汽轮机停机故障分析

刘康宁（杭州和利时自动化有限公司，浙江 杭州 310018）

汽轮机停机故障分析

刘康宁（杭州和利时自动化有限公司，浙江 杭州 310018）

某电厂超速限制OPC动作时，安全油压力开关复位导致停机。调节阀漏汽，LVDT工作温度过高，线圈短路，油动机失控导致停机。本文提出了设计改进建议。

汽轮机；DEH；OPC；控制系统

1 项目概述

某企业自备电厂新建两台65MW发电机组带企业自身负荷孤网运行。DEH的液压系统为高压抗燃油系统，配有：1个连续控制型油动机，通过操纵机构驱动4个调节阀；2个两位控制型油动机，通过操纵座驱动2个主汽阀；1套高压遮断电磁阀组。配汽机构为小型汽轮机常见的提板式结构。调节阀油动机通过三角杠杆驱动提板上下运动。三角杠杆处配有复位弹簧。提板上悬挂了4个调节阀。如图1所示。

机组正常运行期间，调节阀油动机上的快关电磁阀失电，高压遮断电磁阀带电。透平油系统的危急遮断滑阀处于上止点，在低压安全油压作用下，薄膜接口阀关闭。压力油通过主汽阀、调节阀油动机上的节流孔进入高压安全油路，高压安全油路上的3个压力开关动作，表示安全油压已建立。在高压安全油压作用下，液控单向阀保持打开状态，卸荷阀保持关闭状态。

图1 在提板上悬挂3个调节阀

伺服阀的B口与压力油接通时，油动机向开门方向运动。伺服阀的B口与回油接通时，油动机向关门方向运动。B口开度越大，运动速度越快。伺服阀的B口关闭时，油动机保持原位置不动。伺服模块比较阀位给定与LVDT油动机行程，差值放大后调整伺服B口开度，构成位置随动系统，使油动机行程跟随阀位给定变化。

OPC动作时，调节阀油动机上的快关电磁阀带电，卸荷阀打开，压力油进入活塞下腔，驱动活塞向上运动，快速关闭调节阀。如图2所示。

DEH控制系统采用和利时的DEH/DCS一体化解决方案，系统软件为MACSV5版本，硬件为SM系列模块。如图3所示。

伺服模块将阀位给定电压与由LVDT调制解调来的油动机行程反馈电压之差放大后，调整伺服阀油口开度，使油动机行程跟随阀位给定信号变化，通过杠杆配汽机构改变调节阀开度，从而改变汽轮机的进汽量。

图2 调节阀油动机原理图

图3 DEH硬件系统示意图

采用6线制LVDT。初级线圈加入1.7kHz/3.5VAC左右的正弦波激励电压，根据2个次级线圈感应电压的差值，得到油动机行程信号。差值为0时对应油动机在50%中间位置。差值为正时表示行程大于50%，为负时表示行程小于50%。

伺服模块具有LVDT断线检测功能。若检测到某支LVDT线圈断线，自动将对应LVDT反馈电压改为最高（大于油动机全开电压）。两支LVDT调制解调后的电压小选后作为反馈电压。若2支LVDT均发生断线故障，伺服控制回路可将调节阀全关，保证机组安全。

在机组调试阶段发现，调节阀行程大于9%期间，若调节阀油动机上的OPC电磁阀动作，不仅调节阀油动机会迅速关闭，还会导致主汽阀油动机关闭，机组打闸停机故障。检查分析为OPC电磁阀动作时，系统压力油、高压安全油会瞬间降低，致使安全油压力开关复位，DEH输出打闸指令，主汽门全关。由于时间紧，未对液压系统问题作处理。

机组运行仅1个月后因油开关跳闸、103%超速OPC动作发生过停机故障。后来因汽轮机调节阀汽柜法兰面漏汽，致LVDT传感器温度过高短路损坏，多次发生停机故障。

2 故障情况分析

下面针对3次故障情况进行分析。

（1）1月22日7:38分跳闸故障

7:38分故障前，电网负荷（功率）逐渐增加，调节阀油动机在一次调频作用下逐渐开大，主汽流量随之逐渐增加，主汽压力略有下降，以维持转速稳定，转速最低降到2988r/min。在7:38:10时，电网负荷突然减少，转速迅速升高。在一次调频作用下，阀位给定、调节阀油动机行程也迅速减小。但由于一次调频限幅为3000±30r/min，转速超过3030后，阀位给定、调节阀油动机行程不再随转速升高而减小。转速很快飞升到3092r/min，103%超速OPC动作，调节阀油动机迅速关闭。由于耗油量太大，使EH油压、安全油压瞬间降低，安全油压力开关复位，安全油压建立信号消失，DEH输出打闸信号，AST电磁阀失电，安全油压降低，主汽门关闭。如图4所示。

图4 第一次故障情况分析图

（2）2015年1月30日5:24:22发生打闸停机事故

机组单机带着22.6MW负荷，转速稳定在3006r/min。在5:24:20时，油开关跳闸，OPC电磁阀动作，调节阀油动机迅速关闭。由于耗油量太大，使EH油压、安全油压瞬间降低，安全油压力开关复位，安全油压建立信号消失，DEH输出打闸信号，AST电磁阀失电，安全油压降低。转速最高升到3049r/min。OPC变量“T1DOCVIVOFF”置1持续了10s，为DEH打闸开出动作所致。如图5所示。

图5 第二次故障分析图

（3）2015年3月2日6:24分跳闸故障

机组单机带29MW负荷稳定运行。在6:22:05后，油动机行程信号从60%突然增大到78%，机组转速、功率随之降低（29.2MW降到18.2MW），主汽压力随之升高。如图6所示。进一步分析判断为LVDT传感器因高温导致次级线圈匝间短路，使指示阀位信号突然增大，伺服控制反馈回路的调节作用导致关小调节阀开度。

图6 第三次故障分析图

总阀位给定在一次调频的作用下，随着转速降低迅速增大。一次调频给定值最大到15限幅后失去了转速调节作用。操作员根据转速变化情况操作阀位快速增减按钮，改变目标阀位，试图将转速稳住。到6:23:56前，功率较稳定，转速波动已明显减弱。在6:23:57时，油动机行程信号从76.9%突然降低到50%，转速、功率突增（18.5MW上升到20.4MW），主汽压力突降。

进一步分析判断为LVDT传感器因高温导致另一次级线圈也发生匝间短路，使指示阀位信号突然减小，伺服控制反馈回路的调节作用导致开大调节阀开度。转速最高值显示为3102r/min，103%超速OPC动作。调节阀油动机迅速关闭。由于耗油量太大，使EH油压、安全油压瞬间降低，安全油压开关复位，安全油压建立信号消失，DEH输出打闸信号，AST电磁阀失电，安全油压降低。

刚打闸时，机组还带着负荷（功率不为0，10～0MW），转速迅速下降。EH油压逐渐降低。持续40s逆功率（-18.7MW）后，油开关断开，功率显示变为0。

3 主要问题归纳

3.1 汽轮机本体方面

（1）调节阀汽柜法兰面漏汽

机组运行仅1个月后，调节阀汽柜法兰面就开始出现漏汽。运行3个期间漏汽逐渐增大。由于调节阀油动机距离很近，LVDT传感器工作温度超过规定范围（-25℃～120℃），导致内部线圈绝缘破坏，造成匝间短路故障。LVDT反馈电压突变，使调节阀突然关小，后又突然开大，无法保证机组安全稳定运行。

（2）油动机环境温度高

油动机安装在汽缸上。由于金属热传导、热辐射的作用，油缸及油液温度较高。影响密封件及抗燃油的使用寿命。

3.2 液压系统方面

调节阀油动机快关耗油太大

在调节阀油动机行程大于9%的条件下，快关电磁阀动作时，压力油充入活塞下腔，油动机迅速关闭。蓄能器不能及时补充油动机的大量耗油，压力油、安全油瞬间下跌。导致3个安全油压力开关瞬间复位，而打闸停机。

3.3 DEH系统方面

（1）一次调频限幅

转速在3000±30r/min范围内变化时，一次调频给定值才跟随转速变化。转速超出此范围时，一次调频给定值被限幅而保持不变，机组即失去了转速反馈作用，导致机组转速超过103%OPC动作。

（2）103%超速OPC动作停机

正常的103%超速OPC功能为：103%超速OPC动作时，OPC电磁阀带电调节阀迅速关闭，以抑制转速超调量。当转速降低103%超速OPC复位后，OPC电磁阀失电油动机交回调节系统控制。若油开关已断开，则由转速PID控制调节阀，最终稳定在3000r/min。若油开关为闭合状态，则DEH进入阀控方式，在目标阀位及一次调频作用下控制调节阀开度，使转速保持稳定。

103%超速OPC动作后就打闸停机了，原因为：调节阀油动机快关时耗油量大→EH油压瞬间降低→安全油压力开关瞬间复位→安全油压建立信号瞬间消失→DEH打闸开出→AST电磁阀失电→安全油压降低→安全油压力开关复位→安全油压建立信号消失→机组已跳闸。

4 改进建议

4.1 汽轮机本体方面

（1）调节阀汽柜法兰面漏汽

汽机专业采取必要措施（如增加法兰面螺栓紧力）杜绝漏汽。

今后改进设计，增大法兰面密封长度。

（2）油动机环境温度高

汽机专业采取必要措施（如在油动机安装底座上增加水套）降低油缸及油液温度工作温度。

今后改进设计，将油动机安装在前箱盖上，远离高温部件。

4.2 液压系统方面

调节阀油动机快关耗油太大

在调节阀油动机压力油管路上增加节流阀，降低油动机关闭速度。将油动机关闭时间控制在0.5s以内，既保证机组安全，又避免打坏调节阀。同时避免3个安全油压力开关瞬间复位。

将高压安全油压开关复位油压由6MPa改为2～3MPa（保证低压遮断动作时的油压低于此值）。避免OPC快关动作时，此压力开关复位。

今后改进设计，由于操作机构已设有复位弹簧，调节阀油动机可改为液压开启、弹簧关闭型。即上腔通入压力油时，克服弹簧力，开启调节阀。上腔接通回油时，在弹簧力作用下，调节阀迅速关闭。下腔始终接回油。

4.3 DEH系统方面

（1）一次调频限幅

取消一次调频的限幅作用。转速过高或过低时，在一次调频作用下可使油动机行程达到全关或全开。

考虑到锅炉出力变化比汽轮机的需求慢得多，在大电网中运行的机组通常采用限制一次调频的调节量，来减小对锅炉的扰动。限幅通常设为开门方向15r/min，关门方向不限制（保证汽轮机安全）。

在孤网运行环境下，需要随时保证发电功率与用电负荷平衡，以维持转速稳定。通过一次调频作用，自动调整调节阀开度，以达到上述目的。考虑到锅炉的蓄能有限，调节阀开度增大后，主汽压力会逐渐降低，应及时增加锅炉的燃料。若主汽压力下降过大，可设法甩掉部分负荷。

功率负荷不平衡量过大时，可以通过低周减载、高周切机、适时投入水电阻等措施，及时缩小功率负荷不平衡量。然后利用一次调频作用使功率负荷达到平衡，转速保持稳定。利用二次调频作用或手操增减目标阀位，使转速维持在3000r/min附近。

（2）103%超速OPC动作停机

修改与安全油压开关开入变量“T1DMLPTRST”相关逻辑，使安全油压力开关瞬间复位不对DEH控制系统造成影响。

· 机组已挂闸、已跳闸逻辑

增加在已挂闸“T1DMTURESET”逻辑中的TON延迟时间，由1s改为5s。以避开OPC动作时，安全油下跌时间。

将已跳闸“T1DOTURTRIP”逻辑中的“T1DMLPTRST”变量，改为已挂闸“T1DMTURESET”。避开“T1DMLPTRST”变量误动影响。

· DEH打闸逻辑

将打闸逻辑“T 1 D O T R I P T U R”中打闸条件“T1DMLPTRST”变量改为已挂闸“T1DMTURESET”。“T1DMLPTRST”变量为0表示安全油压已消失，可用来作为SOE记录，以区分是DEH打的闸，还是外部打的闸。

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南车电机公司成功研制高速永磁变频电机系统

2015年4月28日，具有国际先进水平的高速永磁变频电机系统在南车株洲电机有限公司成功下线，将为某企业最新研制的水蒸气压缩机提供尖端动力。其与传统的三相异步电机配套增速箱系统相比，能源利用效率提升约15%，这标志着南车电机已经全面掌握高速永磁变频电机系统核心技术，为我国流体机械实现节能、环保提供了先进的动力系统解决方案。

据南车电机技术中心永磁电机研发部经理晏才松介绍，该电机额定功率165kW，额定转速18000转/分，从启动加速至额定转速仅需9秒，整个动力系统性能优异，运行平稳，噪声低，振动小，全生命周期成本低。此次研制成功的高速永磁变频电机系统包括电机、变频器与高速滑动轴承等。

整套系统采用高速永磁同步变频调速技术，电机直接驱动压缩机运行，与传统的三相异步电机通过齿轮箱增速再驱动压缩机相比，省去了增速齿轮箱，从而消除了齿轮箱所导致的功率损失、噪声和振动，结构紧凑、维护简单，大大降低了动力系统的体积，节约了机器安装的空间以及后期维护的工作量与使用成本。由于电机转速的提升，高速永磁电机与同等功率三相异步电机相比，体积大大缩小，重量降低，材料消耗降低，驱动运行的压缩机体积也变小，成本降低，从而使得整套蒸汽压缩机整机具有高效率、高可靠性、高功率密度的优点。

南车电机作为中国轨道交通牵引动力的领跑者，2013年自主研制的中国首台高速动车组用TQ-600型永磁同步牵引电机，在运行考核中性能优异。此次高速永磁变频电机系统研制成功，彰显了南车电机在永磁电机研制技术、制造工艺、试验能力的国际先进水平。因为超高的性价比与优质的服务，目前已有20余家国内外高速流体机械知名企业与南车电机开展技术合作，形成了50kW至1200kW的产品型谱系列。随着各款高速永磁电机的研发成功与推广，具有十分巨大的经济效益和社会效益。

Breakdown Analysis of Turbine

When the Over Speed Control (OPC) acts very often, the pressure switches of safety fuel will be released, which maybe lead to the turbine tripped. Some steam leak out from the governor valve flange face. The work temperature of LVDT is very high. The coils of LVDT are sometimes short out. The actuator is out of control inducing the turbine tripped. The improvement suggestions are proposed in this paper.

Turbine; DEH; OPC; Control system

B

1003-0492(2015)05-0108-04

TK268

刘康宁（1963-） ，男，四川德阳人，高级工程师，计算机应用硕士。现任杭州和利时自动化有限公司副总工程师兼DEH技术总监，主要从事DEH控制系统研究设计工作。