某工業型燃氣輪機模擬量信號測量故障分析

魏昌淼，戴日輝，胡旭偉

(1. 中國船舶集團公司第七〇三研究所無錫分部，江蘇 無錫 214151；2. 海裝駐哈爾濱地區第三軍事代表室，哈爾濱 150078)

燃氣輪機具有良好的經濟指標、較高的熱效率、緊湊的結構布局、良好的可靠度與長久的使用壽命等優勢，目前廣泛應用于聯合循環發電、機車動力、冶金等領域[1-3]。隨著燃氣輪機的廣泛應用，控制方式也經歷了長足的發展，其中模擬量邏輯控制廣泛應用于燃氣輪機控制領域[4]。本文針對的某工業型燃氣輪機采用模擬量及開關量兩方面的控制。其中模擬量控制主要涉及燃氣輪機轉速、燃氣輪機各壓力信號、電流及液位信號、燃氣輪機排氣溫度信號、燃氣輪機燃油滑油及空氣溫度，各測量的模擬量直接參與燃氣輪機控制邏輯，模擬量測量的異常會直接導致控制系統對燃氣輪機狀態判斷出現誤差，從而造成燃氣輪機降工況甚至停機。如滑油進口溫度高觸發燃氣輪機降工況，嚴重影響燃氣輪機的安全運行。本文從某工業型燃氣輪機各模擬量信號測量原理出發，結合燃氣輪機運行發生的典型故障，總結出模擬量信號故障的排查措施。

1 某工業型燃氣輪機模擬量信號測量組成及工作原理

燃氣輪機作為一種高速旋轉機械，工作時需要大量滑油潤滑，在運行過程中，需要密切關注進口滑油溫度及各軸承點滑油回油溫度。當滑油溫度反饋超限時，會觸發燃氣輪機控制系統降空載工況保護邏輯；當滑油壓力較低時，將會觸發燃氣輪機降空載保護及停機控制邏輯。渦輪后燃氣輪機排氣溫度作為判斷燃燒溫度場狀況的主要指標，當燃氣輪機排氣溫度偏差較大時，會觸發燃氣輪機降空載工況保護邏輯。轉速是燃氣輪機運行過程中需密切關注的核心參數之一，參與燃氣輪機多個降工況保護及故障停機保護控制邏輯。

燃氣輪機各溫度、壓力、轉速測量故障都可能引起測量反饋信號的不準確，進而導致控制系統對燃氣輪機狀態判斷出現偏差，進而嚴重影響燃氣輪機的安全穩定運行。

某工業型燃氣輪機的主要模擬量信號測量組成如表1所示。燃氣輪機控制信號較多，如果將這些大量、分散、排列雜亂的信號和電源直接接入空間狹小的控制柜中，難以安裝、接線、檢查和維修，并且容易發生故障。在控制系統中設置中間轉接箱，可以把所有接線統一進行合理的組織、排序和分配，然后分別接至控制系統、監控系統及各個控制設備中。中間轉接箱將分散的信號電纜集中后分類整理、統一排序、統一轉接，為信號器集中供電，為線路調試和信號校驗提供便利條件。燃氣輪機模擬量測量原理如圖1所示。

表1 模擬量信號測量

圖1 燃氣輪機模擬量測量原理

2 某工業型燃氣輪機模擬量信號測量故障案例

本文針對的某工業型燃氣輪機，在實際運行過程中，模擬量信號測量出現多次故障，例如燃氣輪機排氣溫度測量異常故障、轉速測量波動故障、壓力測量異常故障、滑油進出口溫度測量故障。本文總結典型的模擬量信號測量故障案例如下文所述。

2.1 熱電偶信號測量故障案例

某臺該型燃氣輪機連續運行一個月左右，在滿工況時，燃氣輪機控制系統監測面板突發“燃氣輪機排氣溫度偏差故障”報警，當某一支燃氣輪機排氣溫度熱電偶與所有熱電偶平均燃氣輪機排氣溫度測量偏差大于150 ℃時，控制系統會發出排氣溫度偏差故障報警。

根據運行規范,燃氣輪機排氣溫度出現測量故障時，應排除故障后再繼續運行，運行人員按下燃氣輪機降空載按鈕，隨后正常停機，調取歷史運行數據，燃氣輪機排氣溫度熱電偶5測量溫度出現波動如圖2所示，這是一起燃氣輪機排氣溫度測量故障直接迫使該型燃氣輪機停機的故障。

圖2 燃氣輪機排氣溫度熱電偶5測量故障

2.1.1 熱電偶信號測量故障處置

根據熱電偶工作原理及燃氣輪機模擬量測量原理(見圖1)，上述燃氣輪機降工況停機后，進行以下檢查及分析：

(1) 在中間轉接箱熱電偶變送器處，斷開熱電偶連接器與熱電偶變送器的接線，利用熱電偶標準信號發生器向熱電偶變送器輸入電勢信號，通過熱電偶模擬電勢信號的輸入，燃氣輪機控制系統熱電偶5溫度顯示值與標準信號是對應的，且在整個溫度測量范圍均無波動，此時排除中間轉接箱到燃氣輪機控制系統發生故障。

(2) 通過對熱電偶電連接器與熱電偶變送器接線通斷檢查，檢查未見異常。

(3) 通過以上排查,運行人員判斷該溫度測量故障可能為熱電偶自身故障引起。拆檢熱電偶5，檢查發現熱電偶一端的的感應輸出線路接線端子斷裂，更換該熱電偶，后續運行燃氣輪機,排氣溫度測量正常，至此故障排除。

由此可歸納為這是一起熱電偶自身線路故障致使燃氣輪機排氣溫度測量異常，迫使燃氣輪機停機的故障。

2.2 轉速信號測量故障案例

該型某臺燃氣輪機按計劃起動，燃氣輪機起動后順利進入空載工況，燃氣輪機控制系統監測面板顯示動力渦輪轉速Ⅰ正常，動力渦輪轉速Ⅱ出現異常，如圖3所示，隨后運行人員停止燃氣輪機的運行。

圖3 動力渦輪轉速測量故障

燃氣輪機轉速傳感器采用磁電式轉速傳感器，通過感應產生的交流電壓，轉速傳感器輸出信號為正弦波信號。根據轉速傳感器工作原理及燃氣輪機轉速測量原理(見圖1)，上述燃氣輪機轉速出現故障后，進行以下檢查及分析：

(1) 在中間轉接箱轉速傳感器接線端子處，斷開轉速傳感器電連接器與轉速傳感器接線端子的連線，利用發生器向轉速傳感器輸入頻率標準信號，通過頻率標準信號輸入，燃氣輪機控制系統動力渦輪轉速Ⅱ顯示值與標準信號是對應的，且在整個轉速測量范圍均無波動，此時排除中間轉接箱到燃氣輪機控制系統發生故障。

(2) 通過對轉速傳感器電連接器與轉速傳感器接線端子接線通斷檢查，檢查未見異常。

(3) 通過以上排查，運行人員判斷該轉速測量故障可能為轉速傳感器自身故障引起。打開轉速傳感器頂部保護蓋，檢查傳感器內部接線，通過萬用表測量動力渦輪轉速Ⅱ內部接線電阻，顯示電阻無窮大，判斷動力渦輪轉速傳感器Ⅱ內部接線斷路。更換動力渦輪轉速傳感器Ⅱ，后續動力渦輪轉速測量正常，至此故障排除。

由此可歸納為這是一起動力渦輪轉速傳感器自身線路斷路致使動力渦輪轉速測量異常，迫使燃氣輪機停機的故障。

3 模擬量信號測量故障排查及分析方法

模擬量信號測量故障往往迫使燃氣輪機降工況甚至停機，如何快速排除定位故障成為關鍵，結合各模擬量信號測量原理及對某工業型燃氣輪機出現的模擬量信號測量典型故障進行分析，總結出如下的模擬量故障排查及分析方法。

(1) 在中間轉接箱處，斷開箱裝體燃氣輪機本體端模擬量測量元器件與中間轉接箱的信號線路，在中間轉接箱處利用標準信號發生器向燃氣輪機控制系統輸入對應的模擬量標準信號，如：①熱電偶溫度測量，通過標準mv電壓信號按照K型熱電偶分度值輸入至熱電偶變送器，隨后熱電偶變送器將輸入電勢信號以4～20 mA電流形式，送給燃氣輪機控制柜模擬量采集板進行測量；②各壓力、液位等測量，將壓力變送器對應的電阻信號輸入至壓力測量配電器，配電器將測得的4～20 mA電流信號經隔離轉換后送給燃氣輪機控制系統模擬量采集板進行測量；③燃、滑油及空氣溫度等測量，將過程校準器或電阻箱對應的PT1000熱電阻溫度分度表對應電阻值輸入至中間轉接箱的熱電阻接線端子，燃氣輪機控制系統溫度采集板進行信號采集；④轉速的測量，將頻率信號發生器輸入至中間轉接箱的轉速傳感器接線端子，燃氣輪機控制系統轉速采集板進行測量。通過以上標準模擬信號的輸入，觀察燃氣輪機控制系統模擬量顯示值與標準信號是否對應且穩定。

(2) 如果控制系統識別中間轉接箱輸入的標準信號不準確，則排查中間轉接箱到燃氣輪機控制系統線路、模擬量采集板是否發生故障，可通過更換模擬量采集板進行驗證排故。

(3) 如果控制系統識別標準信號準確，則排除中間轉接箱到燃氣輪機控制系統發生故障，應對燃氣輪機本體端模擬量測量元器件及元器件到中間轉接箱的信號線路進行排查。常見的燃氣輪機本體模擬量測量元器件故障有：①熱電偶電極接線接觸不良、熱電偶電極絕緣破損引起的斷續短路或搭殼接地；②壓力變送器量程不對應、內部結構損壞；③PT1000熱電阻內部線路斷路、線路接頭松動、絕緣值阻值低；④轉速傳感器安裝間隙不符合規范、轉速傳感器感應線圈的電阻值大線路斷路、轉速傳感器磁感應頭失磁、轉速傳感器感應線圈輸出接線端子松動等。

4 總結

某工業型燃氣輪模擬量信號測量故障包括熱電阻溫度測量故障、熱電偶溫度測量故障、壓力測量故障、轉速測量故障等，基于該型燃氣輪機模擬量測量原理，結合燃氣輪機實際運行模擬量測量故障的處置案例，總結出各模擬量信號測量故障排查及分析方法。總結的模擬量故障及排查方法通過分段排查，具有操作性強、簡單、邏輯清晰、工程實用價值等特點，已幫助燃氣輪機運行人員快速有效處置了多起該型燃氣輪機模擬量信號測量故障，具有工程實踐適用價值，對維護燃氣輪機的安全穩定運行具有重要意義。