汽輪機轉速波動的原因分析及處理方法

王世軍，吳世奇，程新續

（中國石油大慶煉化公司檢維修中心，黑龍江大慶 163411）

0 引言

汽油加氫裝置循環氫壓縮機組K201 主要由兩臺BCL408型離心式壓縮機和一臺BHS25/01 汽輪機組成，壓縮機和汽輪機之間采用膜片聯軸器連接。汽輪機為背壓式汽輪機，采用MCS 轉速調節系統進行轉速控制。

1 故障現象

2016 年10 月，汽油加氫裝置循環氫壓縮機組K201 汽輪機開始出現間歇性不規律的轉速波動，同時機殼內部伴有異常聲響，但查看兩側軸瓦振動、溫度數值并無異常。初步判斷為汽輪機調速系統故障。

2 故障分析

汽輪機的調速系統由4 部分組成，即轉速感受機構、傳動放大機構、配汽機構和反饋機構。轉速感受機構將轉子轉速信號轉變為一次控制信號。傳動放大機構對一次控制信號作功率放大，并按照調節需求做控制運算，從而產生油動機控制信號，調整各路油線壓力及通路情況，控制油動機行程。配汽機構將油動機的行程轉變為各調節汽門的開度。通過配汽機構的非線性傳遞特性，汽輪機的進汽量與油動機進行程間矯正到近線性關系，最后由反饋機構控制進氣量，來控制整體汽輪機的轉速。

由于汽輪機的蒸汽壓力很高，所以相對開啟主汽門和調節汽門需要很大的驅動力。為保障汽輪機組平穩運行，必須要求調節汽門的驅動機構有較好的響應靈敏性和較快的響應速度。特別是在機組甩負荷等危急工況下，要求主汽門和調節汽門能在極短的時間內全行程關閉。因此，對汽輪機調節汽門和主汽門的驅動機構提出慣性小、驅動功率大的特殊要求。

該轉速波動現象持續至2016 年12 月底，并且轉速波動及異響情況愈發變得頻繁。在此運行期間，生產裝置工藝技術人員排除了主蒸汽溫度、壓力、蒸汽快開閥過濾網堵塞問題、凝汽器真空度過低、儀表傳動放大機構、壓縮機負荷以及操作等一切可能成汽輪機轉速波動的工藝原因，檢查控制系統的油壓（二次油壓）無波動，并且通過油質化驗分析，油質也正常，調速油壓大部分是根據驅動蒸汽的壓力高低，能夠使主汽閥迅速關閉的油壓。潤滑油壓的大小和轉速有很大關系，防止產生油膜振動來決定多高壓力，排除了控制系統油壓波動引起的調速氣門波動的可能，基本判斷為內部機械執行部分有磨損間隙超差或有卡澀等故障。

3 故障檢查

2017 年1 月13 日，為徹底解決該設備隱患，決定將汽輪機停機，對汽輪機調速系統檢查。在拆卸汽輪機調節閥的過程中，根據調速系統的拆卸先后順序，首先檢查了連桿、鉸鏈等傳動機構的結合部位，排除由于傳動機構結合部位的磨損或調節部件的卡澀造成引起調速系統遲緩。遲緩對汽輪機的正常運行是十分不利的，增加了汽輪機從負荷、壓力等工藝參數發生變化到調節閥開始動作反應的時間，造成汽輪機不能及時適應外界負荷的變化，造成汽輪機轉速的改變。如果汽輪機遲緩率過大，反應時間過長，在汽輪機突然甩負荷后，將使轉速上升過高以致超速保護裝置動作，切斷進汽，造成機組停機事故。對孤立運行的機組，將產生較大的負荷擺動；對并列運行機組，將會其他運行機組產生影響。

首先檢查調節汽門，調節氣門又稱調節閥，通過改變升程調節進入汽輪機的蒸汽量。對調節汽門，要求有良好的空氣動力學特性和升程—流量特性，流動損失小，流場穩定，開啟的提升力平穩變化且盡可能小。在拆解后檢查閥碟、門座閥座、閥桿及球面的線型密封處，沒有發現連接結合部位有磨損、斷裂、變形等異常情況。其次,重點檢查了調節閥閥桿與閥梁接觸部位、閥碟及閥座表面沖刷磨損情況，發現1、2、3 級閥碟及閥座表面有輕微的水垢，清理后檢查球面型線密封面表面光滑，無凸起、凹坑、劃痕等損傷，其他閥碟及閥座沒有問題，閥桿與閥梁的接觸部位也沒有磨損痕跡。最后，考慮到閥碟自由行程的改變會影響調節系統的重疊度，也會影響到汽輪機的轉速，用深度游標卡尺對閥梁上4 個閥碟的行程逐一進行了檢測。廠家提供的調節汽閥閥梁部位裝配圖及閥碟自由行程尺寸要求如圖1、表1 所示。

表1 閥碟自由行程尺寸要求 mm

測得的4 個閥碟自由行程見表2。由于實際閥梁下表面為平面，并無圖1 所示凹面，因此第1、2 級閥自由行程要求值不應含x 值。測得4 個閥碟自由行程均符合設計要求，基本排除了調節閥閥碟及閥桿帶來的影響。

表2 閥碟自由行程實測尺寸 mm

圖1 閥梁部位裝配圖

在調節閥閥座的檢查過程中，檢修人員發現在蒸汽入口處速關閥主閥錐與閥座之間有間距大約2 cm 寬的縫隙，根據這個現象檢修人員初步判斷故障原因為速關閥未關嚴。由于速關閥主閥錐是在油缸彈簧力的作用下關閉的，因此檢修人員初步懷疑速關閥存在卡澀所有沒有關嚴，因此建議操作人員通過速關油油壓先將速關閥開啟，然后再手動撥動危機保安器，通過泄掉速關油來觀察速關閥主閥錐能否順利復位關嚴。在操作的過程中發現，當啟動油壓和速關油壓順利建立后，啟動油壓力降至0.3 MPa左右時，速關油油壓由0.8 MPa 突然泄至0，重復幾次操作都表現出相同情況。

速關閥的開啟是用油壓實現控制的，當啟動油進入活塞右側，活塞在油壓的作用下，克服彈簧力被壓向活塞盤，使活塞與活塞盤兩個密封面貼合（此時速關油回油孔被堵死），之后將速關油進入活塞盤左側，隨著速關油油壓的建立，啟動油壓進行有控制的泄放，于是活塞盤和活塞如同一個整體構件。在兩側壓差的作用下，持續向實驗活塞側移動直至被實驗活塞限位。閥桿的右端是與活塞盤連為一體的，所以活塞盤移動的同時帶動閥桿一起移動，速關閥也就隨之開啟。而當危急保安裝置動作時，速關油失壓，速關閥有足夠大的關閉力和快速性，一般要求在主汽閥全關以后，彈簧對主閥錐留有50～80 MPa的壓緊力，從而使速關閥從保護動作到主汽閥全部關閉的時間小于0.5～0.8 s，此時彈簧力大于活塞盤后壓力，在彈簧力的作用下，活塞盤、閥桿、主閥錐迅速推向關閉位置，活塞盤后殘余的部分速關油流入活塞和彈簧空間并經回油口排出。

考慮到閥桿卡澀也可能導致速關閥關閉不嚴，同時在卡澀也會使活塞盤不能軸向運動，因此當啟動油壓降低至小于彈簧力的情況時，活塞在彈簧力的作用下與活塞盤分離，速關油通過回油口泄掉，與上述故障現象吻合。于是開始拆卸速關油油缸，檢查閥桿有無卡澀，如閥桿彎曲會導致閥桿卡澀，用百分表檢查閥桿跳動值小于0.02 mm，檢查閥桿無彎曲現象。在將速關閥彈簧力全部卸掉后，拿撬棍撬動速關閥閥桿，結果速關閥閥桿活動自如并無卡澀，同時將活塞盤推靠至油缸壓蓋檢查，發現主閥錐周圍仍然存在很大的縫隙。

繼續拆卸速關閥法蘭連接螺栓，抽出閥桿、主閥錐及閥蓋組件，檢查發現速關閥閥座由汽輪機上機殼中脫落，主閥錐、閥蓋以及閥座表面布滿磕碰痕跡，閥座與機殼配合部位由于磕碰卷邊變形（圖2），因此閥座與機殼的配合尺寸無法準確測量。檢查閥座表面僅有兩處焊點，由此初步判斷為閥座與機殼安裝間隙大，焊點少不牢靠是導致閥座脫落的主要原因。而汽輪機運行時發出的異響為脫落的閥座與主閥錐、閥蓋的相互碰撞聲，并且脫落的閥座會影響蒸汽穩定的進氣量，進而造成汽輪機轉速波動。

圖2 閥座磕碰變形

4 故障處理

影響汽輪機轉速波動、異響的故障點已找到，但新閥座與蒸汽入口殼體短時間內不能到貨，閥座本體修復無望，無法回裝。因開工在即，經過商討決定摘除閥座后，將速關閥、調節閥回裝，既可以保證汽輪機能按時啟機，又可以解決引起轉速波動的故障。但在回裝調節閥、速關閥后，開啟啟動油、速關油，關閉啟動油泄至0.3 MPa 時，再次出現速關油壓由0.8 MPa 泄至0 無法保持油壓的異常情況。

分析判斷啟動油、速關油油壓在0.8 MPa 時，壓力均能保持在正常數值范圍內。因此可以斷定速關組合裝置內部油路應該正常無泄壓點，現場判斷外部也無泄漏點。手握靠近速關閥油缸部位的速關油油管和回油管都能感覺到溫度，證明速關油能夠通到油缸，且是最終通過回油管線泄掉的。種種現象表明問題只能是出在速關閥本體上，但速關閥閥桿卡澀的情況已經排除。

根據速關閥其工作原理分析，只有當速關油無法注入油缸活塞盤背部，即活塞盤無法在油壓的作用下克服彈簧力隨活塞移動，才會發生上述狀況。考慮到這次檢修只摘除了速關閥閥座，而閥座除起到密封作用外，還能夠阻止主閥錐連帶活塞盤向蒸汽室方向軸向移動。閥座摘除后，由于沒有閥座的軸向位置限制，在彈簧力的作用下，由于前側無閥座從軸向控制速關閥閥錐位置，會使速關閥活塞盤與速關閥油缸壓蓋貼死。此處無間隙后，會導致速關油無法從后側注入活塞盤背部，從而失去了其推動活塞盤作用。

查閱隨機速關閥結構圖紙并咨詢汽輪機廠家，發現活塞盤與速關閥油缸壓蓋之間有4～10 mm 的安裝間隙要求。找出問題所在后，分析討論決定嘗試在活塞盤與油缸壓蓋之間加裝6 mm厚的外圈調整鋼墊。繼續拆卸速關閥油缸，在活塞盤與油缸壓蓋之間加裝調整墊后回裝速關閥油缸。投用啟動油、速關油一切正常，速關閥恢復正常運行工況。汽輪機啟機后，也未出現轉速波動及內部發出異響情況。

此次檢修雖解決轉速波動及運行異響問題，但拆除閥座后若機組運行出現緊急狀況，速關閥不能及時關閉切斷主進汽，不能保證機組安全停車。待新閥座與蒸汽入口殼體到貨后，檢修人員及時安裝保障機組平穩、安全運行。

5 結語

汽輪機轉速波動是汽輪機常見問題之一，一旦出現轉速波動將嚴重影響汽輪機安全穩定運轉。造成汽輪機轉速波動的原因有很多，本次故障主要原因為速關閥閥座焊口開裂，導致閥座脫落，造成閥座與主閥錐、閥蓋相互碰撞，使進氣量不穩定，造成汽輪機轉速波動，運行時有異響。本文詳細闡述了汽輪機發生轉速波動后故障排查、分析及處理的過程，為處理此類故障提供借鑒。