某型国产航改燃气轮机典型故障分析

杨立国

摘要：本文主要描述了某型国产燃气轮机试车期间一次经典故障分析过程，此次故障分析更加系统和全面的进行相关故障分析排查，逐层收网，定点击破，最终找到了问题根源并进行针对性的处理和解决。

Abstract： This paper mainly describes a typical fault analysis process during the test run of a type of domestic gas turbine. The fault analysis is more systematic and comprehensive related fault analysis and troubleshooting， layer by layer network， fixed point to break， and finally find the root of the problem and targeted treatment and solution.

关键词：国产航改燃气轮机;线位移传感器;低频保护

Key words： domestic gas turbine;linear displacement sensor;low frequency protection

中图分类号：TK478                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）03-0151-03

1  试验概况

该型国产航改燃气轮机在标况下，额定输出功率为15500kW。

2020年7月21日，燃机进行第81次点火试验连续运行87小时18分时，机组控制主界面出现“异常跳闸”三级报警，机组随即自动紧急停机。

2  异常跳闸描述

①“异常跳闸”三级报警的触发程序。

1）现场首先检查发电机控制柜，控制器显示“低频保护”报警;2）通过数据回放发现三级报警时动力涡轮转速n3达到5075rpm（额定转速为5300rpm），发电机频率47.8Hz（低频保护设定值为48Hz），由此触发了“低频保护”报警;3）“低频保护”开出“发电机出口断路器分闸”信号及“继电保护动作”二级报警;4）根据控制规律，负载>1000kW（当时燃机所带负载为4500kW）时，控制柜收到“发电机出口断路器分闸反馈”信号，触发“异常跳闸”三级报警。

②因此“异常跳闸”的直接原因为动力涡轮转速n3过低。

3  现场检查情况

机组紧急停机后，现场立即组织操作人员对机组设备及各系统进行仔细检查，同时组织技术人员分析历史数据，检查情况如下：

3.1 分系统检查

3.1.1 负载箱检查

7月21日下午，检查负载箱远程控制箱无故障报警，现场检查当次运行的两台负载箱无异常。

3.1.2 进气系统检查

7月21日下午，檢查进气通道，粗滤及精滤完好，过滤室无杂物;拆开两件精滤到精滤后检查，通道无杂物，无异常。

7月22日上午，打开进气稳压室人孔门检查，稳压室内无杂物，无异常。

3.1.3 排气烟道检查

7月21日下午，打开余热锅炉烟道入口人孔门，检查排气道及排气蜗壳，未见明显异常;从排气蜗壳出口检查动力涡轮三级动叶，未见明显异常。

3.1.4 其他系统检查

对发电机、齿轮箱、辅助滑油、压缩空气等系统进行仔细检查，未见异常。

3.2 燃机检查

3.2.1 高低压导叶检查

①导叶外观检查。7月22日下午，对高低压导叶作动筒、联动环、压力油系统进行全面检查，高压导叶外观无异常;发现低压一级导叶有三片活动量大，检查其外部连杆处也随之活动。

②导叶动态检查。7月23日上午，进行高低压导叶小闭环检查：1）低压导叶α1控制正常;2）检查发现高压导叶α2控制33°以下控制效果较原来变差，33°～38°出现波动现象。

3.2.2 视频监控回放检查

通过回放燃机间视频监控：①发现7月21日监控画面上显示，01时40分10秒至13秒燃机本体出现约3秒抖动;约8分钟后，出现第二次抖动;经回放历史数据，此现象与历史数据上的第一次和第二次波动吻合。②发现7月21日监控画面上显示，11时11分18秒至23秒燃机本体出现约5秒抖动（为当次运行第三次抖动）;经回放历史数据，此现象与历史数据上的第三次波动吻合。

3.2.3 孔探检查

7月22日、23日，现场技术人员对燃机高、低压压气机、燃烧室、高、低压涡轮进行孔探检查，检查情况如下：

①低压压气机：

检查结果：低压压气机转子叶片和静子叶片未见明显损伤、裂纹、变形现象。

②高压压气机：

检查结果：高压压气机转子叶片和静子叶片未见明显损伤、裂纹、变形现象，高压6～9级叶片表面颜色有明显加深。

③燃烧室：

检查内容：通过燃烧室机匣上顶部和底部的孔探仪座，将孔探仪插入火焰筒内，旋转孔探仪360°，检查火焰筒头部、内外壁和燃料喷嘴。

检查结果：火焰筒头部、燃烧室内外壁无裂纹，无明显烧蚀，燃气喷嘴头部无明显积碳，喷射孔无阻塞。

④高、低压涡轮：

通过涡轮孔探仪孔检视高压涡轮叶片排气边、低压涡轮工作叶片进气边和低压涡轮导向叶片可视部分;

检查结果：高压涡轮工作叶片和导向叶片（可视部分）未见明显磨损、裂纹，叶身、缘板无外来物粘结，气膜孔未见明显堵塞。

低压涡轮工作叶片和导向叶片（可视部分）未见明显磨损、裂纹、损伤。

3.2.4 燃机主要参数对比分析

将本次运行数据与前几次数据进行对比，各次试车的转差关系较为吻合，说明各次试车的高低压部件状态基本一致。7月21日凌晨，出现了两次较为明显的波动。第一次波动后，动力涡轮转速从5300r/min降至5140r/min，控制系统在30s左右调回初始状态，但α2角度抖动明显，且角度从14.4°开大到12.9°。如图1所示。

8分钟后第二次波动，现象与前一时刻类似，在动力涡轮转速降低的过程中，各参数出现连续的震荡，恢复时间约15s，高压压气机出口总压从14.5bar最低降至10bar，动力涡轮进口总压也有相应的降低，进气机匣及中介机匣振动瞬时分别从7、16mm/s突升至36、31mm/s，并回落至初始值。如图2所示。

7月21日中午发生紧停前一段时间内，在功率维持4.5MW的前提下，仍有一些微小波动。如图3所示。

紧急停车前，机组状态与凌晨时第二次波动类似，只是这次幅度更大，α2角度跟随出现滞后，滞后时间约为0.5s，同一时刻，角度最大偏差约为2.5°;高压压气机出口总压从14bar最低降至7.5bar，同时N1r，α1角度，T48温度变化更为明显，在回调过程中，出现了三级报警引发紧急停车，期间进气机匣振动达到30mm/s。

4  排故过程

现场技术人员召开技术研讨会，经充分讨论，决定将对低压压气机0级进口导叶活动量大问题进行修复;高压导叶α2控制参数进行优化，然后起机验证，观察对比各状态参数，开展进一步排查。

4.1 低压压气机0级进口导叶活动量大问题进行修复，修复了三片，加铜皮填充间隙，活动量消除。

4.2 高压导叶α2控制参数优化

7月24日上午，就燃机当前状态对高压压气机α2控制参数PID进行优化，优化后控制效果达到预期。

4.3 起机验证

7月24日共进行了一次冷运转及两次点火试验，燃机运行情况如下：①11时25分，首先进行了一次冷运转，冷运转状态各项参数正常。②11时39分，进行第082D次点火试验，主要目的是排查验证高压导叶影响。11时59分，燃机到达慢车状态，然后稳定运行4min，录取慢车状态参数后正常停机。经观察对比历史数据，慢车状态各项参数正常，可进行进一步验证。③16时37分，进行第083D次点火试验，主要目的是继续排查验证高压导叶影响。17时07分，在负载加载至2700kW过程中，控制主界面出现“进气机匣水平振动故障”二级报警，燃机间视频监控画面有明显抖动，现场也有明显震感，立即减载停机。

经回放历史数据，发现负载在2700kW时，正处于低压压气机出口放气阀关闭边界（n1r=6550±50rpm），放气阀开关8次，与燃机8次强烈异响声相吻合。

通过与81D前期运行数据进行对比，发现83D试验，机组在带载以后，转差开始增大，最大偏差超过100r/min。

通过查看试验数据，机组加载到2700kW后约4s，低压压气机出口防喘放气阀关闭，控制参数开始出现不稳定现象，该现象一直持续到机组降至最小负载，持续时间约100s。

同时发现，机组在2700kW负荷停留的30s时间里，低压压气机出口放气阀频繁开闭了8次，监控中也发现燃机明显抖动。

其中在放气阀第4次打开后，进气机匣振动达到72mm/s，动力涡轮转速最低降至4948r/min，在放气阀从关闭到打开过程中，高压压气机出口总压从12.4bar降至6.5bar，动力涡轮进口总压从1.9bar降至1.3bar，动力涡轮进口温度突升了53℃，达到680℃;放气阀第5次关闭时，进气机匣振动也超过58mm/s。

机组减载2000kW后，放气阀保持打开的状态，除去了放气阀频繁开闭的影响，但参数波动量也未见好转。

机组降至同步慢車状态后，各参数波动逐渐减小并趋于稳定，燃机降转停车。

7月25日上午，拆卸低压压气机出口7个防喘放气阀，检查弹簧、活塞行程等未见异常。

4.4 更换α2线位移传感器

7月26日对原线位移传感器进行校验，小闭环控制并未发现明显异常，从安全性、可靠性考虑，新更换一件α2线位移传感器，并重新进行标定。

上午根据38度到0度降程结果进行粗标，由于回差问题，根据0度到38度升程与38度到0度降程平均值进行第一次标定，发现降程过程中，小幅度与大幅度控制真实位置不一致。经验证讨论为正常现象，通过小幅度值进行修订和复验，期间发现个别点偏差略大，继续进行修正，下午完成标定。

4.5 再次起机试验

①完成第84次点火运行，最大负载4000kW，累计运行时间77min，机组稳定运行，并将数据与以往正常状态进行对比，未发现异常;②完成第85次点火运行，最大负载7500kW，累计运行时间2h5min，累计带载时间1h36min，机组稳定运行，并将数据与以往正常状态进行对比，未发现异常。

4.6 发现问题根源

为进一步排查线位移传感器，将第81次试车中使用的α2线位移传感器进行分解。该传感器为铁芯导向式结构，内部铁芯（两端为内螺纹）与外部伸缩杆（两端为外螺纹）通过螺纹连接。分解后检查，发现铁芯与伸缩杆连接较为松动，铁芯内螺纹有较大磨损。如图4所示。

5  结论

对比第81次试车停机前参数，α2线位移传感器内部连接松动和故障现象相吻合：因α2线位移传感器的外部伸缩杆已用螺纹胶固定在支架上，内部铁芯与外部伸缩杆螺纹连接处松动，导致内部铁芯产生了位移，从而传感器输出信号（即A2反馈值）产生波动，α2角度跟随出现滞后，引发气动参数变化;由于燃机处于n3闭环发电状态，需要维持n3转速，在回调过程中，n3转速过低导致低频，触发“异常跳闸”三级报警。

第84次点火运行前，更换了新的α2线位移传感器，机组稳定运行，并将数据与以往正常状态进行对比，未发现异常。

第81次试车所装的α2线位移传感器为国内某厂家制造，经咨询，该型传感器未经历过类似现场环境条件下的长期装机运行考核试验，可靠性有待验证。

最终将故障原因定位于α2线位移传感器长期工作可靠性不佳。

参考文献：

[1]罗震.某型燃气轮机分布式控制系统研究[D].南京航空航天大学，2017，9.

[2]邓小雄.线位移传感器测试平台的设计与研究[J].中国航发贵州红林航空动力控制科技有限公司，2020.

[3]郑健.分布式航改型燃气轮机典型故障分析及应对措施[J].华电电力科学研究院有限公司，2020，5.