基于Peak150控制的蒸汽透平典型故障分析及解決方案

劉海泉，林萬洲，江敏

（1. 中國石油西南油氣田分公司，成都 610000；2. 西華師范大學電子信息工程學院，四川 南充 637002）

某天然氣凈化廠利用裝置余熱鍋爐自產的中壓過熱蒸汽（4.0 MPa，360 ℃）作為驅動能源，驅動蒸汽透平帶動半貧砜胺液泵，將半貧砜胺液由尾氣處理單元輸送返回脫硫單元主吸收塔，以此完成砜胺液的循環。單列處理裝置共有2 臺半貧砜胺液泵，1 臺為電機驅動，1 臺為蒸汽透平驅動，日常運行透平驅動泵，實現對裝置廢熱的再利用，透平驅動泵聯鎖停機時系統可自動切換至備用電機泵。半貧砜胺液泵的蒸汽透平為美國埃利奧特公司生產，額定功率796 kW，額定轉速2 980 r/min，搭配Woodward 公司生產的調速控制器Peak 150。Peak 150 作為蒸汽透平控制的重要組成部分，其可靠性直接決定蒸汽透平的運行穩定 性。

1 系統組成及控制功能

1.1 組成

透平調速系統由Peak 150 調速控制器（圖1）、轉速探頭、帶智能定位器的調速閥組成，如圖2 所示，其中Peak 150 是以微處理器為中心的數字調節器，主要用于控制一個智能閥的蒸汽透平機組。

1.2 控制功能

Peak 150 調速控制器是一種功能強大的可編程控制，可實現邏輯控制和回路控制兩種控制功能[1]。其內部是以32 位Motorola 68332 20 MHz 微處理器為基礎的數字式調節器，采用手提式編程器，便于現場編程。Peak 150 使用的是模塊菜單式驅動軟件，編程較為容易。具有多個I/O 接口，便于功能選擇[2]。

圖2 調速系統結構框圖Fig.2 The structure diagram of speed control system

1.2.1 邏輯控制實現啟動控制和聯鎖停機控制

當蒸汽透平設為Peak 150 調速器自動啟動時，調速器按照設定的轉速升速程序（見圖3），從暖機轉速開始控制轉速，在不用人工干預的情況下，自動升速到透平的額定運行范圍。當透平設為人工啟動時，操作人員可通過Peak 150 調速器操作面板控制透平升速到指定轉速。

圖3 蒸汽透平的轉速變化線Fig.3 Steam turbine rotation speed curve

透平機組聯鎖停機保護控制包括超速停機保護、故障超馳保護和人工停機保護。超速停機保護是指在Peak 150 控制程序里設定了一個電超速轉速值，當透平轉速由于某種原因超出正常的運行范圍，急劇升高到這個值時，Peak 150 立即發出停機指令，防止透平出現飛車事故[3]；故障超馳保護是指當Peak 150 在有效時間內沒有檢測到超過最低轉速時，發出的停機指令；人工停機保護指在異常情況下，操作人員可直接通過Peak 150 調速器操作面板的緊急停機按鈕停 機。

1.2.2 PID 回路控制

透平定速以后可投入PID 控制。如圖2 所示，轉速PID 控制器接收n1和n2兩個轉速信號，其中n1是現場轉速探頭檢測到的轉速頻率信號，n2為轉速設定值。為確保轉速測量的可靠性，現場設置了2 個轉速探頭，HSS 高選器選擇正常的轉速頻率信號作為轉速PID 控制器的測量值。PID 控制根據n1和n2之間的差值進行PID 運算，運算結果產生一個提供給帶智能定位器的調速閥4 ～ 20 mA 的標準信號，使調速閥調節透平入口的蒸汽量，從而達到控制透平轉速的目的。

2 典型故障現象與解決方案

2.1 控制器復位后有轉速不能啟動

當透平啟動時首先需對透平控制系統進行復位，調速控制器Peak 150 輸出最小電流值4 mA，使對應調速閥開度為0%。當調速閥的閥座與閥芯之間存在間隙時，蒸汽經過調速閥使透平在復位狀態下仍有600 ～ 800 r/min 的轉速，因此不符合透平啟動的條件。

解決方案：要校驗調速閥執行機構的連接部件，以確保在調用0%的執行機構位置時透平能停機；當調用 100%時可達到滿負荷，即控制器在沒有輸出信號或輸出最低電流4 mA 值時，調速閥仍然處于全關閉的狀態；當輸出20 mA 時，調速閥全開。

2.2 啟機失敗

2.2.1 假失速導致啟機失敗

透平速度傳感器位于非驅動端，為磁電式速度傳感器，共4 枚，用于監測主軸轉速，見圖4。它是利用電磁感應原理，在被測物體振動時，傳感器內固定在慣性質量上的線圈切割磁力線，得到正比與振動速度的電勢，該電勢通過放大器放大。可測量被測物體的速度[4]。其中C2-1 位于正上方，信號接入就地轉速顯示器，不參與控制。C2-2，C2-3，C22 中的2枚傳感器探頭信號接入現場調速控制器和中控，2 選2 聯鎖，另1 枚探頭備用，未接線。

圖4 透平速度傳感器安裝示意圖Fig.4 Turbine speed sensor installation diagram

當啟動透平時，調速器面板上沒有速度顯示（轉速顯示0），但實際透平處于運轉狀態，造成假失速，調速器在有限時間內無法獲得傳感器的速度值，觸發透平聯鎖停機。

解決方案：

（1）檢查速度傳感器的連接線是否牢固可靠，確保信號通道良好。汽輪機組應選用高溫型傳感器、耐高溫電纜，以提高傳感器工作穩定性[5]。

（2）檢查傳感器安裝是否到位。傳感器探頭與被檢測齒輪齒間隙要求為0.040 in（見圖5），其輸出電壓會受以下三個方面的影響：① 電壓隨著被監測磁性材料表面速度的增加而增加；② 當傳感器與齒輪齒面之間的間隙增大時，電壓減小；③ 電壓波形是由齒輪齒的尺寸和形狀、傳感器探頭桿件的尺寸和形狀所決定的。

圖5 傳感器探頭與被檢測齒輪齒間隙Fig.5 The gap between the probe of sensor and gear tested

（3）清潔磁電式傳感器探頭上的污垢，同時也要清潔透平齒輪上的污垢，確保檢測面的清潔。

（4）檢查到磁電式傳感器探頭的磁性較弱時，則需更換新的傳感器。

（5）測量速度傳感器是否有交流電壓值輸出，有輸出說明傳感器工作正常。經實測，安裝新的傳感器后，轉速越高，傳感器輸出電壓越高，見表1。

表1 轉速與交流電壓值及頻率表Table 1 Rotational speed and AC voltage and frequency

2.2.2 振動超標觸發聯鎖

透平在啟機過程中，當轉速升至臨界轉速區（1 500 ～ 1 800 r/min）附 近 時，時 常 觸 發 透 平驅動端振動超標聯鎖。該透平使用本特利內華達3300XLNSV 電渦流振動探頭，電渦流傳感器能測量被測物體（必須是金屬導體）與探頭端面的相對位置[6]。振動監測系統由探頭、前置器、延伸電纜、變送器組成，主要是在線監測透平的軸位移量。兩枚振動探頭互呈90°安裝，聯鎖值100 μm，以2 選2 的方式參與透平的振動聯鎖功能。

解決方案：

（1） 調整振動探頭與主軸之間的間距。3300XLNSV 電渦流振動探頭與被測金屬導體的間距線性范圍為1.5 mm（0.25 ～ 1.75 mm，直流電壓約-13 ～ -1 V），實際應用1 mm，通過微調傳感器使直流電壓在-10 ～ -9.5 V。

（2）檢測傳感器的直流阻抗值，通過查詢表2和表3 的數據表參數來判斷不同長度傳感器的好壞。選擇延伸電纜的長度，應該使延伸電纜長度加探頭電纜長度，與配套前置器所要求的長度一致（5 m 或9 m）[7]。

表2 探頭額定直流阻抗表Table 2 Probe DC resistance

表3 延伸電纜額定直流阻抗表Table 3 Extension cable DC resistance

（3）若以上對傳感器等儀表設施的檢查均為正常，則說明振動檢測性能良好，振動超標聯鎖的原因可能在透平的機械部分，需要檢查透平聯軸器是否對中，軸瓦有無磨損，轉子是否存在動不平衡等問題。

2.2.3 控制器組態參數設置不合理

透平在首次啟運前Peak 150 調速控制器必須針對特定的透平用途進行組態，組態菜單項目共計21項。當組態不合理時，就會影響透平的正常啟運，在實際組態中遇到的典型問題和處理方式如下：

（1）故障超馳轉速未在有限時間內超過最低轉速而停機

超馳控制是把生產過程中的限制條件所構成的邏輯關系，疊加到正常的自動控制系統上去的一種組合控制方法，也就是系統中設有兩個或兩個以上的控制器，通過（高、低值）選擇器選出能適應生產安全狀況的控制信號，實現對生產過程的自控控制[8]。

為啟動透平，MPU 信號故障停機作用被自動超馳，只要透平在啟動所需的最大時間（Max Starting Time）內超過最低轉速200 r/min，超馳功能就自動取消，否則透平將因轉速信號丟失而聯鎖停機。通過故障超馳菜單中的參數（見表4），根據公式PRM=（Hz×60/齒數）計算出MPUs（MPU#1、MPU#2），將輸入頻率轉換為轉速。修改值是修改后的組態參數，將修改值300 Hz 代入該公式得出轉速600 r/min，大于200 r/min，由于暖機/下限轉速設置為500 r/min，透平很快由600 r/min 下降至500 r/min，因此將檢測速度的啟動最大時間由240 s 縮短為15 s。該菜單組態后，順利啟動透平至暖機轉速500 r/min的階段。

表4 故障超馳菜單表Table 4 Failed MPU override menu

（2）透平無法遠程調速

正常情況下，當透平轉速到達2 550 r/min 時，調速器將轉速信號傳輸至DCS 系統開啟遠程調速模式（此時操作面板RMT 啟用LED 燈由閃爍變為常亮），由DCS 系統在轉速2 550 r/min 至3 100 r/min之間進行遠程調節，此遠程調速范圍已在速度設置菜單中完成組態。若遠程控制菜單參數設置錯誤，將導致透平出現能就地人工調速而不能遠程調速的結果，設置參數詳見表5。

表5 遠程控制的整定菜單Table 5 Remote setting menu

Remote-Not Matched Rate 表示當遠程控制信號與轉速基準不匹配時，轉速基準以此速率變化，但只在遠程模式下才起作用；Remote Rate-Max 表示當遠程控制信號與就地給定值一致，遠程模式起作用時，給定值就以此速率變化。由于此兩項變速率設置成0，使調速器的遠程控制給定信號與透平的轉速不匹配，調速器至調速閥的信號保持不變，失去遠程調速的功 能。

為了實現遠程對透平進行穩定的調速操作，對Remote-Not Matched Rate 與Remote Rate-Max 的參數值由0 修改為5 r·min-1·s-1，使調速器對來自DCS信號與透平的轉速信號進行PID 運算，產生的偏差信號去控制調速閥的開度，從而實現遠程調速功能。

3 結束語

通過對Peak 150 調速控制系統的組成和控制原理的深入了解，結合現場實際應用中出現的不同的故障現象，對振動探頭、速度傳感器、調速器組態參數等進行調整，并采取了一系列其他解決措施，使蒸汽透平恢復安全、穩定、可靠的運行，為同類設備的維護提供了一定的借鑒意義。透平的正常投用實現了對廢熱的充分利用，單臺透平每年可節約電費300萬元以上，經濟效益顯著。