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燃气轮机入口导叶控制故障分析及处理

作时间:2019-03-30  来源:  作者:
   

 摘要:详细阐述燃气轮机入口导叶阀位间断性跳变的故障现象,通过检修发现,阀位变送器引出线外层增加的保护导管黄腊管造成了阀位变送器引出线磨损而接地,通过更换新的阀位变送器,使问题得到彻底解决。

 
重庆建峰化工股份有限公司一化合成氨装置的空气压缩机驱动汽轮机为 5001 系列单轴式燃气轮机,2004 年控制系统改造为 TS3000 系统。该系统非常大的优点在于其软件和硬件都采用 “三取二”表决的三重冗余结构,安全可靠。
 
1 问题的提出
2017 年 8 月 12—13 日,燃气轮机空气入口导叶(IGV)1# 阀位变送器(LVDT1)反馈显示 间 断 性两次从 74 °跳变到 67 °左右, 一段时间后恢复,随后 3 个月间断性出现类似情况。
 
燃气轮机入口导叶设置 2 个阀位变送器反馈(LVDT1 和 LVDT2) 信号, 由于测量误差,LVDT2略低 2 °~5 °,2 个信号经高选后作为测量值进入控制系统。 燃气轮机正常运行时选择 LVDT1, 一旦LVDT1 跳变到低值,控制系统将选择 LVDT2 作为测量值。这将引发入口导叶阀位波动,燃气轮机瞬间出现负荷波动,排气温度一定幅度上升,并迫近联锁值,给工艺运行带来影响。多次排查无果,无奈之下,用机械方法调整了LVDT1 和 LVDT2 偏差值,但仍然无法解决 LVDT1阶跃下降和燃气轮机运行波动问题。
 
2 原因分析
2.1 控制原理[1]
该空气压缩机燃气轮机入口导叶控制是在MARK-Ⅳ控制系统的基础上改造而成,原 MARK-Ⅳ控制系统集成了伺服放大卡, 三控制器 R / S / T分别输出-8~+8.0 mA 直流电, 分别驱动由三线圈电磁力叠加而成的伺服阀, 作用在油动机上构成执行机构驱动入口导叶。 伺服阀中任意 1 个或 2个线圈因故障造成电流中断, 但只要 1 个线圈能正常工作,也能驱动油动机正常调节,体现了燃气轮机控制系统“三取二”设计理念的高度容错性。因 TS3000 控制系统输出标准 4~20 mA 信号,与原 MARK-Ⅳ控制系统输出-8~+8.0 mA 直流电不符,因此在改造时增加了 3 个好立伺服放大卡,取代了原集成在 MARK-Ⅳ控制系统中伺服放大卡的功能,信号制也发生了相应的变化:新系统中3 块伺服卡接收来自控制器模拟输出卡的标准 4~20 mA 控制信号, 作为 IGV 阀位控制指令;4 线制的 LVDT1 由卡 1 提供 3 000 Hz/ 5 V 交流电源,并反馈 0~2.5 V 交流信号回卡 1, 在卡 1 内部转换成4~20 mA 信号,同时还分别送到卡 2 和卡 3,作为LVDT1 的信号;同理,4 线制的 LVDT2 由卡 2 提供3 000 Hz/ 5 V 交流电源, 并反馈 0~2.5 V 交流信号回卡 2,在卡 2 内部转换成 4~20 mA 信号,分别送到卡 1 和卡 3, 作为 LVDT2 信号。 在 3 块卡中,LVDT1 和 LVDT2 信号经过高选后作为入口导叶阀位测量信号, 控制指令和测量信号在 3 块卡中经 PID 运算后分别输出-8~+8.0 mA 直流电的控制信号,驱动伺服阀线圈及后续机构,组成三冗余控制系统。伺服回路原理如图 1 所示。
 
2.2 检查过程
1) 在燃气轮机在线运行的情况下, 首先判断LVDT1 性能不稳定,而造成测量值阶跃下降。由于更换 LVDT 后需调试伺服卡,重新写入数据,因此无法在线更换 LVDT,只能采用调整机械零位的方法,消除 LVDT1 和 LVDT2 偏差值。但随后又出现LVDT1 测量值阶跃下降, 故障的根本原因没有找到,问题没得到解决。
 
2) 对 LVDT1 测量回路进行检查,发现伺服卡对 LVDT1 供电电压偏低,正常值应为 5 V 交流电,实测只有 1.5 V 左右交流电, 判断伺服卡有故障。由于伺服卡更换后需要对入口导叶全行程进行调试,因此,燃气轮机将无法在线更换,只能坚持运行。
 
3) 2017 年 10 月,利用短暂停车机会,检查伺服卡。将 LVDT1 供电接线拆除,测量伺服卡供电电压为 5 V 交流电,正常,判断卡件正常,确定后端回路有接地现象,电缆、LVDT1 均有可能。因时间紧迫,没有进行处理,仍坚持运行。
 
4) 装 置 大 修 期 间 , 对伺服卡后端电缆和LVDT1 进行彻底检查。对电缆绝缘、阻值检查,正常。拆掉 LVDT1 后,发现 LVDT1 到接线箱引出线加装了一层黄腊管, 该线是由于此处环境温度高达 60 ℃,为保护 LVDT1 的引出线而加装的。黄腊管外径为 6 mm, 其外层金属保护管内径为 8 mm,而接线箱格栏端头内径只有 5 mm, 造成黄腊管端头在格栏端头受阻且被压缩,LVDT1 的引出线就因内部张力而拉伸,并搁置在格栏端口的直角上。燃气轮机长时间运行带来高频振动, 该直角就如一把较钝的锯子长时间磨损引出线, 使得 4 根引出线中信号反馈线黄线的绝缘层破裂而接地,成为事故的根本原因。
 
2.3 电路原理
LVDT 内部原理图如图 2 所示。
 
从图 2 可以看出,LVDT 内部有三组线圈,励磁线圈 L 红黑两端连接到 3 000 Hz/ 5 V 交流电源,感应线圈由 L1 和 L2 反相串联构成,其黄蓝两端输出电压 E0(0~2.5 V 交流电)阀位测量信号。励磁线圈与感应线圈间设有铁磁性铁芯连到入口导叶阀杆上,当入口导叶阀位变化时,中间铁芯在 LVDT内位置随之移动, 改变感应线圈 L1 和 L2 感应电压, 从而输出相对应输出电压 E0, 即阀位测量信号,并对应相应阀位。若 LVDT 励磁线圈 L 输入电源电压 Ei 及频率稳定时, 阀位变送器输出电压 E0等于 L1、L2 及抽头线圈 L 抽三线圈电压矢量和,即:
E0=EL -EL +E 抽
当黄线接地时,励磁线圈 L 的抽头接地,相当于在抽头的部分线圈上并联了一个接地电阻,励磁线圈总阻抗减小, 从而导致了励磁线圈 L 电流增加,抽头部分线圈电流减小,根据电磁感应原理可知:EL 增加,EL 减小。 同时, 如果 LVDT 黄线接地,E 抽将减小, 且减小的程度与接地电阻大小相关,当完全接地时,E抽≈0,EL 增加量、EL 减小量也将达到非常大值,LVDT 输出电压 E0 下降达非常大值,LVDT 阀位测量误差达非常大值,造成阶跃下降。
 
3 处理措施及效果
据查证用户数据手册,LVDT 的引出线本身就是针对高温环境设计和选材的, 没必要进行额外保护。因此在大修时更换新 LVDT, 就不加装黄腊管,调试伺服卡并重新写入数据后,LVDT1 测量值完全正常[2-3]。燃气轮机在大修后开车,入口导叶控制完全正常。
 
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