航改型燃机燃调阀故障原因分析及改进措施

罗易洲

(国家管网集团联合管道有限责任公司西部分公司生产运行部，新疆 乌鲁木齐 830013)

1 引言

随着天然气管线里程不断增长，压缩机组运行稳定性的提升愈发重要。国内现有在役天然气长输管线燃驱压缩机组总计140余套，现有燃驱压缩机组整体系统相对复杂，调速范围仅65%～105%，运行期间因燃料气污染、供电异常、阀门本体故障极易导致燃料气系统运行异常，触发机组停机后4 h 内无法及时恢复备用。现役天然气长输管线燃驱压缩机组使用的燃调阀主要由GE(美国通用电气公司)、西门子能源、索拉透平公司提供，其中GE、西门子公司燃调阀在国内应用较为广泛，本文主要研究GE及西门子燃调阀故障规律，制定优化处置措施，开展预防性运维检修作业，争取将燃料气系统故障降至最低，逐步提升燃驱机组整体可靠性。

2 燃料气计量阀基本信息

燃料气调节阀是根据燃气轮机转速、功率等要求，按照自动化控制的信号，遵照一定的燃料气供给规律，向燃气轮机燃烧室燃料罐供应一定数量气体燃料的调节装置。在紧急情况下，燃料气计量阀也能快速终止燃料气的供给并排空燃料气管路系统内的气体燃料，在燃气轮机系统内扮演着重要的角色。

该阀为精密调节阀，主要由阀体、阀芯及执行机构组成。当阀门收到开启信号时，上部电机开始顺时针转动，并通过电机轴前端的滚珠丝杆(右旋螺纹)，提升中间联接套，带动阀芯向上运行，完成开启动作，中间弹簧为回座弹簧，当电机提升力大于弹簧回座力与阀芯自重之和时，阀门向上开启，增大阀门开度，反之，当弹簧回座力大于电机提升力时，阀门向下关闭，减小阀门开度。因此，当机组正常运行时，根据负载的大小，需要随时调整阀门开度以调节机组的燃气供气量，中间联接套与提升螺杆始终保持小幅运动状态，此处部位极易磨损。

电机轴前端与中间联接套之间采用滚珠丝杠螺母副，可实现回转运动与直线运动相互转换，它的结构特点是在具有螺旋槽的丝杠螺母中装有滚珠作为中间传动元件，以减少摩擦丝杠和螺母上的摩擦，丝杠与螺母之间都加工有圆弧形的螺旋槽，这两个圆弧形螺旋槽对合形成一个螺旋线滚道。在滚道内装上滚珠，当丝杠与螺母相对运动时，滚珠沿螺旋槽向前滚动，丝杠与螺母之间基本上为滚动摩擦。为防止滚珠从螺母中滚出来，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，使滚珠能循环流动。

GE燃驱机组使用的燃调阀型号为GS16，该计量阀由阀门、电动执行机构和控制器三部分组成。控制器接收到机组控制系统的位置命令信号后，通过比例模拟量输出驱动执行机构改变阀门球形阀芯的扇形面积来控制燃料气通过的流量。反馈信号由电动执行机构上的解算器生成，输出阀门的旋转位置。当阀芯扇形面积增加是燃料气通过流量增加，反之，燃料气流向下降。执行机构包含一个模拟位置控制器，可通过4～20 mA的输入信号接收信号。当控制器收到一个模拟输入时，控制器通过比例模拟量输出驱动执行机构改变燃料气计量阀球形阀芯的扇形面积来控制燃料气通过的流量。阀上的解算器生成阀门的实际位置信息，并通过控制器将此信号发送给机组控制系统。

GS16阀是一个电子驱动的燃料阀，带有内置电子阀位控制器。此阀可接收命令信号，然后准确定位球形燃料计量元件，露出与流量呈正比的有效面积。计量元件可通过由球形元件和底生成的剪切型动作进行自我清洁。使用一个分解器进行阀位反馈。分解器直接与燃料计量元件相连，无需使用连接装置或齿轮系，进而提高了准确性。GS16燃调阀的阀体为球阀，当电机转动时带动球阀转动给出不同的开度。

3 燃调阀使用情况

目前国内长输天然气管线航改型燃机主要使用GE、西门子燃调阀，分布于西气东输一线、二线和三线，其中GE机组燃调阀使用最为广泛，燃调阀配置情况如表1所示。

表1 燃调阀分布表

4 燃调阀故障及原因分析

4.1 故障现状

根据经验，燃调阀运行时间越长，故障次数越多。西一线、西二线西门子RB211机组燃料气计量阀及其相关系统故障统计见表2。

表2 燃调阀故障表

4.2 拆解检查

针对燃调阀在压缩机组运行中遇到的各种问题，开展燃调阀拆卸检查工作。西门子燃调阀拆卸检查发现弹簧座通过锁紧螺母与阀杆固定，连接杆穿过弹簧座。弹簧座承接压缩弹簧的推力，当电机作用的向上的拉力减小时，弹簧推力使阀杆向下运动，使阀门流通截面减小或关闭阀门。连接杆和阀杆皆做直线运动，弹簧座上设计有指示器和限位器，可以指示阀位(机械)和开关限位。

西门子燃调阀解构决定了阀杆平衡盘外表面上堆积的污物导致阀门卡涩。轴承及阀杆检查虽然有磨损情况存在，手动转动未发现有卡涩问题，但其存在的磨损会影响阀门控制的精度。驱动电机转子频繁来回旋转以调节阀位，动作时导致轴承、滚珠及阀杆的磨损，同时轴承承受较大的轴向力(力的大小为弹簧力、阀杆重力及密封元件阻力、气体压力之和)，使得轴承、阀杆单侧接触，并将润滑脂挤出，由于长期磨损润滑脂减少，缺乏润滑脂的润滑，在接触面上直接摩擦而产生磨损；另一方面，也可能阀门设计时选用的轴承型号不当或轴承质量不好造成。

GE机组燃调阀主要由控制板、驱动电机、阀体组成，拆解燃调阀检查阀体存在油污杂质。

在GE燃调阀运行过程中，如果机组发生跳机，控制系统会让燃料气计量阀瞬间关闭，由于阀门的球面出现磨损，阀门内调节球体表面出现磨损。出现该现象由于过滤后的燃料气存在微小杂质，并且机组运行时阀门长时间在1%开度内反复波动，在有微小杂志的情况下反复动作在球体表面产生磨损和碎屑堆积。这样在阀门瞬间关闭的时候需要一个很大的力矩才能让阀门关闭，这个瞬间力矩超过了电动执行的设计范围。电动机的功率不够输出这个力矩，导致电机随着阀门一起处于卡住状态，但是电动机还是在运行的。如果电动机长时间保持在这种状态，会导致大量的发热，这也是燃调阀出现故障时候整个燃料气计量阀阀体发烫的原因。

4.3 故障分析

近年来西门子RB211燃机的燃调阀故障现象较多，但故障总体分为两部分：一部分故障的确是由于燃调阀卡涩导致的，而燃调阀一旦卡涩只能换阀，目前天然气输送单位可自行维修阀，也可返厂送修；另一部分燃调阀的故障并非由燃调阀本身引起，其他相关系统的故障，如液压启动系统、VIGV系统等的设备缺陷一样可以导致与燃调阀相关的故障报警产生，在没有弄清楚燃调阀及其相关系统是如何配合运作的情况下，在故障处理时极易造成工作方向的错误，最终使得功能正常的燃调阀被更换拆解。

燃调阀的故障报警多出现在燃气轮机启机的过程中，其中和燃调阀控制程序和液压启动系统的关系最为密切，由于液压泵斜盘的角度会直接影响启机时高压压气机转子的速度，所以在处理燃调阀及其相关系统的故障时不能不考虑压气启动系统的配合。至于VIGV可调进气导向叶片机构，一般在机组启机成功后加载时才会对燃料气系统产生影响。

同时，与燃调阀相关的回路供电、反馈以及控制器的匹配等等问题，经常制约着燃调阀的正常运行。了墩西三线燃调阀的控制器安装在西二线烟墩站后就出现过控制器不匹配的问题，需要重新设置调节。轮南站3#机组、西二线烟墩站3#机组也均出现了由供电二极管、供电模块损坏导致的燃调阀故障。此类故障均为非燃调阀本体的故障。

(1)燃调阀的供电分析

西一线西门子机组燃调阀驱动电机的供电与西二线供电方式一样，均为双路144V的供电，而双路的供电并非冗余供电方式，而是双路144V共同驱动电机动作以增大功率，在处理故障的时候要格外小心，不能在最终的电压输出端进行电压测量，而是要确认双路电压均为144V，才能确定为供电正常。

(2)燃调阀的卡涩分析

燃调阀在卡涩后会出现各种情况，有时会出现卡涩在工作位置无法回位的情况，有时会出现回位到“0”的开度时上位机反馈仍为阀开的情况，有时会出现燃调阀无法大范围动作的情况。针对不同的情况有不同的处理方式。

当出现燃调阀卡涩在工作位置时，一般卡涩在“23%”左右时，需要断开燃调阀的所有供电，然后重新上电，是的燃调阀尽量归零，防止长期卡涩损坏阀内部的弹簧机构，给阀的拆解维修带来麻烦。目前针对这类卡涩问题，我技服中心已具备自行维修的能力，需要重新购置滚珠丝杠螺母副、润滑脂等进行关键部件进行更换后方可修复。

当出现燃调阀燃调阀无法归零，例如西一线哈密站燃调阀在0.1%位置反馈显示阀开始，需要将阀拆解后重新调整全关的开度，将滚珠丝杠螺母副稍稍向下调整后，进行测试，当全关到位时，机械反馈部分会伴随有“咔嚓”声以显示全关到位。燃调阀回装后需要进行强制命令的阀位测试，直到运行正常为止。

当出现燃调阀无法大范围动作的情况时，需要将阀进行拆解，取出丝杠螺母副以及其中的弹珠，用酒精清洗后观察丝杠螺母副是否能继续使用。

如果金属碎屑较多，需要重新更换丝杠螺母副，如果丝杠螺母副无损坏，需重新加润滑脂后再回装。燃调阀回装后需要进行强制命令的阀位测试，直到运行正常为止。

(3)控制模块故障

燃调阀控制模板故障多发生于西一线GE机组一般是通过更换驱动板备件EM35 Driver，重新配置和校验模块后，恢复了机组运行。燃调阀通讯故障主要发生在西二线GE机组，表现为多个数据包发生离线，无法与控制器进行通讯，查看数据包高级诊断信息，均出现连接超时，由此判断数据包与控制器通讯中断，导致该数据包采集的数据无法上传至控制器，进而在人机控制接上无法显示。发生该现象的原因有两种：通讯网络故障，某个数据包发生故障导致同一网络内其他数据包与控制器通讯中断，同时数据包PCLA、PPRA存在问题，工作不正常，一般由更换数据包或交换机解决问题。

5 燃调阀维护检查方法

结合燃调阀供电、控制程序、与相关系统的配合以及燃调阀本体卡涩等故障，燃调阀及其相关系统的维护检查处理方法见图1。

图1

燃调阀及其相关系统的故障涉及面很广，当故障出应该首先调用N1转速、N2转速、N3转速、燃调阀开度、燃调阀反馈等相关点的历史数据，但是同时也要调用液压启动泵出口压力、IGV开度的历史数据进行综合分析，将故障范围初步的缩小。经过分析确认后，如果确认为燃料气系统的故障，再进行进一步的分析，检查是否是阀本体的问题还是控制器、燃料气管路系统、供电的问题，每一项可能存在的故障因素都必须要排除。

在确认为阀体故障的时候，可以视情进行维修选择，选择购买备件自行维修或者送修。在确认为控制器故障的情况下，需要按照作业流程重新更换控制器，如果控制器不匹配，需重新设置。在确认为燃料气管路系统问题的时候，需要检验管路内燃料气调压阀、关断阀、放空阀等是否工作正常，是否有因管路内杂质存在无法关到位的情况。当确认为供电问题是，需要排查整个燃调阀系统电机供电、反馈供电、使能供电信号等等，确认每一个供电回路工作正常，并及时更换损坏的电源模块。

西一线、西二线机组燃调阀及其相关系统的故障率较高，在处理故障时，应该科学分析燃料气系统本体存在的故障，同时也要综合分析其他相关系统和燃料气系统的配合问题，只有搞清了燃机整体系统如何相互配合作业，才能及时有效的处理故障。