氮氣壓縮機透平轉速波動原因分析及應對措施

毛大軍

（呼倫貝爾金新化工有限公司，內蒙古呼倫貝爾 021506）

0 引 言

呼倫貝爾金新化工有限公司“50·80”項目（500kt／a合成氨、800kt／a尿素）配套36000 m3／h空分裝置是公用工程中的重要單元，不僅為全廠提供儀表空氣、工廠空氣，而且肩負著為下游生產系統提供合格氧氣和氮氣的重任。生產系統所用氮氣主要分為低壓氮氣和中壓氮氣，正常情況下直接從空分精餾塔下塔頂部抽一股低壓氮氣，經高壓主換熱器復熱后，再經低壓氮氣管網送至下游系統；當外界使用低壓氮氣的量較大時，中壓氮氣通過減壓閥為低壓氮氣管網自動補充部分低壓氮氣。

從精餾塔下塔頂部抽出的氮氣進入過冷器，分別經高壓主換熱器和低壓主換熱器復熱后，送至離心式氮氣壓縮機（簡稱氮壓機）入口，由氮壓機升壓至3.7MPa后送出（主要用作原料及催化劑保護、置換氣等）。氮壓機由汽輪機（透平）、低壓缸、高壓缸、齒輪箱組成，汽輪機為凝汽式 （由杭州汽輪機股份有限公司制造）。氮壓機透平-壓縮機綜合控制系統（簡稱ITCC），選用美國TRICONEX 公司的TRICON TS3000控制器對機組進行控制和保護。

1 氮壓機透平轉速調節原理

氮壓機透平上共有6支磁感應轉速探頭（如圖1），3支進ProTech203超速保護系統，專門用于氮壓機超速保護；另外3支探頭進入ITCC控制系統參與轉速控制。參與轉速調節的3個信號，SE01662和SE01663直接進入ITCC控制系統的脈沖卡件；SE01661則先經過現場轉速表，由現場轉速表轉換成4～20mA模擬量信號后再送至ITCC控制系統，同另外2支探頭（SE01662和SE01663）轉速信號一起選取中值參與汽輪機的轉速控制，與目標轉速設定值比較，然后由轉速調節模塊運算后輸出相應的電流信號?，F場電液轉換器接收到轉速調節的電流信號后，將模擬量信號轉換成對應的油壓信號，控制油動機油缸內的活塞動作，再通過杠桿系統操縱調節汽閥的開度，從而控制汽輪機的轉速。

圖1 氮壓機透平轉速探頭分布示意圖

1.1 電液轉換器的工作原理

電液轉換器由福伊特公司生產，采用24V直流電，由電磁控制部分和液壓部分組成。4～20mA的給定電流信號在控制磁體中產生一個磁力，經推桿傳遞給控制活塞，將電流信號轉換成相應的液壓信號作為反饋值，用來控制汽輪機調節汽閥的閥位。

電磁控制體向控制活塞提供磁力FMag，然后又抵消由輸出油壓A通過控制活塞中心通孔而產生的液壓力FHydr。執行器的輸出油路一直擁有所需的油壓和油量，從而精確控制調節汽閥的閥位。

氮壓機組上使用的電液轉換器型號為DSGB07112，帶手動旋鈕，其設計參數見表1。在無電的情況下，彈性擋圈從旋鈕上去掉后可由手動控制旋鈕來操作，順時針旋轉輸出壓力增加。W＝4mA分壓計X0和W＝20mA分壓計X1分別用于最小輸出壓力和最大輸出壓力的調整。

表1電液轉換器設計參數

1.2 調節汽閥的工作原理

調節汽閥的作用是按照控制單元的指令改變進入汽輪機的蒸汽流量，以使機組受控參數（功率或轉速、進汽壓力、背壓等）符合運行要求。調節汽閥主要由調節閥、傳動機構和油動機三部分組成。其中，調節閥包括閥桿、閥梁、閥碟及閥座等；傳動機構由支架和杠桿組成；油動機為斷流雙作用往復式，主要由油缸、錯油門、連接體和反饋機構組成，是調節汽閥的執行機構，它將電液轉換器輸入的二次油壓信號轉換為有足夠做功能力的行程輸出，以操縱調節閥，控制汽輪機進汽量。

1.3 調速系統液壓控制原理

調速系統液壓控制原理如圖2。電液轉換器將4～20mA的電流信號轉換成0.15～0.45MPa的二次油壓信號后，液壓油經單向節流閥節流后進入油動機錯油門，油的流向由錯油門滑閥控制；在穩定工況下，滑閥下端的二次油作用力與上端的彈簧力相平衡，使滑閥處在中間位置，滑閥凸肩正好將中間套筒的油口封住，油缸的進、出油路均被阻斷，此時油缸活塞不動作，調節汽閥的開度保持不變。當工況發生變化，比如出現轉速降低或升高時，二次油壓C將升高或降低，滑閥的受力平衡改變使滑閥上移或下移，于是，在動力油P通往油缸活塞上腔的油口被打開的同時，活塞下腔或上腔與回油口T接通，因此活塞下行或上行，使調節汽閥開度增大或減小，進入汽輪機的蒸汽流量增加或減少，機組轉速增大或降低；同時，隨著活塞的下行或上行，通過反饋杠桿的動作使錯油門彈簧的工作負荷增大或減小，當作用在滑閥上的二次油壓力與彈簧力達到新的平衡時，滑閥又恢復至中間位置，機組也就在新的工況下穩定運行。

圖2 調速系統液壓控制原理示意圖

2 氮壓機透平（汽輪機）轉速大幅波動事故簡況

2013年10月20日09：05，氮壓機開車，在1000r／min和4650r／min升速暖機時，調節汽閥開度均在40%左右；升速完成后，汽輪機進入正常工作轉速，當日16：00左右，汽輪機轉速出現大幅波動，波動幅度超過1000r／min，調節汽閥開度在15% ～73%之間大幅波動；隨后主控（人員）采取了緊急停車，現場人員檢查發現，就地儀表盤上的二次油壓未出現波動的情況下調節汽閥的開度卻在不斷地變化。

3 氮壓機透平轉速波動原因分析及排查

3.1 汽輪機轉速波動的常見原因

（1）油路系統方面。主油泵打量不足而控制油壓力較低，且輔油泵未自啟動；回油管線有壓力，蓄能器未正常投用；潤滑油、控制油管線較臟，潤滑油、控制油不潔凈使控制油路（管線）堵塞而油壓不穩定。以上原因均可能引起汽輪機轉速波動。

（2）蒸汽系統方面。高壓蒸汽管網設計壓力9.3MPa、溫度525℃，高壓蒸汽管網必須提供足夠的蒸汽流量來保證氮壓機的運行，否則會引起汽輪機轉速波動。

（3）工藝氣量波動。實際生產中，氮壓機四段出口壓力放空調節閥（PV01659）閥位如果出現大幅波動，或者空分冷箱送至氮壓機入口的氮氣流量出現大幅波動，以及氮壓機送外界的中壓氮氣流量出現大幅波動，均可能引起汽輪機轉速波動。

（4）電液轉換器故障。電液轉換器工作時供電不足；或者電液轉換器控制電流擾動；或者液壓部件進入了空氣、灰塵、顆粒等，被污染的壓力流體引起控制活塞處摩擦增大，出現動作滯后現象及壓力的變化，導致二次油壓不穩定，輸出壓力出現巨大波動。以上原因均可能引起汽輪機轉速大幅波動。

（5）ITCC控制系統方面。控制系統自身方面的原因如控制器出現故障、脈沖卡件異常，或汽輪機轉速調節的PID參數設置不正確、控制不穩定，將導致調節汽閥開度波動，進而引起汽輪機轉速波動較大。

（6）轉速探頭故障。汽輪機上3支進入ITCC控制系統的轉速探頭 （SE01661／01662／01663）若出現了故障，致轉速測量不準確，就會誤導ITCC系統的控制，從而導致調節汽閥開度波動較大，不能穩定控制汽輪機轉速。

（7）機械松動。調節汽閥上的反饋杠桿、調節螺釘、杠桿等松動，或這些連接處的間隙變大，將導致調節汽閥動作不靈敏，引起汽輪機轉速波動。

（8）調試方面。停車檢修后，未對調節汽閥的行程做靜態調試，可能導致調節汽閥開度與控制系統上的輸出值不對應，或者出現調節汽閥動作不順暢等問題，引起汽輪機轉速波動。

（9）單向節流閥油路不暢。單向節流閥實際上是由節流閥和單向閥并聯在一起組合而成的復合閥，主要由閥芯、閥體、閥體蓋、螺紋桿、手輪、彈簧和絲堵組成，其節流面積的大小是靠手輪來調整的，如果調整不合適，或者單向節流閥安裝方向不正確，將會導致進入油動機的二次油壓不穩定或者回油不暢，進而引起汽輪機轉速波動。

3.2 排查過程

汽輪機轉速出現波動后，對現場設備進行了仔細檢查，并結合ITCC畫面上各儀表測點的趨勢圖分析，潤滑油泵出口壓力一直保持在1.05 MPa左右、油溫在40℃左右；控制油壓力正常，在0.87～0.92MPa之間；查看DCS操作畫面，高壓蒸汽的壓力、溫度無大的波動，均屬正常，蒸汽流量也滿足要求；現場儀表盤上的示數，油壓和蒸汽流量方面均無問題。

2013年10月20日氮壓機開車，機組轉速升至6500r／min時，防喘振閥（FV01657）開度25%，放空閥（PV01659）開度在60%左右，氮壓機一段入口壓力106kPa（A）、出口壓力3.7 MPa，當時各裝置處于大修期間，外界氮氣用量非常少，由此排除了因工況波動而致汽輪機轉速波動的可能。

ITCC機柜內的硬件設備運行正常，無任何報警信號，轉速控制的參數設置也沒有問題，控制系統輸出閥位與現場二次表油壓示數吻合，電液轉換器無問題。從現場轉速表和ITCC操作界面上看到的3支探頭轉速及ProTech203超速保護系統上顯示的3支探頭轉速來看，6支轉速探頭的測量值均相同，表明轉速探頭無問題，轉速為真實值。

在檢查現場設備的同時，充分調取了之前的開車數據：氮壓機在1000r／min升速暖機時調節汽閥開度在20%左右，在4650r／min升速暖機時調節汽閥開度在40%左右；從2013年10月20日氮壓機的開車情況來看，氮壓機在1000 r／min和4650r／min暖機時，調節汽閥開度基本上均在40%左右，但有一段時間ITCC系統輸出至調節汽閥開度由40%降至24.05%，這表明氮壓機在開車時就出現了異常。接下來的排查工作主要是檢查電液轉換器至油動機二次油管線、調節汽閥等設備方面的問題。

在工藝人員進行緊急停車后，現場檢查二次油壓未出現波動，調節汽閥上的各連接件未出現松動、卡澀或間隙過大等問題，但調節汽閥開度在不斷地變化，存在二次油路回油不暢的問題。從電液轉換器出來進油動機的二次油管線上只有一支單向節流閥，安裝在靠近油動機錯油門的二次油管路上，它既能控制液壓油只向一個方向流動，又能控制液壓油流量的大小，以扼制、衰減二次油路中出現的壓力波動，使錯油門不受干擾地穩定工作。單向節流閥的結構如圖3。當液壓油從單向節流閥P1端孔進入閥體內時，流量受到限制，起到節流作用，流量的大小由手輪調節錐形閥芯與閥體間隙的大小來控制；當液壓油從P2端孔進入閥體內時，在液壓油的作用下，閥芯壓彈簧下滑，此時閥芯位置不起節流作用，使液壓油不受節流閥限制而自由通過，只起單向閥作用。單向節流閥在此處的作用主要是穩定進入油動機的二次油壓，而回油時讓油動機內的二次油快速返回。因此，單向節流閥的安裝方向非常重要，一旦裝反，不僅起不到應有的作用，而且還會因進油過快、回油受阻（當電液轉換器的二次油自下而上進入油動機時，單向閥是打開的，二次油將迅速進入油動機內，根本起不到穩定二次油壓的作用；而回油的時候，單向閥關閉，僅靠節流孔的流通面積來回油，回油速度將受到嚴重的影響，不利于快速減負荷），直接影響調節汽閥的動作情況，造成汽輪機轉速出現大幅波動。

圖3 單向節流閥結構示意圖

通過排查，最終確認是現場進油動機的二次油管線上單向節流閥裝反，導致油動機的活塞不停地上下動作，帶動調節汽閥的閥桿一起動作，從而造成汽輪機轉速的大幅波動。

4 應對措施

確認進油動機的二次油管線上單向節流閥現場安裝方向不正確（裝反）后，調換單向節流閥的安裝方向，并按要求調整單向節流閥手動旋鈕的開度，使之符合油動機的升程。同時，為了更好地監控電液轉換器二次油壓的輸出情況，對二次油管線進行了技改，即在單向節流閥后新增1塊二次油壓遠傳壓力監測儀表，儀表帶液晶顯示表頭，可在現場直接讀取二次油壓的準確數值，并在ITCC畫面上添加了此二次油壓的趨勢記錄，從而可為快速、有針對性地解決有關問題提供準確的參考依據。

5 經驗教訓

（1）每次停車大修，需檢查氮壓機透平調節汽閥各連接杠桿、連接螺栓是否松動，連接件的間隙是否變大等；開車前，須對汽輪機調節汽閥做靜態測試，通過ITCC控制系統中輸出的電流信號，檢查現場調節汽閥開度是否正確，并做好記錄；對調試中出現的問題（如主控輸出信號與現場閥位不對應，調節汽閥動作不暢等）及時分析、及時處理，并重新調校至合格。

（2）要對每次氮壓機開車汽輪機升速過程中的參數做好記錄，如果相較于之前開車時的數據有較大變化，需加強分析，及時查找原因，將事故掐滅在萌芽狀態，避免損壞設備，確保系統的安全、穩定運行。

（3）加強油系統的維護，定期清洗或維修油過濾器濾網，提高油系統的清潔度；在電液轉換器輸出油壓管線上增設遠傳壓力監測儀表后，在ITCC控制系統中直接調取其趨勢記錄，可以很方便地知道二次油壓是否存在波動，有利于判斷電液轉換器工作是否正常，這對電液轉換器液壓部件的清洗也具有指導意義。

（4）現場進油動機的二次油管線上一個看似簡單的單向節流閥，其錯誤安裝對設備造成如此大的影響，這提醒我們需在施工、檢修中的每一個環節認真檢查、仔細確認，不放過任何一個細節，這樣才能確保設備的良好運行。