海洋平臺發(fā)電機(jī)組柴油機(jī)游車故障排查與改進(jìn)措施

0 引言

某海洋石油平臺主電站配備了3臺柴油發(fā)電機(jī)組，均由KTA19-G3（M型康明斯柴油機(jī)和HCM534D1型船用三相交流無刷同步發(fā)電機(jī)配套組成。整個(gè)主電站為中線不接地絕緣系統(tǒng)，3臺柴油發(fā)電機(jī)組及其輔助系統(tǒng)安裝在下層甲板的主發(fā)電機(jī)間，發(fā)電機(jī)組的配電系統(tǒng)安裝在主開關(guān)間，為平臺上的各種設(shè)施和設(shè)備提供持續(xù)穩(wěn)定的電力資源。

1故障現(xiàn)象

某海洋石油平臺主電站第2臺柴油發(fā)電機(jī)組（簡稱主機(jī)B）帶載功率為150kW。主機(jī)B進(jìn)行常規(guī)保養(yǎng)運(yùn)行7d后，其柴油機(jī)突然發(fā)生游車故障。柴油機(jī)游車是指柴油機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，不能隨著負(fù)荷的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)循環(huán)供油量，其轉(zhuǎn)速忽高忽低、運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定的故障。

該柴油機(jī)發(fā)生游車故障后，造成平臺電網(wǎng)波動(dòng)、主機(jī)B主斷路器保護(hù)跳閘，導(dǎo)致平臺主電站失電。平臺主電站失電后，操縱主機(jī)B繼續(xù)試運(yùn)行，帶載功率為 0kW 發(fā)電機(jī)頻率在 48～52Hz 范圍內(nèi)波動(dòng)。每次檢修后，主機(jī)B均可啟動(dòng)并正常帶載運(yùn)行，但是啟動(dòng)運(yùn)行7＼～10d后，該柴油機(jī)仍然發(fā)生游車故障。

2故障排查方法

分析認(rèn)為，柴油機(jī)發(fā)生游車故障的一般原因，是其電控系統(tǒng)或者燃油供給系統(tǒng)出現(xiàn)故障。柴油機(jī)游車故障的排查，要結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際情況，從與電控系統(tǒng)或者燃油供給系統(tǒng)相關(guān)的各個(gè)方面，按照由外到內(nèi)、從簡單到復(fù)雜的順序，從柴油機(jī)外觀、平臺負(fù)載、電控系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)以及充電裝置等方面逐一進(jìn)行排查，以節(jié)約時(shí)間和提高效率。

3故障排查過程

3.1柴油機(jī)外觀排查

柴油機(jī)出現(xiàn)游車時(shí)，檢查其外觀良好，無變形和受外力撞擊現(xiàn)象；噪聲和振動(dòng)有所增加，但無敲缸聲音；柴油機(jī)潤滑油液位和水溫正常；機(jī)體無油漬、水漬等異常液體殘留。發(fā)電機(jī)組保持運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，在柴油機(jī)PT泵的進(jìn)油管接頭處涂抹潤滑油，潤滑油未被吸進(jìn)進(jìn)油管，表明進(jìn)油管密封良好、沒有空氣進(jìn)入[2。停機(jī)后檢查柴油機(jī)進(jìn)排氣管道連接緊密，無松動(dòng)和破損，電控線路沒有老化、短路、接頭松動(dòng)現(xiàn)象。

3.2平臺負(fù)載排查

該石油平臺負(fù)載包括平臺生產(chǎn)設(shè)施、公用機(jī)械、照明系統(tǒng)、電熱系統(tǒng)、廚房用電設(shè)備和洗衣設(shè)備等。排查平臺負(fù)載時(shí)，平臺的生產(chǎn)流程穩(wěn)定，負(fù)載變化為30kW左右。發(fā)電機(jī)組的額定功率為 350kW ，負(fù)載變化只占發(fā)電機(jī)組額定功率的 8.6% ，遠(yuǎn)小于發(fā)電機(jī)組 80% 的突然加卸載能力。且主機(jī)B的帶載功率為 150kW ，帶載率為額定功率的 43% ，屬于輕載運(yùn)行。根據(jù)理論數(shù)值和發(fā)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況， 8.6% 的負(fù)載變化和 43% 的輕載運(yùn)行均不會(huì)引起柴油機(jī)發(fā)生游車故障。

3.3電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和故障排查

3.3.1 電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

柴油機(jī)機(jī)旁儀表箱（LOCALPANEL）和現(xiàn)場控制盤（CONTROLPANEL）共同組成電控系統(tǒng)。機(jī)旁儀表箱上設(shè)有燃油壓力表、潤滑油壓力表、水溫表、油溫表、轉(zhuǎn)速表、排溫表、機(jī)旁/遙控開關(guān)、起動(dòng)／停機(jī)及緊急停機(jī)按鈕，均屬于柴油機(jī)機(jī)帶設(shè)備。

現(xiàn)場控制盤內(nèi)配置可編程邏輯控制器（PLC），面板上設(shè)有電壓表，電流表，頻率表等交流儀表，以及顯示發(fā)電機(jī)組工作狀態(tài)與報(bào)警的指示燈，控制發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)、停機(jī)、試燈、消音、復(fù)位等按鈕?，F(xiàn)場控制盤的主要功能包括發(fā)電機(jī)組自動(dòng)啟停、故障報(bào)警停機(jī)、蓄電池充電和油水加熱控制等幾個(gè)部分，與柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、配電盤和中央控制室連接，是發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測和現(xiàn)場控制的核心。

現(xiàn)場控制盤接收發(fā)電機(jī)組停機(jī)、發(fā)電機(jī)電壓和柴油機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號，經(jīng)過轉(zhuǎn)換處理，將停機(jī)、調(diào)速和調(diào)壓信號，分別給到柴油機(jī)機(jī)旁儀表箱和發(fā)電機(jī)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)（AVR），實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組停機(jī)、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)功能。發(fā)電機(jī)組電氣控制系統(tǒng)如圖1所示。

3.3.2 故障排查

當(dāng)柴油機(jī)發(fā)生游車故障、主機(jī)B主斷路器保護(hù)跳閘后，發(fā)電機(jī)組繼續(xù)運(yùn)行，機(jī)旁儀表箱上的燃油壓力表、潤滑油壓力表、轉(zhuǎn)速表隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速有規(guī)律的變化?，F(xiàn)場控制盤上的電流表為零，電壓表、頻率表同樣隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速有規(guī)律的變化，蜂鳴器報(bào)警，警示燈閃爍。

進(jìn)行發(fā)電機(jī)組功能測試時(shí)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)失去速度調(diào)節(jié)功能，發(fā)電機(jī)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)可正常工作。手觸中控室發(fā)電機(jī)組停機(jī)信號，發(fā)電機(jī)組立即停機(jī)且報(bào)警消失。經(jīng)過多次測量和試驗(yàn)，可以斷定，發(fā)電機(jī)組電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)、輔助控制信號和中控室停機(jī)信號運(yùn)行正常。雖然柴油機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)不能正常工作，但是仍然沒有找到游車故障的確切原因。

3.4燃油供給系統(tǒng)排查

3.4.1排查柴油質(zhì)量

由供給船將柴油注入到海洋石油平臺的柴油儲(chǔ)存柜中，柴油儲(chǔ)存柜中的柴油經(jīng)雙聯(lián)濾清器給日用柴油箱自動(dòng)供油。柴油機(jī)燃燒后的剩余柴油，經(jīng)回流管線回流至日用柴油箱。發(fā)生游車故障時(shí)，對日用柴油箱底層和進(jìn)入發(fā)電機(jī)組柴油管路的柴油取樣，發(fā)現(xiàn)油樣清澈透明、無懸浮物、無鐵屑和油泥等雜質(zhì)，3臺發(fā)電機(jī)組共用一個(gè)日用柴油箱和一段供油管路，主機(jī)A、C正常運(yùn)行，由此可以確定柴油沒有受到污染。

3.4.2排查主要部件

KTA19-G3（M）型柴油機(jī)燃油供給系統(tǒng)由輸油泵、燃油濾清器、PT泵、噴油器和燃油管路等組成，采用康明斯PT直噴燃油和先進(jìn)的EFC電子調(diào)速器系統(tǒng)。PT泵與其他燃油泵不同，其油量調(diào)節(jié)在PT泵中進(jìn)行，燃油產(chǎn)生高壓和定時(shí)噴射在噴油器中完成，無高壓油管，各噴油器與同一PT泵相連[3]。EFC電子調(diào)速器系統(tǒng)包括安裝在柴油機(jī)飛輪殼上的轉(zhuǎn)速傳感器、安裝在PT泵上的執(zhí)行器和安裝在遙控盤上的控制器3部分。

隨著時(shí)間的推移，游車故障發(fā)生次數(shù)增加，故障排查按照由外到內(nèi)、由簡單到復(fù)雜的順序，依次更換了燃油供給系統(tǒng)的燃油濾器、轉(zhuǎn)速傳感器、PT泵、控制器以及連接的管路和線纜，但是故障現(xiàn)象仍然存在[4]。

3.5充電裝置排查

3.5.1充電裝置結(jié)構(gòu)

KTA19-G3（M）型柴油機(jī)配備了1組24V蓄電池。當(dāng)柴油機(jī)啟動(dòng)時(shí)，蓄電池為啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)提供電流，使柴油機(jī)順利啟動(dòng)。啟動(dòng)完成后，蓄電池?fù)?dān)負(fù)著為控制系統(tǒng)存儲(chǔ)電能和穩(wěn)定系統(tǒng)電壓的作用。柴油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其充電裝置（康明斯無刷發(fā)電機(jī)24V/35A）為蓄電池充電，同時(shí)為電控系統(tǒng)提供24V電源。

3.5.2 故障排查

查閱主機(jī)B運(yùn)行記錄，得知每次游車故障間隔周期為7d左右。更換新蓄電池后，游車故障間隔周期變?yōu)?0d左右。這說明游車故障發(fā)生的間隔與更換蓄電池有關(guān)。分析認(rèn)為，如果柴油機(jī)的充電裝置損壞，在發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過程中，蓄電池持續(xù)放電卻得不到充電，電控系統(tǒng)的電壓會(huì)持續(xù)降低；當(dāng)電壓過低時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)無法正常工作，會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)游車。

啟動(dòng)主機(jī)B，連續(xù)不斷地檢測蓄電池電壓，發(fā)現(xiàn)隨著主機(jī)B的運(yùn)行，蓄電池電壓由剛啟機(jī)時(shí)的24.5V逐漸降低。經(jīng)過2d時(shí)間，當(dāng)蓄電池電壓降低到22V時(shí)將負(fù)載轉(zhuǎn)移給主機(jī)A，然后手動(dòng)停止主機(jī)B。主機(jī)B停機(jī)后更換新的康明斯24V無刷發(fā)電機(jī)，啟機(jī)前測量蓄電池電壓為26V，啟動(dòng)主機(jī)B并帶載運(yùn)行，柴油機(jī)游車故障消失。

通過查找《康明斯查閱故障排除圖表》，發(fā)現(xiàn)在24V系統(tǒng)中，當(dāng)電壓低于19V時(shí)，會(huì)造成電子調(diào)速器故障、導(dǎo)致柴油機(jī)游車，故障分析得到了印證。

4改進(jìn)措施

4.1 優(yōu)化充電流程

4.1.1現(xiàn)場控制盤24V充電器充電原理

現(xiàn)場控制盤配有一個(gè)24V充電器，當(dāng)發(fā)電機(jī)組停機(jī)后，現(xiàn)場控制盤的24V充電器給蓄電池充電；當(dāng)發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)和發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，220V電源斷開，現(xiàn)場控制盤的24V充電器停止運(yùn)行?，F(xiàn)場控制盤的24V充電器充電原理如圖2所示。

根據(jù)圖2分析，交流220V電源經(jīng)過開關(guān)Q3，接到接觸器RA3主觸點(diǎn)，經(jīng)RA3主觸點(diǎn)后再接入24V充電器。現(xiàn)場控制盤的24V充電器出口電源線直接連接到柴油機(jī)24V蓄電池組。K1為發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)狀態(tài)繼電器，K17為發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)繼電器，KC1為充電器報(bào)警繼電器。

當(dāng)發(fā)電機(jī)組停止運(yùn)行時(shí)，K1和K17繼電器常閉觸點(diǎn)閉合，接觸器RA3線圈得電，RA3主觸點(diǎn)閉合，現(xiàn)場控制盤的24V充電器給蓄電池充電；當(dāng)發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)和運(yùn)行時(shí)，K1和K17繼電器常閉觸點(diǎn)斷開，RA3主觸點(diǎn)斷開，現(xiàn)場控制盤的24V充電器停止給蓄電池充電。

4.1.2柴油機(jī)充電裝置損壞難以發(fā)現(xiàn)的原因

柴油機(jī)的24V充電裝置損壞后，在發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過程中，燃油和電控系統(tǒng)持續(xù)消耗蓄電池電能，蓄電池持續(xù)放電，電壓逐漸下降。當(dāng)電壓低于19V時(shí)，引起電子調(diào)速器故障而導(dǎo)致柴油機(jī)游車。當(dāng)柴油機(jī)因游車故障停機(jī)后，現(xiàn)場控制盤的24V充電器得電，開始給蓄電池充電。隨著檢修時(shí)長的增加，蓄電池電能儲(chǔ)量逐漸恢復(fù)，為下一次正常啟動(dòng)做好了準(zhǔn)備，同時(shí)也掩蓋了柴油機(jī)的24V充電裝置損壞導(dǎo)致蓄電池電壓降低的問題。

4.1.3優(yōu)化充電流程的方法

通過對上述充電原理進(jìn)行解讀，發(fā)現(xiàn)拆除損壞的柴油機(jī)24V充電裝置、短接K17繼電器常閉觸點(diǎn)、在現(xiàn)場控制盤的24V充電器處增加報(bào)警繼電器KC1后，在發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，現(xiàn)場控制盤的24V充電器停止工作。在發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，現(xiàn)場控制盤的24V充電器保持給蓄電池充電，補(bǔ)充電控系統(tǒng)的電能損耗。在現(xiàn)場控制盤的24V充電器發(fā)生故障時(shí)，KC1常閉觸點(diǎn)閉合，發(fā)出聲光報(bào)警。這樣優(yōu)化蓄電池充電流程，可直接判斷故障，且節(jié)省維修費(fèi)用。

4.2更新控制設(shè)備

4.2.1現(xiàn)有控制設(shè)備的缺陷

平臺電站主要由柴油發(fā)電機(jī)組、現(xiàn)場控制盤、供配電系統(tǒng)和中控系統(tǒng)組成，各部分由不同的廠家生產(chǎn)，各廠家的控制理念不同。為實(shí)現(xiàn)更多功能，各部分需要相互連接，協(xié)同工作。復(fù)雜的連接關(guān)系導(dǎo)致出現(xiàn)一個(gè)故障時(shí)，需要在不同工況下，進(jìn)行全系統(tǒng)排查。柴油機(jī)機(jī)旁儀表箱和現(xiàn)場控制盤沒有蓄電池電壓表，現(xiàn)場控制盤沒有單獨(dú)的蓄電池低電壓報(bào)警，故障報(bào)警信息沒有被記錄，對非自身部分沒有有效監(jiān)控，導(dǎo)致增加故障排查難度。

4.2.2控制設(shè)備更新方法

更換新一代可編程邏輯控制器（PLC），增加觸摸屏，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。根據(jù)原PLC程序和各系統(tǒng)的連接關(guān)系，重新編寫PLC程序，對觸摸屏組態(tài)。通過更新控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障報(bào)警實(shí)時(shí)記錄。

5結(jié)束語

啟動(dòng)馬達(dá)運(yùn)行正常，發(fā)電機(jī)組能夠啟動(dòng)，說明蓄電池組不會(huì)發(fā)生饋電或者電壓過低，這種慣性思維，對工作人員排查柴油機(jī)游車故障產(chǎn)生了很大的誤區(qū)，是故障沒有及時(shí)排除的一個(gè)重要原因。雖然最后柴油機(jī)游車故障排除比較容易，但希望這種由易到難的故障排查思路和過程，以及對故障原因進(jìn)行的分析和印證，能對同類柴油機(jī)游車故障的快速排查提供借鑒。監(jiān)控系統(tǒng)的報(bào)警信息是故障定位的重要線索[5]，引進(jìn)先進(jìn)控制設(shè)備，加強(qiáng)系統(tǒng)融合，鎖定報(bào)警信息，在增加系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)能夠提高故障排查效率。

參考文獻(xiàn)

[1]宋國良.柴油機(jī)“游車”四步除[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械，2012（17）：60.DOI：10.16167/j.cnki.1000-9868.2012.17.015.

[2]劉俊卿，蒯云.康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)PT燃油系常見故障及預(yù)防措施和排除方法[J].山西交通科技.1998（8）：51-52.

[3]李莉，劉立，申焱華.柴油機(jī)P-T供油系故障診斷[J].有色設(shè)備，1996（6）：24-26.

[4]鄭齊清，劉太民.柴油發(fā)電機(jī)組頻率不穩(wěn)故障分析與解決[J].世界海運(yùn)，2017（9）：158-159.

[5]張潔，褚威威，李仕煒.柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)典型故障案例分析[J].中國修船，2022（10）：35-39.