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燃氣輪機入口導葉控制故障分析及處理

作時間:2019-03-30  来源:  作者:
   

 摘要:詳細闡述燃氣輪機入口導葉閥位間斷性跳變的故障現象,通過檢修發現,閥位變送器引出線外層增加的保護導管黃臘管造成了閥位變送器引出線磨損而接地,通過更換新的閥位變送器,使問題得到徹底解決。

 
重慶建峰化工股份有限公司一化合成氨裝置的空氣壓縮機驅动汽輪機为 5001 系列單軸式燃氣輪機,2004 年控制系統改造为 TS3000 系統。該系統最大的優點在于其軟件和硬件都采用 “三取二”表決的三重冗餘結構,安全可靠。
 
1 問題的提出
2017 年 8 月 12—13 日,燃氣輪機空氣入口導葉(IGV)1# 閥位變送器(LVDT1)反饋顯示 間 斷 性兩次從 74 °跳變到 67 °左右, 一段時間後恢複,随後 3 個月間斷性出現類似情況。
 
燃氣輪機入口導葉設置 2 個閥位變送器反饋(LVDT1 和 LVDT2) 信号, 由于測量誤差,LVDT2略低 2 °~5 °,2 個信号经高選後作为測量值進入控制系統。 燃氣輪機正常運行時選擇 LVDT1, 一旦LVDT1 跳變到低值,控制系統将選擇 LVDT2 作为測量值。这将引發入口導葉閥位波动,燃氣輪機瞬間出現負荷波动,排氣溫度一定幅度上升,并迫近聯鎖值,給工藝運行帶来影響。多次排查無果,無奈之下,用機械方法調整了LVDT1 和 LVDT2 偏差值,但仍然無法解決 LVDT1階躍下降和燃氣輪機運行波动問題。
 
2 原因分析
2.1 控制原理[1]
該空氣壓縮機燃氣輪機入口導葉控制是在MARK-Ⅳ控制系統的基礎上改造而成,原 MARK-Ⅳ控制系統集成了伺服放大卡, 三控制器 R / S / T分别輸出-8~+8.0 mA 直流電, 分别驅动由三線圈電磁力疊加而成的伺服閥, 作用在油动機上構成執行機構驅动入口導葉。 伺服閥中任意 1 個或 2個線圈因故障造成電流中斷, 但隻要 1 個線圈能正常工作,也能驅动油动機正常調節,體現了燃氣輪機控制系統“三取二”設計理念的高度容錯性。因 TS3000 控制系統輸出标準 4~20 mA 信号,與原 MARK-Ⅳ控制系統輸出-8~+8.0 mA 直流電不符,因此在改造時增加了 3 個獨立伺服放大卡,取代了原集成在 MARK-Ⅳ控制系統中伺服放大卡的功能,信号制也發生了相應的變化:新系統中3 塊伺服卡接收来自控制器模拟輸出卡的标準 4~20 mA 控制信号, 作为 IGV 閥位控制指令;4 線制的 LVDT1 由卡 1 提供 3 000 Hz/ 5 V 交流電源,并反饋 0~2.5 V 交流信号回卡 1, 在卡 1 内部轉換成4~20 mA 信号,同時還分别送到卡 2 和卡 3,作为LVDT1 的信号;同理,4 線制的 LVDT2 由卡 2 提供3 000 Hz/ 5 V 交流電源, 并反饋 0~2.5 V 交流信号回卡 2,在卡 2 内部轉換成 4~20 mA 信号,分别送到卡 1 和卡 3, 作为 LVDT2 信号。 在 3 塊卡中,LVDT1 和 LVDT2 信号经過高選後作为入口導葉閥位測量信号, 控制指令和測量信号在 3 塊卡中经 PID 運算後分别輸出-8~+8.0 mA 直流電的控制信号,驅动伺服閥線圈及後續機構,組成三冗餘控制系統。伺服回路原理如圖 1 所示。
 
2.2 檢查過程
1) 在燃氣輪機在線運行的情況下, 首先判斷LVDT1 性能不穩定,而造成測量值階躍下降。由于更換 LVDT 後需調試伺服卡,重新寫入數據,因此無法在線更換 LVDT,隻能采用調整機械零位的方法,消除 LVDT1 和 LVDT2 偏差值。但随後又出現LVDT1 測量值階躍下降, 故障的根本原因沒有找到,問題沒得到解決。
 
2) 對 LVDT1 測量回路進行檢查,發現伺服卡對 LVDT1 供電電壓偏低,正常值應为 5 V 交流電,實測隻有 1.5 V 左右交流電, 判斷伺服卡有故障。由于伺服卡更換後需要對入口導葉全行程進行調試,因此,燃氣輪機将無法在線更換,隻能堅持運行。
 
3) 2017 年 10 月,利用短暫停車機會,檢查伺服卡。将 LVDT1 供電接線拆除,測量伺服卡供電電壓为 5 V 交流電,正常,判斷卡件正常,确定後端回路有接地現象,電纜、LVDT1 均有可能。因時間緊迫,沒有進行處理,仍堅持運行。
 
4) 裝 置 大 修 期 間 , 對伺服卡後端電纜和LVDT1 進行徹底檢查。對電纜絕緣、阻值檢查,正常。拆掉 LVDT1 後,發現 LVDT1 到接線箱引出線加裝了一層黃臘管, 該線是由于此處環境溫度高达 60 ℃,为保護 LVDT1 的引出線而加裝的。黃臘管外徑为 6 mm, 其外層金屬保護管内徑为 8 mm,而接線箱格欄端頭内徑隻有 5 mm, 造成黃臘管端頭在格欄端頭受阻且被壓縮,LVDT1 的引出線就因内部張力而拉伸,并擱置在格欄端口的直角上。燃氣輪機長時間運行帶来高頻振动, 該直角就如一把較鈍的鋸子長時間磨損引出線, 使得 4 根引出線中信号反饋線黃線的絕緣層破裂而接地,成为事故的根本原因。
 
2.3 電路原理
LVDT 内部原理圖如圖 2 所示。
 
從圖 2 可以看出,LVDT 内部有三組線圈,勵磁線圈 L 紅黑兩端連接到 3 000 Hz/ 5 V 交流電源,感應線圈由 L1 和 L2 反相串聯構成,其黃藍兩端輸出電壓 E0(0~2.5 V 交流電)閥位測量信号。勵磁線圈與感應線圈間設有鐵磁性鐵芯連到入口導葉閥杆上,當入口導葉閥位變化時,中間鐵芯在 LVDT内位置随之移动, 改變感應線圈 L1 和 L2 感應電壓, 從而輸出相對應輸出電壓 E0, 即閥位測量信号,并對應相應閥位。若 LVDT 勵磁線圈 L 輸入電源電壓 Ei 及頻率穩定時, 閥位變送器輸出電壓 E0等于 L1、L2 及抽頭線圈 L 抽三線圈電壓矢量和,即:
E0=EL -EL +E 抽
當黃線接地時,勵磁線圈 L 的抽頭接地,相當于在抽頭的部分線圈上并聯了一個接地電阻,勵磁線圈總阻抗減小, 從而導致了勵磁線圈 L 電流增加,抽頭部分線圈電流減小,根據電磁感應原理可知:EL 增加,EL 減小。 同時, 如果 LVDT 黃線接地,E 抽将減小, 且減小的程度與接地電阻大小相關,當完全接地時,E抽≈0,EL 增加量、EL 減小量也将达到最大值,LVDT 輸出電壓 E0 下降达最大值,LVDT 閥位測量誤差达最大值,造成階躍下降。
 
3 處理措施及效果
據查證用戶數據手冊,LVDT 的引出線本身就是針對高溫環境設計和選材的, 沒必要進行額外保護。因此在大修時更換新 LVDT, 就不加裝黃臘管,調試伺服卡并重新寫入數據後,LVDT1 測量值完全正常[2-3]。燃氣輪機在大修後開車,入口導葉控制完全正常。
 
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