩，導(dǎo)致電機隨著閥門一起處于卡住狀態(tài)，但是電動機還是在運行的。如果電動機長時間保持在這種狀態(tài)，會導(dǎo)致大量的發(fā)熱，這也是燃調(diào)閥出現(xiàn)故障時候整個燃料氣計量閥閥體發(fā)燙的原因。

4.3 故障分析

近年來西門子RB211燃機的燃調(diào)閥故障現(xiàn)象較多，但故障總體分為兩部分：一部分故障的確是由于燃調(diào)閥卡澀導(dǎo)致的，而燃調(diào)閥一旦卡澀只能換閥，目前天然氣輸送單位可自行維修閥，也可返廠送修；另一部分燃調(diào)閥的故障并非由燃調(diào)閥本身引起，其他相關(guān)系統(tǒng)的故障，如液壓啟動系統(tǒng)、VIGV系統(tǒng)等的設(shè)備缺陷一樣可以導(dǎo)致與燃調(diào)閥相關(guān)的故障報警產(chǎn)生，在沒有弄清楚燃調(diào)閥及其相關(guān)系統(tǒng)是如何配合運作的情況下，在故障處理時極易造成工作方向的錯誤，最終使得功能正常的燃調(diào)閥被更換拆解。

燃調(diào)閥的故障報警多出現(xiàn)在燃?xì)廨啓C啟機的過程中，其中和燃調(diào)閥控制程序和液壓啟動系統(tǒng)的關(guān)系最為密切，由于液壓泵斜盤的角度會直接影響啟機時高壓壓氣機轉(zhuǎn)子的速度，所以在處理燃調(diào)閥及其相關(guān)系統(tǒng)的故障時不能不考慮壓氣啟動系統(tǒng)的配合。至于VIGV可調(diào)進(jìn)氣導(dǎo)向葉片機構(gòu)，一般在機組啟機成功后加載時才會對燃料氣系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

同時，與燃調(diào)閥相關(guān)的回路供電、反饋以及控制器的匹配等等問題，經(jīng)常制約著燃調(diào)閥的正常運行。了墩西三線燃調(diào)閥的控制器安裝在西二線煙墩站后就出現(xiàn)過控制器不匹配的問題，需要重新設(shè)置調(diào)節(jié)。輪南站3#機組、西二線煙墩站3#機組也均出現(xiàn)了由供電二極管、供電模塊損壞導(dǎo)致的燃調(diào)閥故障。此類故障均為非燃調(diào)閥本體的故障。

(1)燃調(diào)閥的供電分析

西一線西門子機組燃調(diào)閥驅(qū)動電機的供電與西二線供電方式一樣，均為雙路144V的供電，而雙路的供電并非冗余供電方式，而是雙路144V共同驅(qū)動電機動作以增大功率，在處理故障的時候要格外小心，不能在最終的電壓輸出端進(jìn)行電壓測量，而是要確認(rèn)雙路電壓均為144V，才能確定為供電正常。

(2)燃調(diào)閥的卡澀分析

燃調(diào)閥在卡澀后會出現(xiàn)各種情況，有時會出現(xiàn)卡澀在工作位置無法回位的情況，有時會出現(xiàn)回位到“0”的開度時上位機反饋仍為閥開的情況，有時會出現(xiàn)燃調(diào)閥無法大范圍動作的情況。針對不同的情況有不同的處理方式。

當(dāng)出現(xiàn)燃調(diào)閥卡澀在工作位置時，一般卡澀在“23%”左右時，需要斷開燃調(diào)閥的所有供電，然后重新上電，是的燃調(diào)閥盡量歸零，防止長期卡澀損壞閥內(nèi)部的彈簧機構(gòu)，給閥的拆解維修帶來麻煩。目前針對這類卡澀問題，我技服中心已具備自行維修的能力，需要重新購置滾珠絲杠螺母副、潤滑脂等進(jìn)行關(guān)鍵部件進(jìn)行更換后方可修復(fù)。

當(dāng)出現(xiàn)燃調(diào)閥燃調(diào)閥無法歸零，例如西一線哈密站燃調(diào)閥在0.1%位置反饋顯示閥開始，需要將閥拆解后重新調(diào)整全關(guān)的開度，將滾珠絲杠螺母副稍稍向下調(diào)整后，進(jìn)行測試，當(dāng)全關(guān)到位時，機械反饋部分會伴隨有“咔嚓”聲以顯示全關(guān)到位。燃調(diào)閥回裝后需要進(jìn)行強制命令的閥位測試，直到運行正常為止。

當(dāng)出現(xiàn)燃調(diào)閥無法大范圍動作的情況時，需要將閥進(jìn)行拆解，取出絲杠螺母副以及其中的彈珠，用酒精清洗后觀察絲杠螺母副是否能繼續(xù)使用。

如果金屬碎屑較多，需要重新更換絲杠螺母副，如果絲杠螺母副無損壞，需重新加潤滑脂后再回裝。燃調(diào)閥回裝后需要進(jìn)行強制命令的閥位測試，直到運行正常為止。

(3)控制模塊故障

燃調(diào)閥控制模板故障多發(fā)生于西一線GE機組一般是通過更換驅(qū)動板備件EM35 Driver，重新配置和校驗?zāi)K后，恢復(fù)了機組運行。燃調(diào)閥通訊故障主要發(fā)生在西二線GE機組，表現(xiàn)為多個數(shù)據(jù)包發(fā)生離線，無法與控制器進(jìn)行通訊，查看數(shù)據(jù)包高級診斷信息，均出現(xiàn)連接超時，由此判斷數(shù)據(jù)包與控制器通訊中斷，導(dǎo)致該數(shù)據(jù)包采集的數(shù)據(jù)無法上傳至控制器，進(jìn)而在人機控制接上無法顯示。發(fā)生該現(xiàn)象的原因有兩種：通訊網(wǎng)絡(luò)故障，某個數(shù)據(jù)包發(fā)生故障導(dǎo)致同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他數(shù)據(jù)包與控制器通訊中斷，同時數(shù)據(jù)包PCLA、PPRA存在問題，工作不正常，一般由更換數(shù)據(jù)包或交換機解決問題。

5 燃調(diào)閥維護(hù)檢查方法

結(jié)合燃調(diào)閥供電、控制程序、與相關(guān)系統(tǒng)的配合以及燃調(diào)閥本體卡澀等故障，燃調(diào)閥及其相關(guān)系統(tǒng)的維護(hù)檢查處理方法見圖1。

圖1

燃調(diào)閥及其相關(guān)系統(tǒng)的故障涉及面很廣，當(dāng)故障出應(yīng)該首先調(diào)用N1轉(zhuǎn)速、N2轉(zhuǎn)速、N3轉(zhuǎn)速、燃調(diào)閥開度、燃調(diào)閥反饋等相關(guān)點的歷史數(shù)據(jù)，但是同時也要調(diào)用液壓啟動泵出口壓力、IGV開度的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，將故障范圍初步的縮小。經(jīng)過分析確認(rèn)后，如果確認(rèn)為燃料氣系統(tǒng)的故障，再進(jìn)行進(jìn)一步的分析，檢查是否是閥本體的問題還是控制器、燃料氣管路系統(tǒng)、供電的問題，每一項可能存在的故障因素都必須要排除。

在確認(rèn)為閥體故障的時候，可以視情進(jìn)行維修選擇，選擇購買備件自行維修或者送修。在確認(rèn)為控制器故障的情況下，需要按照作業(yè)流程重新更換控制器，如果控制器不匹配，需重新設(shè)置。在確認(rèn)為燃料氣管路系統(tǒng)問題的時候，需要檢驗管路內(nèi)燃料氣調(diào)壓閥、關(guān)斷閥、放空閥等是否工作正常，是否有因管路內(nèi)雜質(zhì)存在無法關(guān)到位的情況。當(dāng)確認(rèn)為供電問題是，需要排查整個燃調(diào)閥系統(tǒng)電機供電、反饋供電、使能供電信號等等，確認(rèn)每一個供電回路工作正常，并及時更換損壞的電源模塊。

西一線、西二線機組燃調(diào)閥及其相關(guān)系統(tǒng)的故障率較高，在處理故障時，應(yīng)該科學(xué)分析燃料氣系統(tǒng)本體存在的故障，同時也要綜合分析其他相關(guān)系統(tǒng)和燃料氣系統(tǒng)的配合問題，只有搞清了燃機整體系統(tǒng)如何相互配合作業(yè)，才能及時有效的處理故障。