基于Peak150控制的蒸汽透平典型故障分析及解决方案

刘海泉，林万洲，江敏

（1. 中国石油西南油气田分公司，成都 610000；2. 西华师范大学电子信息工程学院，四川 南充 637002）

某天然气净化厂利用装置余热锅炉自产的中压过热蒸汽（4.0 MPa，360 ℃）作为驱动能源，驱动蒸汽透平带动半贫砜胺液泵，将半贫砜胺液由尾气处理单元输送返回脱硫单元主吸收塔，以此完成砜胺液的循环。单列处理装置共有2 台半贫砜胺液泵，1 台为电机驱动，1 台为蒸汽透平驱动，日常运行透平驱动泵，实现对装置废热的再利用，透平驱动泵联锁停机时系统可自动切换至备用电机泵。半贫砜胺液泵的蒸汽透平为美国埃利奥特公司生产，额定功率796 kW，额定转速2 980 r/min，搭配Woodward 公司生产的调速控制器Peak 150。Peak 150 作为蒸汽透平控制的重要组成部分，其可靠性直接决定蒸汽透平的运行稳定 性。

1 系统组成及控制功能

1.1 组成

透平调速系统由Peak 150 调速控制器（图1）、转速探头、带智能定位器的调速阀组成，如图2 所示，其中Peak 150 是以微处理器为中心的数字调节器，主要用于控制一个智能阀的蒸汽透平机组。

1.2 控制功能

Peak 150 调速控制器是一种功能强大的可编程控制，可实现逻辑控制和回路控制两种控制功能[1]。其内部是以32 位Motorola 68332 20 MHz 微处理器为基础的数字式调节器，采用手提式编程器，便于现场编程。Peak 150 使用的是模块菜单式驱动软件，编程较为容易。具有多个I/O 接口，便于功能选择[2]。

图2 调速系统结构框图Fig.2 The structure diagram of speed control system

1.2.1 逻辑控制实现启动控制和联锁停机控制

当蒸汽透平设为Peak 150 调速器自动启动时，调速器按照设定的转速升速程序（见图3），从暖机转速开始控制转速，在不用人工干预的情况下，自动升速到透平的额定运行范围。当透平设为人工启动时，操作人员可通过Peak 150 调速器操作面板控制透平升速到指定转速。

图3 蒸汽透平的转速变化线Fig.3 Steam turbine rotation speed curve

透平机组联锁停机保护控制包括超速停机保护、故障超驰保护和人工停机保护。超速停机保护是指在Peak 150 控制程序里设定了一个电超速转速值，当透平转速由于某种原因超出正常的运行范围，急剧升高到这个值时，Peak 150 立即发出停机指令，防止透平出现飞车事故[3]；故障超驰保护是指当Peak 150 在有效时间内没有检测到超过最低转速时，发出的停机指令；人工停机保护指在异常情况下，操作人员可直接通过Peak 150 调速器操作面板的紧急停机按钮停 机。

1.2.2 PID 回路控制

透平定速以后可投入PID 控制。如图2 所示，转速PID 控制器接收n1和n2两个转速信号，其中n1是现场转速探头检测到的转速频率信号，n2为转速设定值。为确保转速测量的可靠性，现场设置了2 个转速探头，HSS 高选器选择正常的转速频率信号作为转速PID 控制器的测量值。PID 控制根据n1和n2之间的差值进行PID 运算，运算结果产生一个提供给带智能定位器的调速阀4 ～ 20 mA 的标准信号，使调速阀调节透平入口的蒸汽量，从而达到控制透平转速的目的。

2 典型故障现象与解决方案

2.1 控制器复位后有转速不能启动

当透平启动时首先需对透平控制系统进行复位，调速控制器Peak 150 输出最小电流值4 mA，使对应调速阀开度为0%。当调速阀的阀座与阀芯之间存在间隙时，蒸汽经过调速阀使透平在复位状态下仍有600 ～ 800 r/min 的转速，因此不符合透平启动的条件。

解决方案：要校验调速阀执行机构的连接部件，以确保在调用0%的执行机构位置时透平能停机；当调用 100%时可达到满负荷，即控制器在没有输出信号或输出最低电流4 mA 值时，调速阀仍然处于全关闭的状态；当输出20 mA 时，调速阀全开。

2.2 启机失败

2.2.1 假失速导致启机失败

透平速度传感器位于非驱动端，为磁电式速度传感器，共4 枚，用于监测主轴转速，见图4。它是利用电磁感应原理，在被测物体振动时，传感器内固定在惯性质量上的线圈切割磁力线，得到正比与振动速度的电势，该电势通过放大器放大。可测量被测物体的速度[4]。其中C2-1 位于正上方，信号接入就地转速显示器，不参与控制。C2-2，C2-3，C22 中的2枚传感器探头信号接入现场调速控制器和中控，2 选2 联锁，另1 枚探头备用，未接线。

图4 透平速度传感器安装示意图Fig.4 Turbine speed sensor installation diagram

当启动透平时，调速器面板上没有速度显示（转速显示0），但实际透平处于运转状态，造成假失速，调速器在有限时间内无法获得传感器的速度值，触发透平联锁停机。

解决方案：

（1）检查速度传感器的连接线是否牢固可靠，确保信号通道良好。汽轮机组应选用高温型传感器、耐高温电缆，以提高传感器工作稳定性[5]。

（2）检查传感器安装是否到位。传感器探头与被检测齿轮齿间隙要求为0.040 in（见图5），其输出电压会受以下三个方面的影响：① 电压随着被监测磁性材料表面速度的增加而增加；② 当传感器与齿轮齿面之间的间隙增大时，电压减小；③ 电压波形是由齿轮齿的尺寸和形状、传感器探头杆件的尺寸和形状所决定的。

图5 传感器探头与被检测齿轮齿间隙Fig.5 The gap between the probe of sensor and gear tested

（3）清洁磁电式传感器探头上的污垢，同时也要清洁透平齿轮上的污垢，确保检测面的清洁。

（4）检查到磁电式传感器探头的磁性较弱时，则需更换新的传感器。

（5）测量速度传感器是否有交流电压值输出，有输出说明传感器工作正常。经实测，安装新的传感器后，转速越高，传感器输出电压越高，见表1。

表1 转速与交流电压值及频率表Table 1 Rotational speed and AC voltage and frequency

2.2.2 振动超标触发联锁

透平在启机过程中，当转速升至临界转速区（1 500 ～ 1 800 r/min）附 近 时，时 常 触 发 透 平驱动端振动超标联锁。该透平使用本特利内华达3300XLNSV 电涡流振动探头，电涡流传感器能测量被测物体（必须是金属导体）与探头端面的相对位置[6]。振动监测系统由探头、前置器、延伸电缆、变送器组成，主要是在线监测透平的轴位移量。两枚振动探头互呈90°安装，联锁值100 μm，以2 选2 的方式参与透平的振动联锁功能。

解决方案：

（1） 调整振动探头与主轴之间的间距。3300XLNSV 电涡流振动探头与被测金属导体的间距线性范围为1.5 mm（0.25 ～ 1.75 mm，直流电压约-13 ～ -1 V），实际应用1 mm，通过微调传感器使直流电压在-10 ～ -9.5 V。

（2）检测传感器的直流阻抗值，通过查询表2和表3 的数据表参数来判断不同长度传感器的好坏。选择延伸电缆的长度，应该使延伸电缆长度加探头电缆长度，与配套前置器所要求的长度一致（5 m 或9 m）[7]。

表2 探头额定直流阻抗表Table 2 Probe DC resistance

表3 延伸电缆额定直流阻抗表Table 3 Extension cable DC resistance

（3）若以上对传感器等仪表设施的检查均为正常，则说明振动检测性能良好，振动超标联锁的原因可能在透平的机械部分，需要检查透平联轴器是否对中，轴瓦有无磨损，转子是否存在动不平衡等问题。

2.2.3 控制器组态参数设置不合理

透平在首次启运前Peak 150 调速控制器必须针对特定的透平用途进行组态，组态菜单项目共计21项。当组态不合理时，就会影响透平的正常启运，在实际组态中遇到的典型问题和处理方式如下：

（1）故障超驰转速未在有限时间内超过最低转速而停机

超驰控制是把生产过程中的限制条件所构成的逻辑关系，叠加到正常的自动控制系统上去的一种组合控制方法，也就是系统中设有两个或两个以上的控制器，通过（高、低值）选择器选出能适应生产安全状况的控制信号，实现对生产过程的自控控制[8]。

为启动透平，MPU 信号故障停机作用被自动超驰，只要透平在启动所需的最大时间（Max Starting Time）内超过最低转速200 r/min，超驰功能就自动取消，否则透平将因转速信号丢失而联锁停机。通过故障超驰菜单中的参数（见表4），根据公式PRM=（Hz×60/齿数）计算出MPUs（MPU#1、MPU#2），将输入频率转换为转速。修改值是修改后的组态参数，将修改值300 Hz 代入该公式得出转速600 r/min，大于200 r/min，由于暖机/下限转速设置为500 r/min，透平很快由600 r/min 下降至500 r/min，因此将检测速度的启动最大时间由240 s 缩短为15 s。该菜单组态后，顺利启动透平至暖机转速500 r/min的阶段。

表4 故障超驰菜单表Table 4 Failed MPU override menu

（2）透平无法远程调速

正常情况下，当透平转速到达2 550 r/min 时，调速器将转速信号传输至DCS 系统开启远程调速模式（此时操作面板RMT 启用LED 灯由闪烁变为常亮），由DCS 系统在转速2 550 r/min 至3 100 r/min之间进行远程调节，此远程调速范围已在速度设置菜单中完成组态。若远程控制菜单参数设置错误，将导致透平出现能就地人工调速而不能远程调速的结果，设置参数详见表5。

表5 远程控制的整定菜单Table 5 Remote setting menu

Remote-Not Matched Rate 表示当远程控制信号与转速基准不匹配时，转速基准以此速率变化，但只在远程模式下才起作用；Remote Rate-Max 表示当远程控制信号与就地给定值一致，远程模式起作用时，给定值就以此速率变化。由于此两项变速率设置成0，使调速器的远程控制给定信号与透平的转速不匹配，调速器至调速阀的信号保持不变，失去远程调速的功 能。

为了实现远程对透平进行稳定的调速操作，对Remote-Not Matched Rate 与Remote Rate-Max 的参数值由0 修改为5 r·min-1·s-1，使调速器对来自DCS信号与透平的转速信号进行PID 运算，产生的偏差信号去控制调速阀的开度，从而实现远程调速功能。

3 结束语

通过对Peak 150 调速控制系统的组成和控制原理的深入了解，结合现场实际应用中出现的不同的故障现象，对振动探头、速度传感器、调速器组态参数等进行调整，并采取了一系列其他解决措施，使蒸汽透平恢复安全、稳定、可靠的运行，为同类设备的维护提供了一定的借鉴意义。透平的正常投用实现了对废热的充分利用，单台透平每年可节约电费300万元以上，经济效益显著。