轻型工业燃气轮机燃气阀故障分析与校验实践_罗俊飞.pdf

内燃机与配件 轻型工业燃气轮机燃气阀故障分析与校验实践罗俊飞，李兴进（中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东 湛江 ）摘要：轻型工业燃气轮机常用于海上采油平台作为发电使用，燃气轮机通常采用燃气和燃油双燃料模式，并且多数时候均采用油田的伴生天然气作为燃料以降低燃料成本。所以在燃气轮机的燃料气流程中，天然气控制阀调节燃气流量就是机组运行控制中至关重要的一环。本文主要分析当燃气阀出现故障后，如何进行故障分析排查，以及对燃气阀进行校验检查的技术实践。关键词：燃气轮机；燃气阀；故障；校验中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，：；作者简介：罗俊飞（）男，汉族，四川泸州人，本科，工程师，研究方向：热能与动力工程专业。概述轻型工业燃气轮机常用于海上采油平台作为发电使用，燃气轮机通常采用燃气和燃油双燃料模式，并且多数时候均采用油田的伴生天然气作为燃料以降低燃料成本。燃气轮机结构简介本文以索拉 型燃气轮机作为分析对象，它是一台自成体系的轴流式简单循环，单轴布置的原动机。用来减速和功率出的减速齿轮箱上附带有驱动辅助设备的法兰，它是以一个独立的、封闭式的传动装置出现，安装在燃气轮机的进气端，整台燃气轮机由下列部件所组成：带有柔性连接法兰的空气进气集管。带有辅助驱动法兰的高速行星式减速齿轮箱。轴向、垂直平面分开式壳体的轴流式压气机，有 级叶片，在它的进气导流叶片和前级静定子叶片上安装有可变几何形状的控制机构。环形燃烧室配置有 个燃料喷嘴。三级叶片的燃气涡轮总成、排气集管。以上这些部件之间采用带有定位凸缘的配对法兰进行精确的对中，再用强力螺栓连接在一起，形成了一个刚性很强的组合体，依次安装在一个用重型钢结构焊接而成的公共底座上面，公用底座与动力模块上的强梁构件之间采用三点支撑的方式连接以减少振动的传递。燃气涡轮发动机主要由压气机、燃烧室，和燃气涡轮（即透平）发动机三大部件组成。燃气涡轮发动机与压气机、负载的不同连接方式，使得燃气轮机在结构设计上分成单轴，分轴，套轴，三轴等轴系结构。燃气轮机在发展过程中分为轻型结构和重型结构，轻型结构又分为航机改型和工业型两支，工业型结构在某种程度上可以认为是介乎轻型和重型结构之间的产品型式。燃气轮机原理简介燃气轮机通过压气机将外界的空气吸入并压缩，升压后的空气被导入燃烧室内与燃料混合并燃烧，从燃烧室出来的燃气再引入三级涡轮中膨胀做功，最后以输出功的形式通过减速齿轮箱来驱动交流同步发电机，从而发出所需的电功率。由于采用了轴流式气动热力设计，从而给装置提供了相对较高的效率。另外，该型发动机的循环参数经过优化选定，并且对每一部分的气动动力学的设计趋于完善，因此可以达到尽可能高的性能参数，安全可靠的使用性和较长的运行寿命。型燃气轮机结构紧凑，也是由压气机，燃烧室和涡轮机三大基本部分所构成。外界的空气首先被抽吸进入燃气轮机的空气入口，然后由 级轴流式的压气机进行压缩，被压缩的空气以连续流的形式直接进入燃气室内，此时燃料（油或气）也被喷入其中充满有压缩空气的环形燃烧室内。燃气轮机处于起动运转期间，这种燃料与空气的混合物被点火装置点着后进行充分的燃烧，并维持一个足够长的时间。具有一定压力的热燃气从燃烧室被导入涡轮机中并在其中进行膨胀进而驱动涡轮高速旋转，这时处在涡轮机中热燃气的温度和压力均降低了，也就是说，燃料的能量被转化成了涡轮机的旋转功，并通过输出轴往外输出。为了达到理想的燃烧配比，本型燃气轮机要求参加燃DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.04.014 年第期烧的空气量大约是压缩空气总量的四分之一，其余的压缩空气则被用来冷却燃烧室并与燃烧产物进行混合去降低处在涡轮机第一级叶轮入 的燃气温度，以此来保持燃烧室和涡轮机这两部分的金属所经受的温度处于设计控制的水平，从而保证构成它们的零部件达到使用寿命的目标。燃气轮机的动力输出轴以机械方式将压力气机和涡轮机这两部分连接起来，以构成发动机的整体式轴或称单轴结构，其优点是提高了转速的稳定性和恒定负荷和变负荷条件下的灵敏度，或称频率特性。这正是用在发电机上它要求有精确的频率控制时所希望具有的良好特性。为了满足所驱动的交流同步发电机 频率和输出轴减低到 的需要，本发电机组所配置的主减速传动齿轮箱是一种经过专门设计选定的工业用途的高速行星齿轮装置。齿轮箱与燃气轮机之间的连接是通过一根平衡高速轴，轴的两端带有花键，行星齿系的设计便于直通式轴的布置，避免了永久变形的问题，并能允许发动机、齿轮箱和发电机在同一公共底座上进行对中。燃气阀典型故障燃气轮机在运行中出现 （燃气控制阀故障快速关停）报警，燃气轮机快速非锁定停机，同时机组退出电网并触发优先脱扣系统。这是燃气控制阀 典型的运行故障。故障分析要处理燃料系统的故障，首先要清楚该型燃气轮机的燃料系统结构原理。在燃气轮机的燃料气流程中，天然气控制阀调节燃气流量就是机组运行控制中至关重要的一环。燃气轮机天然气流程中，通常包括天然气过滤器、一级燃气关断阀、二级燃气关断阀、燃气控制阀、燃气分配母管、燃烧喷嘴等流程，可见燃气控制阀是作为调控燃气进入机组进行燃烧的最关键设备。该型号气体燃料控制阀是电动的，采用一只与无刷、直流伺服马达结合在一起构成一个整体的 直流电源的执行器来对该阀进行电控，一个长条形的球端螺旋推进器和一个数字式的控制器用于马达的精确控制。还有一个分析器用于位置反馈，控制的输入与输出的电制是直流 ，用于离散信号，而 的则用于模拟信号。燃料控制阀的额定工作压力是 ，它可以在环境温度下甚至高达 的温度下正常工作，它的流量调节比例超过 ：。并且它除了当发动机在全负荷和过度负荷时阀的流量条件下之外，均具有极好的三位（高低 关断）流量计量动能和加快气体燃料流速的作用。其反应速度从 的行程不少于 。由于采用的是故障安全工作制，因此保证了当控制电源失电或者是指令信号丢失，这两种情况下的任何一种出现时都会紧密地将阀门关闭。该阀的阀体是铝质的。根据关停信号，第一时间通过燃气轮机机组控制程序查找触发该关停信号的原因。查找发现是因为燃气控制阀 的命令开度和反馈开度之差值超过 并持续秒。根据这个原因查找工控机的历史数据记录，发现命令开度从 持续增加到，而阀门反馈开度一直保持 左右。控制阀的调节作用已失效，基本确定是燃气控制阀 的原因导致的此次关停事件（如图所示）。图燃气控制阀故障逻辑燃气控制阀是一个电子控制调节阀，内部有电路板、步进电机和阀体。由此分析燃气阀故障报警导致关停的可能原因有以下几点：燃 气 阀 通 讯 故 障、相 关 控 制 模 块故障；燃气阀 阀芯卡死；燃气阀 控制单元故障；故障处理 通讯故障排除：查找电气图纸，确定燃气控制阀的通讯模块单元位置。没有发现相应线路、模块故障、报警灯显示等情况，并且工控机上未出现通讯故障报警。基本排除通讯故障原因。燃气控制阀阀芯卡死排查：发生关停后，检查燃气控制阀状态发现其已快速关闭到位置，该关闭过程从反馈信号上未见明显的卡滞或者波动表现，并且通过拆开阀芯进行检查，未发现阀芯卡滞问题，故基本可以判断不是阀芯卡死所致。阀芯检查情况将阀芯位置管线拆开进行了检查，检查发现燃气滤器无水、无明显其它问题，滤芯脏的程度和正常使用情况相符，由此也基本排除了燃料气处理系统的问题。然后对燃气轮机燃气控制阀阀芯进行了检查，检查发现阀芯也和正常使用情况吻合。燃气阀校验。工作前准备（）准备作业许可证、能源隔离单、（）备好完好的控制柜显示器（）准备工具：十字螺丝刀、一字螺丝刀、导线、万用表、验电器等（）劳保准备：安全帽、工服、防护眼镜、手套、耳塞等（）绝缘工具准备：绝缘手套、绝缘靴、电工胶布等（）参与此项工作的人员应熟知此项工作的程序、要求、风险及措施（）检查作业许可证、能源隔离是否完整正确工作中的注意事项（）必须按照程序一步一步进行（）在验电的过程中要按照验电器的正确使用方法验电内燃机与配件 （）裸露的线头必须用电工胶布包裹住（）整个拆装过程要小心，动作要慢，以免对人员或其他设备、线路造成损伤（）整个过程必须至少有一人监护 软件配置（）进入开机页面（）确 认 接 线 正 确，插 入 装 有 系 统 软 件 的 盘（）打 开 盘 找 到 ，然 后 进 行安装（）首先安装 （）再安装和配置 （）最后点击 ，进入软件自动开启模式，该项目为选装项，如不选择也可以每次手动开启透平监控软件；（）打开 点 下的 ；（）打开 之后可以看到哪些模块已连接；（）如果没有已连接的，那么打开 ；（）配置对应板卡（）在 下 拉 菜 单 中 找 到 （）（）选择 （）连接之后会出现对话框（设置对应的通讯节点号为，节点号可在电路图中查到）（）更改好节点确认之后，点下，关闭窗口即可。此处如果节点号无法修改，须删除 步中所添加的通讯卡件，重新添加；（）更新 通道配置。从 菜单下找出 （更新连接的模块，更新之后会出现步骤图片中的显示）（）进入到以下界面，找到 ，选中机组程序 ，点击 应用（）运行成功后，打开 程序，找到对应燃气阀程序段，即可开始校验工作。旧阀校验针对 阀门故障症状，用电脑连接燃气轮机 控制器对 燃气控制阀进行手动校验，并且赋值检查相应的开度（如图所示）。图强制打开燃气控制阀经过校验发现，在工控机上 有相应的开度数值，并且阀门本体上阀芯打开、增大开度、关闭都没有动作反应，基本可以判断旧阀控制单元已彻底故障。并且通过程序可以看到燃气阀故障信号 动作，该信号是由燃气阀内部硬线通过物理地址 ：传出的，同时检查了该传输线路并无异常，由此确定是阀门控制单元故障导致机组关停，遂对旧燃气阀进行更换。新燃气阀更换。随后对 燃料控制阀进行拆卸及更换。由于该阀的阀芯和控制单元是一体成型的，比较笨重，两人抬起也比较困难，所以拆装过程中需要借助葫芦吊才能实现拆装。新阀测试。完成了新阀门的更换后，然后再次用电脑连接燃气轮机 控制器对 燃气控制阀对该燃气阀进行离线校验测试，测试该阀的 和 两个参数数值正常，在 的各个控制点位上均测试正常，并且阀门本体上阀芯打开、增大开度、关闭都和工控机上显示值吻合。启机测试。离线校验正常后，然后进行启机测试，阀检程序运行正常、启机后阀门调控一切正常，再运转平稳后并入电网带载测试也一次正常。总结与进一步分析在随后对故障阀的拆检研究中，发现其控制电路板上有一处疑似烧灼变焦黄的痕迹，其它没有发现明显异常。由于现场暂时不具备对控制电路板和芯片进行检测的条件，只能等后期再送修或逐步研究。后续注意事项：后续对该阀控制电路板继续进行深入研究，看能否查找出具体故障。由于厂家并不单独销售此电路板备件，还只能订购该阀门补充备件。排查其它机组同类故障。此次燃气控制阀故障导致电网触发优先脱扣系统，大部分设备被停止运行，对油田产生了很大的影响。所以在其他机组切换出来的时候，要定期对该阀进行手动校验，确 保 其 在 各 个 控 制 点位都能精准控 制，如 发 现 有 控 制 点 位 不 稳 情 况 要 及 时更换。坚持保留关键备件的安全库存。由于此阀门故障情况极少，但对于此类关键配件，一定要坚持在设备现场保持安全库存，否则一旦出现故障将严重影响故障处理和机组的恢复。参考文献：维修与操作手册 燃气轮机结构图册 程序 燃 气 轮 机 燃 料 要 求 说 明 书