某型國(guó)產(chǎn)航改燃?xì)廨啓C(jī)典型故障分析

楊立國(guó)

摘要：本文主要描述了某型國(guó)產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)試車期間一次經(jīng)典故障分析過程，此次故障分析更加系統(tǒng)和全面的進(jìn)行相關(guān)故障分析排查，逐層收網(wǎng)，定點(diǎn)擊破，最終找到了問題根源并進(jìn)行針對(duì)性的處理和解決。

Abstract： This paper mainly describes a typical fault analysis process during the test run of a type of domestic gas turbine. The fault analysis is more systematic and comprehensive related fault analysis and troubleshooting， layer by layer network， fixed point to break， and finally find the root of the problem and targeted treatment and solution.

關(guān)鍵詞：國(guó)產(chǎn)航改燃?xì)廨啓C(jī);線位移傳感器;低頻保護(hù)

Key words： domestic gas turbine;linear displacement sensor;low frequency protection

中圖分類號(hào)：TK478 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）03-0151-03

1 ?試驗(yàn)概況

該型國(guó)產(chǎn)航改燃?xì)廨啓C(jī)在標(biāo)況下，額定輸出功率為15500kW。

2020年7月21日，燃機(jī)進(jìn)行第81次點(diǎn)火試驗(yàn)連續(xù)運(yùn)行87小時(shí)18分時(shí)，機(jī)組控制主界面出現(xiàn)“異常跳閘”三級(jí)報(bào)警，機(jī)組隨即自動(dòng)緊急停機(jī)。

2 ?異常跳閘描述

①“異常跳閘”三級(jí)報(bào)警的觸發(fā)程序。

1）現(xiàn)場(chǎng)首先檢查發(fā)電機(jī)控制柜，控制器顯示“低頻保護(hù)”報(bào)警;2）通過數(shù)據(jù)回放發(fā)現(xiàn)三級(jí)報(bào)警時(shí)動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速n3達(dá)到5075rpm（額定轉(zhuǎn)速為5300rpm），發(fā)電機(jī)頻率47.8Hz（低頻保護(hù)設(shè)定值為48Hz），由此觸發(fā)了“低頻保護(hù)”報(bào)警;3）“低頻保護(hù)”開出“發(fā)電機(jī)出口斷路器分閘”信號(hào)及“繼電保護(hù)動(dòng)作”二級(jí)報(bào)警;4）根據(jù)控制規(guī)律，負(fù)載>1000kW（當(dāng)時(shí)燃機(jī)所帶負(fù)載為4500kW）時(shí)，控制柜收到“發(fā)電機(jī)出口斷路器分閘反饋”信號(hào)，觸發(fā)“異常跳閘”三級(jí)報(bào)警。

②因此“異常跳閘”的直接原因?yàn)閯?dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速n3過低。

3 ?現(xiàn)場(chǎng)檢查情況

機(jī)組緊急停機(jī)后，現(xiàn)場(chǎng)立即組織操作人員對(duì)機(jī)組設(shè)備及各系統(tǒng)進(jìn)行仔細(xì)檢查，同時(shí)組織技術(shù)人員分析歷史數(shù)據(jù)，檢查情況如下：

3.1 分系統(tǒng)檢查

3.1.1 負(fù)載箱檢查

7月21日下午，檢查負(fù)載箱遠(yuǎn)程控制箱無故障報(bào)警，現(xiàn)場(chǎng)檢查當(dāng)次運(yùn)行的兩臺(tái)負(fù)載箱無異常。

3.1.2 進(jìn)氣系統(tǒng)檢查

7月21日下午，檢查進(jìn)氣通道，粗濾及精濾完好，過濾室無雜物;拆開兩件精濾到精濾后檢查，通道無雜物，無異常。

7月22日上午，打開進(jìn)氣穩(wěn)壓室人孔門檢查，穩(wěn)壓室內(nèi)無雜物，無異常。

3.1.3 排氣煙道檢查

7月21日下午，打開余熱鍋爐煙道入口人孔門，檢查排氣道及排氣蝸殼，未見明顯異常;從排氣蝸殼出口檢查動(dòng)力渦輪三級(jí)動(dòng)葉，未見明顯異常。

3.1.4 其他系統(tǒng)檢查

對(duì)發(fā)電機(jī)、齒輪箱、輔助滑油、壓縮空氣等系統(tǒng)進(jìn)行仔細(xì)檢查，未見異常。

3.2 燃機(jī)檢查

3.2.1 高低壓導(dǎo)葉檢查

①導(dǎo)葉外觀檢查。7月22日下午，對(duì)高低壓導(dǎo)葉作動(dòng)筒、聯(lián)動(dòng)環(huán)、壓力油系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查，高壓導(dǎo)葉外觀無異常;發(fā)現(xiàn)低壓一級(jí)導(dǎo)葉有三片活動(dòng)量大，檢查其外部連桿處也隨之活動(dòng)。

②導(dǎo)葉動(dòng)態(tài)檢查。7月23日上午，進(jìn)行高低壓導(dǎo)葉小閉環(huán)檢查：1）低壓導(dǎo)葉α1控制正常;2）檢查發(fā)現(xiàn)高壓導(dǎo)葉α2控制33°以下控制效果較原來變差，33°～38°出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象。

3.2.2 視頻監(jiān)控回放檢查

通過回放燃機(jī)間視頻監(jiān)控：①發(fā)現(xiàn)7月21日監(jiān)控畫面上顯示，01時(shí)40分10秒至13秒燃機(jī)本體出現(xiàn)約3秒抖動(dòng);約8分鐘后，出現(xiàn)第二次抖動(dòng);經(jīng)回放歷史數(shù)據(jù)，此現(xiàn)象與歷史數(shù)據(jù)上的第一次和第二次波動(dòng)吻合。②發(fā)現(xiàn)7月21日監(jiān)控畫面上顯示，11時(shí)11分18秒至23秒燃機(jī)本體出現(xiàn)約5秒抖動(dòng)（為當(dāng)次運(yùn)行第三次抖動(dòng)）;經(jīng)回放歷史數(shù)據(jù)，此現(xiàn)象與歷史數(shù)據(jù)上的第三次波動(dòng)吻合。

3.2.3 孔探檢查

7月22日、23日，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員對(duì)燃機(jī)高、低壓壓氣機(jī)、燃燒室、高、低壓渦輪進(jìn)行孔探檢查，檢查情況如下：

①低壓壓氣機(jī)：

檢查結(jié)果：低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片和靜子葉片未見明顯損傷、裂紋、變形現(xiàn)象。

②高壓壓氣機(jī)：

檢查結(jié)果：高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片和靜子葉片未見明顯損傷、裂紋、變形現(xiàn)象，高壓6～9級(jí)葉片表面顏色有明顯加深。

③燃燒室：

檢查內(nèi)容：通過燃燒室機(jī)匣上頂部和底部的孔探儀座，將孔探儀插入火焰筒內(nèi)，旋轉(zhuǎn)孔探儀360°，檢查火焰筒頭部、內(nèi)外壁和燃料噴嘴。

檢查結(jié)果：火焰筒頭部、燃燒室內(nèi)外壁無裂紋，無明顯燒蝕，燃?xì)鈬娮祛^部無明顯積碳，噴射孔無阻塞。

④高、低壓渦輪：

通過渦輪孔探儀孔檢視高壓渦輪葉片排氣邊、低壓渦輪工作葉片進(jìn)氣邊和低壓渦輪導(dǎo)向葉片可視部分;

檢查結(jié)果：高壓渦輪工作葉片和導(dǎo)向葉片（可視部分）未見明顯磨損、裂紋，葉身、緣板無外來物粘結(jié)，氣膜孔未見明顯堵塞。

低壓渦輪工作葉片和導(dǎo)向葉片（可視部分）未見明顯磨損、裂紋、損傷。

3.2.4 燃機(jī)主要參數(shù)對(duì)比分析

將本次運(yùn)行數(shù)據(jù)與前幾次數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，各次試車的轉(zhuǎn)差關(guān)系較為吻合，說明各次試車的高低壓部件狀態(tài)基本一致。7月21日凌晨，出現(xiàn)了兩次較為明顯的波動(dòng)。第一次波動(dòng)后，動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速?gòu)?300r/min降至5140r/min，控制系統(tǒng)在30s左右調(diào)回初始狀態(tài)，但α2角度抖動(dòng)明顯，且角度從14.4°開大到12.9°。如圖1所示。

8分鐘后第二次波動(dòng)，現(xiàn)象與前一時(shí)刻類似，在動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速降低的過程中，各參數(shù)出現(xiàn)連續(xù)的震蕩，恢復(fù)時(shí)間約15s，高壓壓氣機(jī)出口總壓從14.5bar最低降至10bar，動(dòng)力渦輪進(jìn)口總壓也有相應(yīng)的降低，進(jìn)氣機(jī)匣及中介機(jī)匣振動(dòng)瞬時(shí)分別從7、16mm/s突升至36、31mm/s，并回落至初始值。如圖2所示。

7月21日中午發(fā)生緊停前一段時(shí)間內(nèi)，在功率維持4.5MW的前提下，仍有一些微小波動(dòng)。如圖3所示。

緊急停車前，機(jī)組狀態(tài)與凌晨時(shí)第二次波動(dòng)類似，只是這次幅度更大，α2角度跟隨出現(xiàn)滯后，滯后時(shí)間約為0.5s，同一時(shí)刻，角度最大偏差約為2.5°;高壓壓氣機(jī)出口總壓從14bar最低降至7.5bar，同時(shí)N1r，α1角度，T48溫度變化更為明顯，在回調(diào)過程中，出現(xiàn)了三級(jí)報(bào)警引發(fā)緊急停車，期間進(jìn)氣機(jī)匣振動(dòng)達(dá)到30mm/s。

4 ?排故過程

現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員召開技術(shù)研討會(huì)，經(jīng)充分討論，決定將對(duì)低壓壓氣機(jī)0級(jí)進(jìn)口導(dǎo)葉活動(dòng)量大問題進(jìn)行修復(fù);高壓導(dǎo)葉α2控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，然后起機(jī)驗(yàn)證，觀察對(duì)比各狀態(tài)參數(shù)，開展進(jìn)一步排查。

4.1 低壓壓氣機(jī)0級(jí)進(jìn)口導(dǎo)葉活動(dòng)量大問題進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)了三片，加銅皮填充間隙，活動(dòng)量消除。

4.2 高壓導(dǎo)葉α2控制參數(shù)優(yōu)化

7月24日上午，就燃機(jī)當(dāng)前狀態(tài)對(duì)高壓壓氣機(jī)α2控制參數(shù)PID進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后控制效果達(dá)到預(yù)期。

4.3 起機(jī)驗(yàn)證

7月24日共進(jìn)行了一次冷運(yùn)轉(zhuǎn)及兩次點(diǎn)火試驗(yàn)，燃機(jī)運(yùn)行情況如下：①11時(shí)25分，首先進(jìn)行了一次冷運(yùn)轉(zhuǎn)，冷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)各項(xiàng)參數(shù)正常。②11時(shí)39分，進(jìn)行第082D次點(diǎn)火試驗(yàn)，主要目的是排查驗(yàn)證高壓導(dǎo)葉影響。11時(shí)59分，燃機(jī)到達(dá)慢車狀態(tài)，然后穩(wěn)定運(yùn)行4min，錄取慢車狀態(tài)參數(shù)后正常停機(jī)。經(jīng)觀察對(duì)比歷史數(shù)據(jù)，慢車狀態(tài)各項(xiàng)參數(shù)正常，可進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。③16時(shí)37分，進(jìn)行第083D次點(diǎn)火試驗(yàn)，主要目的是繼續(xù)排查驗(yàn)證高壓導(dǎo)葉影響。17時(shí)07分，在負(fù)載加載至2700kW過程中，控制主界面出現(xiàn)“進(jìn)氣機(jī)匣水平振動(dòng)故障”二級(jí)報(bào)警，燃機(jī)間視頻監(jiān)控畫面有明顯抖動(dòng)，現(xiàn)場(chǎng)也有明顯震感，立即減載停機(jī)。

經(jīng)回放歷史數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)負(fù)載在2700kW時(shí)，正處于低壓壓氣機(jī)出口放氣閥關(guān)閉邊界（n1r=6550±50rpm），放氣閥開關(guān)8次，與燃機(jī)8次強(qiáng)烈異響聲相吻合。

通過與81D前期運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)83D試驗(yàn)，機(jī)組在帶載以后，轉(zhuǎn)差開始增大，最大偏差超過100r/min。

通過查看試驗(yàn)數(shù)據(jù)，機(jī)組加載到2700kW后約4s，低壓壓氣機(jī)出口防喘放氣閥關(guān)閉，控制參數(shù)開始出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，該現(xiàn)象一直持續(xù)到機(jī)組降至最小負(fù)載，持續(xù)時(shí)間約100s。

同時(shí)發(fā)現(xiàn)，機(jī)組在2700kW負(fù)荷停留的30s時(shí)間里，低壓壓氣機(jī)出口放氣閥頻繁開閉了8次，監(jiān)控中也發(fā)現(xiàn)燃機(jī)明顯抖動(dòng)。

其中在放氣閥第4次打開后，進(jìn)氣機(jī)匣振動(dòng)達(dá)到72mm/s，動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速最低降至4948r/min，在放氣閥從關(guān)閉到打開過程中，高壓壓氣機(jī)出口總壓從12.4bar降至6.5bar，動(dòng)力渦輪進(jìn)口總壓從1.9bar降至1.3bar，動(dòng)力渦輪進(jìn)口溫度突升了53℃，達(dá)到680℃;放氣閥第5次關(guān)閉時(shí)，進(jìn)氣機(jī)匣振動(dòng)也超過58mm/s。

機(jī)組減載2000kW后，放氣閥保持打開的狀態(tài)，除去了放氣閥頻繁開閉的影響，但參數(shù)波動(dòng)量也未見好轉(zhuǎn)。

機(jī)組降至同步慢車狀態(tài)后，各參數(shù)波動(dòng)逐漸減小并趨于穩(wěn)定，燃機(jī)降轉(zhuǎn)停車。

7月25日上午，拆卸低壓壓氣機(jī)出口7個(gè)防喘放氣閥，檢查彈簧、活塞行程等未見異常。

4.4 更換α2線位移傳感器

7月26日對(duì)原線位移傳感器進(jìn)行校驗(yàn)，小閉環(huán)控制并未發(fā)現(xiàn)明顯異常，從安全性、可靠性考慮，新更換一件α2線位移傳感器，并重新進(jìn)行標(biāo)定。

上午根據(jù)38度到0度降程結(jié)果進(jìn)行粗標(biāo)，由于回差問題，根據(jù)0度到38度升程與38度到0度降程平均值進(jìn)行第一次標(biāo)定，發(fā)現(xiàn)降程過程中，小幅度與大幅度控制真實(shí)位置不一致。經(jīng)驗(yàn)證討論為正常現(xiàn)象，通過小幅度值進(jìn)行修訂和復(fù)驗(yàn)，期間發(fā)現(xiàn)個(gè)別點(diǎn)偏差略大，繼續(xù)進(jìn)行修正，下午完成標(biāo)定。

4.5 再次起機(jī)試驗(yàn)

①完成第84次點(diǎn)火運(yùn)行，最大負(fù)載4000kW，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間77min，機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，并將數(shù)據(jù)與以往正常狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，未發(fā)現(xiàn)異常;②完成第85次點(diǎn)火運(yùn)行，最大負(fù)載7500kW，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間2h5min，累計(jì)帶載時(shí)間1h36min，機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，并將數(shù)據(jù)與以往正常狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，未發(fā)現(xiàn)異常。

4.6 發(fā)現(xiàn)問題根源

為進(jìn)一步排查線位移傳感器，將第81次試車中使用的α2線位移傳感器進(jìn)行分解。該傳感器為鐵芯導(dǎo)向式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部鐵芯（兩端為內(nèi)螺紋）與外部伸縮桿（兩端為外螺紋）通過螺紋連接。分解后檢查，發(fā)現(xiàn)鐵芯與伸縮桿連接較為松動(dòng)，鐵芯內(nèi)螺紋有較大磨損。如圖4所示。

5 ?結(jié)論

對(duì)比第81次試車停機(jī)前參數(shù)，α2線位移傳感器內(nèi)部連接松動(dòng)和故障現(xiàn)象相吻合：因α2線位移傳感器的外部伸縮桿已用螺紋膠固定在支架上，內(nèi)部鐵芯與外部伸縮桿螺紋連接處松動(dòng)，導(dǎo)致內(nèi)部鐵芯產(chǎn)生了位移，從而傳感器輸出信號(hào)（即A2反饋值）產(chǎn)生波動(dòng)，α2角度跟隨出現(xiàn)滯后，引發(fā)氣動(dòng)參數(shù)變化;由于燃機(jī)處于n3閉環(huán)發(fā)電狀態(tài)，需要維持n3轉(zhuǎn)速，在回調(diào)過程中，n3轉(zhuǎn)速過低導(dǎo)致低頻，觸發(fā)“異常跳閘”三級(jí)報(bào)警。

第84次點(diǎn)火運(yùn)行前，更換了新的α2線位移傳感器，機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，并將數(shù)據(jù)與以往正常狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，未發(fā)現(xiàn)異常。

第81次試車所裝的α2線位移傳感器為國(guó)內(nèi)某廠家制造，經(jīng)咨詢，該型傳感器未經(jīng)歷過類似現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件下的長(zhǎng)期裝機(jī)運(yùn)行考核試驗(yàn)，可靠性有待驗(yàn)證。

最終將故障原因定位于α2線位移傳感器長(zhǎng)期工作可靠性不佳。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅震.某型燃?xì)廨啓C(jī)分布式控制系統(tǒng)研究[D].南京航空航天大學(xué)，2017，9.

[2]鄧小雄.線位移傳感器測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)與研究[J].中國(guó)航發(fā)貴州紅林航空動(dòng)力控制科技有限公司，2020.

[3]鄭健.分布式航改型燃?xì)廨啓C(jī)典型故障分析及應(yīng)對(duì)措施[J].華電電力科學(xué)研究院有限公司，2020，5.