某型燃氣輪機起動超溫故障原因分析

曾可卉，唐瑞，曹云鵬，徐志強, 王偉影，李淑英

（1.哈爾濱工程大學 動力與能源工程學院，哈爾濱150001;2.中國船舶重工集團公司 第七〇三研究所，哈爾濱150078）

0 引 言

燃氣輪機的起動過程是機組由靜態到動態、由冷態到熱態的多系統協調聯動的瞬態過程，也是故障易發、高發階段。其中，燃氣超溫故障是燃氣輪機起動過程中一種典型故障，容易造成保護停機，且高溫會損傷零部件，危害極大，嚴重影響發動機的正常使用。滕國生等[1]從起動程序分析角度，歸納了艦用燃氣輪機不能起動的可能原因。朱維軍等[2]分析了船用燃氣輪機起動過程可能產生的故障類型和原因。秦海勤等[3]針對某型航空發動機不同類型的起動超溫機理、特征和原因進行了分析，建立了故障樹。文罡等[4]從閥門密閉和起動控制系統優化方面解決了燃氣輪機起動過程中由于排氣溫度高而引起的連鎖跳機問題。魏昌淼等[5]綜述了燃氣輪機起動過程的典型故障，給出了可能的原因和排查方向。雖然已有的研究給出了起動過程故障的潛在原因和排查方向，但是針對具體故障，如何從數據角度挖掘故障原因，并有效利用已有的經驗實現故障定位仍有待研究。

文中針對某型燃氣輪機起動時的一次超溫故障，研究了故障模式及影響分析與啟動過程數據分析相結合的排故方法，通過起動過程數據信息的挖掘，實現了故障原因的分析與排查，從中獲得一些經驗及教訓，希望能對今后燃氣輪機設計及運行起到一定的提醒和參考的作用。

1 故障過程

某型三軸燃氣輪機根據實驗要求，需要快速投入運行。運行人員在燃氣輪機運行前進行了例行檢查和準備，確認無誤后，起動燃氣輪機。

起動電動機通過傳動齒輪箱帶動燃氣輪機低壓轉子旋轉，進行冷態加速，直至低壓轉子轉速升至點火轉速。此時，燃燒室開始噴入燃料并點火燃燒，燃氣輪機由冷態轉入熱態，進一步加速至起動電動機脫扣轉速，燃氣輪機順利進入自升速階段。然而，當機組剛剛進入慢車工況2 s時，燃氣輪機低壓渦輪后燃氣溫度高達830 ℃，超過控制系統設置的超溫報警限值（800 ℃），觸發機組超溫跳機保護。

2 故障分析

為了能夠使運行操作人員迅速針對具體機型、應用場景和具體故障排查，引入故障模式與影響分析（FMEA）方法，將典型故障現象、監測參數和故障原因進行層次關聯，建立起動過程故障排查表。

圖1為燃氣輪機起動故障/異常診斷流程圖。停機后，首先進行外部檢查，檢測可見部件是否存在明顯受損；然后進行孔探檢查，對無法或不能拆卸的部件進行表面視覺性觀察[6]，實現對內部零部件安全隱患的排除。

圖1 起動故障/異常診斷流程圖

然后，進入FMEA分析。表1所示為某船用三軸燃氣輪機起動故障排查表信息示例。運行人員根據實際故障現象，確定所需要故障特征參數，即監測參數，截取相應數據進行分析，尋求故障定位。表中N1、N2、N3分別表示低壓轉速、高壓轉速和動渦轉速，T4為低壓渦輪后燃氣溫度，FA016為油門開度指令，FA010為油門開度反饋。

表1 起動過程故障排查表示例

針對本次超溫故障，具體排故過程如下：

1）設備損傷檢查。因為高溫部件材料的特殊性，通常由鎳基及鈷基奧氏體合金鋼組成，起動過程高溫或超溫都會引起部件損傷，產生熱疲勞，長期則產生蠕變、氧化和腐蝕。機組故障停機后，馬上進行了設備外部損傷檢查和內部高溫部件孔探檢查。檢查結果表明，此次故障外部、內部部件均未受損。

2）故障現象分析。在FMEA分析階段，根據報警確定為機組超溫故障保護停機。通過查詢表1所示的起動過程故障排查表，調取排氣溫度T4、油門反饋FA010等參數的歷史記錄，進一步分析機組在自升速階段參數的變化。圖2和圖3分別為排氣溫度與油門反饋的參數變化圖。由圖可知，在260 s左右（橢圓部分）T4、FA010均發生突升，依據控制流，初步判定是燃料過量導致的機組超溫故障。

圖2 起動失敗過程溫度曲線

3）監測參數分析。依據排氣溫度與油門反饋發生異變的線索，下面進一步對燃油系統進行分析。圖4和圖5分別為起動過程超溫故障停機前后燃油系統部分參數的變化趨勢圖，發現機組進入慢車工況時，泵前燃油壓力FP070由0.30 MPa左右驟降至0.18 MPa左右，燃油一油路壓力FP110由1.25 MPa直線上升至2.50 MPa左右。同時，油門開度指令FA016由11左右直接升至35以上。然后不到1 s內，油門反饋指令FA010跟隨FA016達到35以上。持續約2 s，機組超溫故障停機，FA010、FA016、FP110均直線下降。

從監測參數變化可以看出，此次超溫故障的直接原因是控制系統主動要求油門開度指令FA016急速增大。

為徹查燃氣輪機燃油控制系統作出錯誤指令的原因做進一步分析。由于在起動過程自升速階段，燃油控制系統依據高壓轉速N2來進行油門開度的控制，所以重點觀測高壓轉速N2變化趨勢。在本機組中，有兩只傳感器EN210和EN220來監測高壓轉速。圖6為起動過程超溫故障停機前后高壓轉速EN210、EN220、N2的變化趨勢圖。

圖3 起動失敗過程油門反饋曲線

圖4 燃油系統部分參數變化趨勢2

圖5 燃油系統參數變化趨勢1

圖6 高壓轉子轉速變化趨勢

根據圖6，燃氣輪機進入慢車工況前，控制系統中高壓轉速N2一直采信轉速傳感器EN220測量值。而當機組進入慢車時，控制系統在不加判斷的情況下，在兩支轉速傳感器EN210和EN220中，選擇了EN210的值作為N2的值。此后2 s，燃氣輪機超溫故障停機，機組退出慢車工況，控制系統又重新采信EN220作為N2的值。

4）故障定位。至此，造成此次燃氣輪機超溫故障的原因已然明確。從圖6可以看出，高壓轉速傳感器EN210模塊故障，其值一直為0，表明在試驗前就已經故障。根據試驗計劃，該轉速模塊并不參與此次試驗，試驗前應在控制系統中屏蔽故障轉速傳感器EN210。而控制系統并未屏蔽EN210，所以當機組剛進入慢車，控制系統依舊采信EN210作為N2的值，此時高壓轉速N2由EN220切換為EN210，相當于高壓轉速形成一個突卸過程。為提高N2，控制系統油門開度指令FA016驟升，油門執行機構隨之執行，油門位置反饋FA010驟升。由于油門開度驟升，燃油泵前的燃油迅速抽空，燃油泵前壓力FP070快速降低。而燃油一油路壓力FP110則隨油門開度驟升，致使燃燒室內燃油供給量短時間內大幅提升，導致低壓渦輪后燃氣溫度驟升至830 ℃并在2 s后超溫故障停機。

根據故障分析結果，總結此次超溫故障的根本原因，其一，操作人員沒有進行屏蔽操作，導致控制系統繼續采用失效傳感器；其二，燃氣輪機控制邏輯設計問題，控制邏輯在不加判斷的情況下，短時間在兩支冗余傳感器中反復切換，這顯然存在問題。

3 故障處理及驗證

針對此次超溫故障原因，制定了如下故障處理步驟：1）更換高壓轉速傳感器。轉速傳感器作為一種故障頻發的部件，需要實時監控其運行狀況。即使是傳感器冗余的測量部位，在單只傳感器有故障的情況下運行，也將增加燃氣輪機不必要的報警及停機風險。2）改進控制系統算法。主要是針對多冗余傳感器控制系統設計進行改善，首先增加參數識別步驟，屏蔽錯誤傳感器不參與計算，其次，添加計算冗余傳感器偏差小程序，只有當各個傳感器偏差小于5%時，才能采信某一具體傳感器，否則報警處理。改進完成后再次啟機，機組順利起動，沒有出現類似情況，表明故障分析及處理成功。

4 結 論

文中提出了故障模式及影響分析與啟動過程數據分析相結合的排故方法，并針對具體燃氣輪機超溫故障，給出了故障排查流程，驗證了措施的有效性。

在燃氣輪機控制系統設計時，采用冗余傳感器的同時，需要增加參數識別和偏差校驗環節，以便于控制系統使用，防止由于控制邏輯設計缺陷造成不必要停機故障的發生。另外，燃氣輪機起動前，除了常規的零部件檢查以外，還應對關鍵的傳感器進行檢查，確保傳感器狀態正常。