抽凝式發電機組汽輪機調速系統故障分析及處理

左興堂，柳丙軒，劉廣于，楊會永

（北京首鋼股份有限公司，河北遷安 064400）

1 設備概況

遷鋼公司一期配套建設兩臺25 MW發電機組，汽輪機選用青島捷能汽輪機廠C25-4.90/1.27 型抽汽凝汽式汽輪機，機組兼顧抽汽發電任務，2004 年投產以后為公司富裕煤氣回收利用開辟了有效途經，取得了可觀的經濟效益和社會效益。隨運行年限增長，機組調速系統故障逐漸增加，運行期間表現為電負荷大幅擺動、調節響應遲緩，威脅機組安全穩定。機組調速系統相對復雜，計控、機械部分需協調動作，其中機械部分滑閥部件多，又相互作用、互為影響[1]，因此調速系統故障發生時，如何迅速準確判斷故障點位，采取針對性措施消除設備缺陷，對保證機組安全順行具有重要意義。

2 調速系統結構原理

該汽輪機采用透平油數字電液控制系統，調速系統與潤滑保安系統共用油源，DEH 模件選用和利時K 系列產品，電液轉換器選用德國進口Voith 閥，典型調速控制流程如圖1所示。

圖1 典型調速控制流程圖

機組典型調速流程分4 個模塊，以運行狀態負荷控制為例說明各自功能：DEH 模件追蹤控制機組負荷，依據調節需求通過PID 控制輸出4～20 mA 電信號；電液轉換器接收電信號，轉換輸出0.25～0.60 MPa調節油壓；機械部件接收調節油壓信號，各滑閥協同響應，通過控制油動機行程調整調速汽門開度，實現對主汽流量的控制以追蹤機組負荷。整個調速控制流程為單向控制，各模塊間存在清晰分界，其中調節油壓既是計控/機械系統的連接紐帶，也是其劃分界限，調節油壓力僅受電液轉換器單向控制，不受機械部件動作影響。

機械部件是調節指令的執行者，主要包括調節滑閥、錯油門、油動機及反饋滑閥，各滑閥由脈沖油串聯實現協調控制，通過控制油動機行程實現調速系統動靜態特性需求。機械部件結構如圖2所示。

圖2 機械部件結構圖

脈沖油是機械部件實現協調控制的紐帶，機組穩態時脈沖油壓維持錯油門對中平衡狀態，各滑閥通過對脈沖油壓的響應、調節共同實現對油動機行程的控制，故障排查時可以通過分析脈沖油壓力變化趨勢，判斷各機械滑閥的工作狀態。調節滑閥是電液轉換器與機械部件間的聯接中樞，其響應電液轉換器輸出調節油壓的變化，通過閥芯升降調節滑閥內部脈沖油泄油口，發出脈沖油壓變化信號。錯油門是響應要求最靈敏的滑閥，由脈沖油壓頂起，穩態時處于對中位置，直接控制油動機上下油缸油路；錯油門用于響應調節滑閥發出的脈沖油壓變化信號，通過滑閥升降改變油動機上下油缸通路，同時改變脈沖油動反饋油口，反向調節脈沖油壓，實現前饋調節。油動機是機械部件的最終控制對象，油動機通過行程變化控制調速汽門開度，同時通過機械反饋調整反饋滑閥位置。反饋滑閥受油動機機械反饋控制，在單一調節流程內是機械部件動作的最后環節，通過改變脈沖油靜反饋油口的大小，改變脈沖油供油量，反向平衡調節滑閥發出的脈沖油壓變化信號，使脈沖油壓回歸穩態定值。

下面以運行狀態增負荷調整為例說明機械部件動作流程：

（1）調節油壓變化：DEH 模件輸出電信號增大，Voith閥響應，輸出的調節油壓升高；

(2)脈沖油響應：調節滑閥閥芯上移封堵脈沖油泄油口，脈沖油管壓力升高；

（3）錯油門動作：錯油門底部壓力增大，閥芯打破平衡向上移動，油動機上腔接通進油、下腔接通回油，同時關小脈沖油動反饋油口，降低脈沖油壓變化峰值；

（4）機械反饋：油動機向下移動，控制調速汽門開啟增大負荷，同時反饋滑閥經機械反饋下移，關小脈沖油靜反饋油口，降低脈沖油壓，平衡調節滑閥對脈沖油壓的升高變量；

(5)重歸平衡：脈沖油重歸是錯油門對中的恒定油壓，錯油門重新歸中，脈沖油動反饋歸位，油動機上下油缸油口封閉，油動機維持當前位置穩定運行，調節完成。

3 調速系統故障分析處理

隨機組運行年限增長，調速系統部件逐漸出現老化、磨損問題，運行期間多次出現負荷大幅波動（5～8 MW）、調節遲緩的問題，通過對現場異常現象及調節油壓、脈沖油壓的分析，可以準確區分不同故障類別，確定問題點位，針對性采取控制措施以消除不利影響。

3.1 處理電液轉換器異常導致負荷波動

故障現象：功率控制模式運行，功率設定值恒定，機組運行負荷發生間歇性無規律大幅擺動，現場油動機實際動作，主汽管道振動，手動打閘停機。原因分析：調查運行曲線，擺動期間調節油壓發生無規律變化，將計控部分作為排查重點，停機狀態進行靜態拉閥試驗，數據曲線如圖3所示。

圖3 靜態拉閥試驗數據曲線

試驗過程中，在閥位指令、油動機行程恒定不變，電液轉換器入口EH 油壓基本穩定的情況下，電液轉換器輸出調節油壓出現間歇性不規則跳動，油壓偏差幅值達0.04 MPa，超出10%閥位指令變化油壓（0.035 MPa），判斷電液轉換器工作異常。

進一步排查分析，檢測電液轉換器接口處DEH模件輸出電信號穩定可控，考慮信號電纜無檢修，現場無新增干擾源，排除電信號干擾因素，確定電液轉換器自身故障。

故障處理：電液轉換器更換備件后重新進行靜態試驗，調速系統系統恢復正常，調節油壓輸出穩定，機械滑閥調節平穩，機組開機恢復運行。針對電液轉換器故障，結合現場調速系統與潤滑保安系統共用油源的實際情況，首先加強系統油品管理，通過提高調速系統供油管線雙聯濾網精度，進一步保證電液轉換器供油品質；其次結合機組大修周期，在裝電液轉換器上試驗臺進行性能檢測，及早發現問題隱患；最后保證電液轉換器合理備件庫存，突發故障具備應急恢復條件；通過上述措施落實，有效提升了電液轉換器的工作可靠性。

3.2 處理PID不適配導致負荷波動

故障現象：機組大修后開機運行，功率控制模式運行，在功率設定值未發生變化的情況下，機組負荷發生大幅擺動（擺動幅值6 MW），切換為閥位控制，油動機保持當前位置維持運行，負荷擺動曲線如圖4所示。

圖4 負荷擺動數據曲線

原因分析：分析負荷擺動數據曲線，發現調節油壓、油動機行程、機組負荷基本為同頻同幅擺動，且呈發散趨勢。結合調速系統動作流程分析，調節油壓擺動是起因，機械部件執行調節油壓指令控制油動機行程同步變化，引起負荷擺動，判斷為計控部分故障。

進一步排查分析，在閥位控制模式下進行試驗，調整閥位定值，油動機行程動態響應順暢，靜態維持穩定，調節油壓穩定受控，初步確定電液轉換器本體正常。考慮機組為大修后首次投運，負荷受調節油壓控制呈振蕩發散趨勢，推測功率控制PID參數與大修后調節系統機械特性不適配，導致輸出信號發散紊亂引起負荷失調。

故障處理：切換至功率控制模式，配合計控專工，修訂PID 參數，模擬各類工況，進行功率調整試驗。通過在線調整，摸索出與大修后機械滑閥特性適配的PID參數，實現機組功率穩定自動調節；同時吸取經驗，機組大修后安排進行調速系統PID 參數適配性驗證試驗。

3.3 機械滑閥卡澀導致負荷波動

故障現象：機組功率控制運行，存在負荷調整變化幅度大，調整響應遲緩，負荷往復波動的現象；情況嚴重時，波動幅度達4～7 MW，系統自動切換至閥位控制，維持當前閥位運行。

原因分析：在閥位控制模式下進行在線試驗，增大閥位指令，調節油壓正常升高，現場油動機未動作，未執行調節油壓調節指令，判斷為機械部件故障，閥控試驗數據曲線如圖5所示。

圖5 閥控試驗數據曲線

進一步排查分析，尋找機械部件具體故障點位。分析試驗數據曲線，隨調節油壓增大，脈沖油壓出現同步增大，而現場油動機無動作，結合機械部件調節動作流程分析判斷：調節滑閥正常動作，隨調節油壓升高，響應輸出脈沖油壓升高信號；錯油門卡澀，閥芯未動作，未響應脈沖油壓變化，調節流程在錯油門處停滯，未接通油動機油缸對應油路，所以油動機行程未發生改變，反饋滑閥未動作，判斷故障點位在錯油門。

故障處理：結合機組停機消缺，解體檢查錯油門滑閥套筒，發現套筒底部滑閥凸肩配合位置出現周向壓磨溝痕，測量閥芯跳動超差，更換備件后進行靜態試驗，油動機行程動態響應順暢，靜態維持穩定，機組開機恢復正常運行。

4 結束語

調速系統是發電機組的控制核心，調速系統故障在機組運行過程中直觀體現為負荷失調，嚴重威脅運行安全穩定。通過梳理汽機調速系統各模塊的動作流程及機械部件內部動作原理，總結出現場適用的調速系統故障分析處理方法，準確判斷故障點位，快速解決故障問題，為保證機組穩定運行提供有力支撐。