汽輪機調速系統失控原因分析及對策

張錫德，陳小龍, 胡 漁，康 軍,米爾扎提

(1. 中國石油天然氣股份有限公司塔里木石化分公司，新疆 庫爾勒 841000； 2. 塔西南勘探開發公司，新疆 喀什 844000)

合成氣壓縮機組是某公司年產45萬t合成氨/80萬t尿素大化肥裝置的5大機組之一， 是化肥生產的核心設備， 其離心壓縮機及汽輪機均由日本三菱公司制造。該機組于2010年5月投入裝置的正常生產。2016年5月， 化肥裝置進行了系統停車大檢修， 6月7日裝置檢修后開工。

1 機組有關情況

該壓縮機組為氨合成塔提供氫氣和氮氣。合成氣壓縮機為多級離心式壓縮機，由高壓缸和低壓缸組成，其型號分別為5V-8C和5V-8B，安裝在汽輪機兩側，用膜片聯軸器直聯。汽輪機為高壓抽汽冷凝式透平，其型號為5EH-7BD。

1.1 汽輪機有關參數

汽輪機有關參數，見表1。

1.2 汽輪機控制系統

汽輪機控制系統由V1閥(主汽閥，即調節汽閥)控制系統和V2閥(抽汽控制閥)控制系統組成。前者由轉速探頭、TS3000(汽輪機和壓縮機集成控制系統)、電液轉換器A、錯油門A、油動機油門A、執行與反饋杠桿A(簡稱杠桿A)和V1閥組成，其功能是對汽輪機入口高壓蒸汽壓力進行自動控制；后者由TS3000、電液轉換器B、錯油門B、油動機油門B、執行與反饋杠桿B(簡稱杠桿B)和V2閥組成，其功能是對汽輪機轉速進行自動控制【1】(見圖1)。

表1 機組有關參數

1.2.1 轉速控制原理

汽輪機轉速由轉速探頭測出。轉速探頭是1個磁阻發送器，它將測出的轉速轉換成相對應的電壓信號【2】。電壓信號被傳輸到TS3000控制系統,與設定轉速值進行比較，其偏差值經過TS3000中的PID調節器(比例-積分-微分調節器)運算后，輸出20～160 mA的電控信號【3】；該信號在電液轉換器中通過伺服活塞按比例關系被轉換為機械位移，推動杠桿B進行運動；杠桿B上、下移動造成錯油門B活塞桿上、下運動，使錯油門B到油動機油門B的油路通道按需求被打通；動力油通過錯油門B進入油動機油門B的油缸腔體，推動油動機活塞桿上、下運動，從而實現對汽輪機汽閥開度的調節【4】。

當油動機油門B活塞向下運動時，其活塞桿會帶動杠桿B向下移動，從而導致錯油門B活塞向中心位置運動，最終使活塞到達其中心位置，油路關閉，汽輪機調速完成【5-6】，反之亦然(見圖2)。

1.2.2 高壓蒸汽壓力控制原理

汽輪機入口高壓蒸汽由壓力探頭測出，通過壓力變送器轉變為相應的電流信號。信號被傳輸到TS3000控制系統,與設定蒸汽壓力值進行比較，其偏差值經過PID調節器運算后，輸出20～160 mA的電控信號；該信號到達電液轉換器A，由電液轉換器控制錯油門A的動作，使動力油通過錯油門A到油動機油門A,從而實現對V2閥開度的控制，以確保高壓蒸汽壓力的穩定。其原理與汽輪機轉速控制原理相同。

1.2.3 V1閥和V2閥耦合關系

汽輪機控制是通過對V1閥和V2閥的控制實現的。在用V1閥對入口高壓蒸汽壓力進行調節時，需對V2閥做相應調節，才能保持汽輪機轉速穩定；同樣，在用V2閥對汽輪機轉速調節時，也需對V1閥做相應調節，才能保持汽輪機入口高壓蒸汽壓力穩定，因此V1閥和V2閥存在耦合關系。在機組TS3000控制軟件包中有雙閥算法模塊，即“主汽壓力-轉速控制”雙閥算法，被稱為IP-SP。通過雙閥算法可實現調節任何1個被控參數時不影響另1個被控參數【7】。

2 調速失控原因分析及對策

2.1 事故經過

事故發生前，合成氨4大機組(原料氣壓縮機、空氣壓縮機、合成氣壓縮機、氨壓縮機)運行正常，裝置運行平穩。2016年7月18日16:06:27 合成氣壓縮機汽輪機轉速突然從11 073 r/min上升到11 495 r/min，其主蒸汽量從248.8 t/h增大到309.4 t/h，抽汽量從208.5 t/h增大到263.4 t/h，隨后汽輪機轉速繼續上升，16:07:51汽輪機轉速上升到12 019 r/min，機組工作出現異常，緊接著汽輪機主蒸汽量與抽汽量出現大幅度上下波動，16:08:43空氣壓縮機一、二段喘振放空閥全開，二段爐退空氣，16:08:59合成氣壓縮機連鎖跳車，16:09:12因水碳比過低，觸發IS-1聯鎖(一段爐連鎖)，導致全裝置停車。汽輪機運行情況見圖3。

圖3 汽輪機運行情況

根據事故經過描述，將汽輪機的運行參數、相關機組和工藝運行數據從ITCC及DCS中調出進行分析，情況總結如下：

1) 16:06:27～16:06:30，3 s內汽輪機轉速瞬間增加了422 r/min，達到11 495 r/min；主蒸汽量增大60.6 t/h，達到309.4 t/h；抽汽量相應增加54.9 t/ h，見圖4。期間V1閥控制信號開度為85.8%，基本未變，V2閥控制信號開度從22.5%減小至18.3%。

2) 16:06:30～16:07:52，82 s 內V1閥開度控制信號從85.8%減小到32.6%，V2閥開度控制信號從18.3%增大至73.59%，期間，主蒸汽量保持不變，為309.4 t/h，抽汽量從263.4 t/h減小至238.3 t/h。

3) 16:07:52～16:08:27，35 s內，汽輪機轉速、V1閥開度、V2閥開度、主蒸汽量及抽汽量出現了大幅度上下波動，具體波動范圍如下：汽輪機轉速10 492.56～11 849.3 r/min，V1閥開度32.6%～39.14%，V2閥開度65.1%～81.4%，主蒸汽量292.7～150.3 t/h,抽汽量80.4～230.4 t/h。

4) 16:08:34～16:08:43，9 s內空氣壓縮機轉速從5 827 r/min下降至5 740 r/min，壓縮機一、二段喘振放空閥打開【8】。

5) 16:08:27～16:08:58，31 s內汽輪機轉速持續下降，從11 849 r/min下降至9 107 r/min。

6) 16:08:59合成氣壓縮機連鎖停車。

7) 16:08:39～16:08:58 ，19 s內中壓蒸汽壓力從4.22 MPa下降至3.93 MPa , 16:09:03開始回升，16:09:12 上升至4.97 MPa。

8) 16:08:23，PV7046閥(高壓蒸汽減中壓蒸汽閥)手動打開，開度為38.77%；16:09:00， HV7015閥(高壓蒸汽減中壓蒸汽閥)自動打開，開度為60%。

9) 16:09:12引風機連鎖跳車。

圖4 主蒸汽量和抽汽量情況

2.2 事故原因

從以上描述可知，汽輪機轉速在3 s內增加了422 r/min。導致汽輪機轉速瞬間大幅度上升的原因可能有以下幾個方面：

1) 高壓蒸汽壓力突然大幅度上升；

2) 汽輪機乏汽壓力突然大幅度下降；

3) 壓縮機的負載突然下降；

4) V1閥開度突然大幅度增大；

5) V2閥開度突然大幅度增大。

從DCS中調取高壓蒸汽壓力及汽輪機乏汽壓力，數據顯示，故障前其值分別為10.69 MPa和-0.072 MPa，趨勢為一條直線，說明二者無波動，所以1)、2)項原因可以排除。

壓縮機負載突然下降，即意味著壓縮機流量突然減小。壓縮機流量是由汽輪機轉速及喘振閥的開度決定的。經查，壓縮機一段、三段及循環段喘振閥開度在故障前均處于關閉狀態，未發現突然打開的現象，因此，第3)項原因可以排除。

因故障出現時，汽輪機抽汽量增加了54.9 t/h，這與V2開大、抽汽量減小相矛盾，所以第5)項原因也可以排除。

對于第4)項原因，若V1閥實際開度突然增大會導致汽輪機轉速上升，進一步分析可得到以下結論：

1) 據上述描述可知，16:06:27汽輪機轉速瞬間上升，16:06:30前V1閥開度控制信號保持不變，其主蒸汽量增大60.6 t/h，抽汽量相應增加54.9 t/ h，主蒸汽量猛增，說明V1閥實際開度有大幅度增加；

3) 汽輪機主汽閥開度減小，其主汽耗量下降，在V1閥控制信號開度從85.8%減小到32.6%期間，汽輪機主蒸汽量保持不變，為309.4 t/h，說明V1閥已失控。

從以上分析可知： V1閥實際開度增大導致了汽輪機轉速瞬間上升，同時V1閥處于失控狀態。

引起汽輪機V1閥開度變化的原因可能有3種：

a) 油顆粒造成錯油門A工作不正常，引起V1閥開度突然變化；

b) 電液轉換器工作不正常，其輸出的機械信號不正確，導致V1閥開度突然變化；

c) V1閥杠桿故障，引起錯油門A閥芯非正常運動，導致V1閥開度突然變化。

對錯油門結構分析可知：錯油門閥芯靠錯油門內彈簧力從上向下返回到中心位置，若閥芯被油顆粒卡澀，其卡澀阻力大于錯油門內的彈簧恢復力時，動力油會持續通過錯油門進入油動機油門上腔，造成V1閥關小；而閥芯從下向上返回到中心位置時，其返回力是油動機活塞的推動力，該力一定大于油顆粒卡澀阻力，所以油顆粒不會造成V1閥開大【9-10】。

由以上分析判斷，原因a)，即油顆粒，不會造成汽輪機轉速突然上升。

為驗證另外2個原因，現場進行靜態調試，即人為輸出V1閥開度控制信號，觀察電液轉換器、油動機活塞桿及V1閥運動情況，很容易確定故障的來源。在現場觀察V1閥靜態調試時，發現杠桿A的連接螺栓與反饋傳遞桿A脫開(見圖5)。其情況如下：

譯文: China’s Commitment to Peaceful Developemnt[2]290

1) 杠桿A與反饋傳遞桿A的連接螺栓脫開。

2) 連接螺栓退出后搭靠在油動機上蓋上。

3) 連接螺栓兩頭的螺母為鎖緊螺母，其脫落螺母在油動機旁被發現。

圖5 連接螺栓脫開情況

確認連接螺栓脫開是造成調速系統失控的根本原因，就此可做以下推論：

杠桿A連接螺栓脫開后，杠桿A下落，錯油門杠桿與杠桿A的觸點嚴重脫離，V1閥控制系統的執行與反饋功能失效，錯油門閥芯在彈簧力作用下向下運動，造成油動機油門下缸進油，V1閥的實際開度瞬間從85.8%達到100%，導致汽輪機轉速、主汽量、抽汽量瞬間上升。此時汽輪機主汽量已達到309.4 t/h，因V2閥控制汽輪機轉速，V1閥控制高壓蒸汽壓力，同時因轉速控制優先原則【11】，所以TS3000發出指令V2閥首先立即關小，持續3 s。在此過程中，因V1閥開度過大，盡管V2被關小，但汽輪機轉速仍然大幅度上升，高壓蒸汽壓力急劇下降，為此，16:06:30 TS3000發出指令要求V1閥關小，電液轉換器機械桿向上運動。此指令一直在發出，但由于錯油門杠桿與杠桿A的觸點相距甚遠，一直未能接觸，對錯油門無法產生作用， 即V1閥無法關小， 因此， 在82 s 內， V1閥的實際開度仍然為100%。因耦合關系，V2閥接到控制指令在不斷開大，上述過程導致汽輪機轉速持續上升，但主汽量不變，抽汽量不斷減小。16:07:52汽輪機轉速達到12 019 r/min,V1閥開度控制信號降至32.6%，此時錯油門杠桿與杠桿A的觸點相遇，錯油門的活塞桿開始動作，油動機油門上油缸進油，下油缸排油，V1閥開始關小，汽輪機轉速開始下降。由于反饋桿不起作用，轉速出現大幅度上下波動。隨著錯油門上油腔進油量增加，V1閥被逐步關小，汽輪機主汽量進一步減小，轉速進一步降低。16:08:42汽輪機轉速降至9 503.2 r/min,主蒸汽量下降至61.7 t/h ,抽氣量下降至0.168 t/h，中壓蒸汽壓力下降至4.06 MPa，導致空氣壓縮機轉速降至5 743 r/min，一、二段喘振放空閥打開，二段爐退空氣，延時10 s后觸發IS-3連鎖(工藝空氣預熱保護連鎖)，緊接著觸發IS-6連鎖(甲烷化連鎖)，16:08:59造成合成氣壓縮機連鎖停車。16:08:52中壓蒸汽壓力下降至3.9 MPa,裝置水碳比嚴重失調，延時20 s，于16:09:12觸發IS-1連鎖(一段爐連鎖)，全廠停車。V1閥控制系統見圖6。

圖6 V1閥控制系統示意

分析M12螺母脫落原因，認為是檢修人員不負責、忘記上自鎖螺母導致連接螺栓隨著機組運行逐步退出，最終反饋傳遞桿A與杠桿A脫開。判斷基于以下幾點：

1) 2016年5月機組進行了檢修，對汽輪機軸瓦進行檢查，為拆卸軸承蓋，拆卸過連接螺栓。

2) 螺母在油動機旁發現。若螺母是松動脫落，則脫落路線不對，不可能在此處發現，甚至還會因彈跳不知去向。

3) 螺母為自鎖螺母，上緊后松動的可能性很小。

2.3 對策

1) 對連接螺栓進行上緊處理。

2) 對V1閥及V2閥反饋機構的所有螺栓緊固情況進行了全面檢查，未發現松動。

3) 對V1閥進行了靜態調試，滿足廠商指標要求。

4) 對其它汽輪機調速反饋機構的螺栓情況進行檢查，未發現有松動現象。

5) 為防止類似事故再次發生，在管理上需做相應要求：

a) 選擇責任心強、技術水平高的檢修隊伍。

b) 機組檢修后，要組織甲乙方專業人員按列表逐項檢查、簽字，同時將“汽輪機調速反饋機構的螺栓情況”增補到列表中。

c) 將“汽輪機調速反饋機構的螺栓情況”增補到操作人員日巡回檢查內容中。

d) 將“汽輪機調速反饋機構的螺栓情況”增補到工程師周檢查內容中。

e) 當合成氣壓縮機轉速及高、中壓蒸汽壓力出現大幅度波動時，及時拍停機組，防止全裝置停車。

3 結語

通過對合成氣壓縮機汽輪機因轉速突然升高，調速系統失控，高、中蒸汽壓力大幅度波動而造成化肥裝置停車的事故原因進行分析，可以得出以下結論：

1) 汽輪機調速系統失控是由V1閥的杠桿與反饋傳遞桿連接螺栓脫開引起的。

2) V1閥杠桿的突然落下導致了V1閥不斷開大，從而引起了汽輪機轉速的不斷上升。

3) 故障出現時，汽輪機主蒸汽量、抽汽量猛增是由于V1閥開度突然增大引起的。

4) V2閥開度增大是由控制邏輯關系引起的，進而造成抽汽量減小，汽輪機轉速進一步上升。

5) 杠桿A與錯油門A杠桿的觸點接觸造成V1閥開度持續減小、抽汽量下降及水碳比下降。

6) 連接螺栓脫開是由于未安裝鎖緊螺母引起的。