瓦克夏L7042GSI 天然氣發動機缸溫低故障診斷

劉福剛，李紅旗，王建鑫，馬 云，張 明，李 斌

（1.吐哈油田公司油氣生產服務中心，新疆吐魯番 838202；2.吐哈油田公司鄯善采油管理區，新疆吐魯番 838202）

0 引言

吐哈油田公司鄯善采油管理區5#增壓壓縮機組動力端采用美國瓦克夏公司生產的L7042GSI 型發動機，該發動機為12缸帶渦輪增壓器和中冷器的天然氣發動機，機組額定功率1455 kW，轉速范圍700～1200 r/min，點火由CEC（Custom Engine Control unit，發動機控制單元）點火模塊控制，轉速控制由伍德沃德調速器控制，空燃比由Fisher 閥控制。自2021 年12月以來，5#機組在正常加載運行過程中出現意外停機故障，機組意外停機，嚴重影響了裝置的正常運轉。

1 故障分析

通過DCS（Distributed Control System，分布式控制系統）對發動機各參數歷史數據查詢，發現發動機故障停機前伴隨著轉速波動大且發動機運轉缸溫異常偏低現象，發動機缸溫較低說明發動機燃氣燃燒做功效率低下，表現為動力不足、轉速波動大，最終造成機組意外停機。

發動機排氣溫度實質上是燃燒是否充分的反映。進入燃燒室的氣體包含天然氣和空氣，天然氣經調壓后進入空燃比系統，而過濾后的空氣經渦輪增壓后同樣進入空燃比系統，在空燃比系統內，燃氣和空氣按照設定比例混合進入調速系統節氣門，按照調速系統設定的混合氣量經過匯管進入燃燒室，在配氣機構和點火系統的作用下，混合氣經過吸氣、壓縮、做功、排氣4 個過程實現燃燒的熱能轉化成機械能的過程（圖1）。參與發動機燃燒的系統有點火系統、進氣系統、空燃比系統、配氣機構和轉速控制系統等，參與燃燒的環節因素都有可能造成缸溫異常。

圖1 發動機燃燒流程

1.1 故障診斷模型

FAT（Fault Tree Analysis，故障樹分析法）是安全系統工程的重要分析方法，建立FTD（Fault Tree Diagram，故障樹圖）是故障分析的基礎，可以直觀地表達對應的故障處理邏輯，并通過部分事件串聯起來表達整體故障狀態。為了準確記錄故障表象與根本原因之間的邏輯關系，并提高診斷系統推理匹配速度，按照排氣溫度低故障產生規則構建知識庫模型（圖2）。

1.2 控制系統故障

（1）熱電偶故障。熱電偶傳感器斷裂或者存在虛接、磨皮都會使控制系統采集到的毫伏級電壓信號失真，從而導致采集的溫度信號異常。

（2）Modbus 采集模塊故障。Modbus 采集模塊為控制系統熱電偶采集模塊，信號經Anybus 模塊和以太網網關轉換后數據進入PLC 數據存儲區。該模塊接線端子虛接或配置選項按鈕配置錯誤，都有可能將轉換的模擬量信號誤傳到PLC。

1.3 點火系統故障

點火系統由CEC 點火控制模塊、正時傳感器、低壓導線、高壓線圈、火花塞、點火線束及接線盒構成。CEC 點火模塊控制電路故障、CEC 接線盒接線端子虛接或斷路、點火線束未接地、火花塞積碳或間隙不對、燃燒室進水、正時信號不良、高壓線圈損壞等有可能出現個別缸缺火，從而造成缸溫低故障。

1.4 進氣系統故障

油田天然氣場站建設在戈壁上，風沙較大，風沙天氣很有可能使空氣濾芯堵塞或老化、穿透，導致混合器的空燃比變小。而渦輪增壓器效率的高低也會導致排氣溫度降低或升高。

此外，調壓閥調壓失敗致使進入進氣歧管的燃氣量減少、造成各缸富氧燃燒，也是導致排氣溫度低的因素之一。

1.5 空氣比系統故障

空燃比是空氣與燃料之間的質量比例。一般用每克燃料燃燒時所消耗的空氣的克數來表示。空燃比是發動機運轉時的一個重要參數，它對尾氣排放、發動機的動力性和經濟性都有很大影響，過小或過大的空燃比對排氣溫度有著一定影響。空燃比低于理論最佳空燃比時，燃燒室火焰燃燒溫度最高，發動機排氣升溫快、排氣溫度高。當空燃比大于發動機最佳空燃比時，發動機功率隨著發動機空燃比的增大而下降，排氣溫度也隨之降低。空燃比超過稀燃極限時會出現失火，發動機功率顯著降低。

Fisher 調節閥是調整空燃比的核心部件，起到平衡燃氣與空氣壓差的作用，膜片損壞或者管線堵塞都有可能使空燃比失調，有導致富氧燃燒的混合器進入燃燒室。Fisher 調節閥主要由計量閥、計量閥彈簧、膜片、調節器等構成，天然氣積液、操作工誤擰調節器、膜片損壞都有可能造成錯誤的空燃比。

1.6 配氣機構

汽缸蓋是發動機配氣系統的關鍵部件，安裝在缸體上方，汽缸蓋和氣缸構成燃燒室，汽缸蓋經常與高溫高壓的燃氣接觸，承受了很大的熱負荷和機械負荷。汽缸蓋上的進氣門、排氣門是燃氣混合器、廢氣的專用流通通道，氣門間隙的過大或過小對發動機排氣溫度有著很大影響。

（1）汽缸蓋氣門燒蝕損壞或密封不嚴漏氣，氣門座圈損壞都會導致氣門和氣門座圈密封失效，造成燃燒效率降低，從而導致發動機排氣溫度過低。

（2）進排氣門間隙調整不當。進氣門間隙太大，則氣門開度增小，進入燃燒室的燃氣量減少，在功率不變的情況下燃燒能力減少、排氣溫度會降低。

1.7 進氣溫度過低

進氣溫度過低會導致機組各缸普遍溫度偏低，因此各型發動機對進氣溫度有著嚴格的進氣范圍要求。

1.8 燃氣熱值影響

燃氣熱值是一定體積或質量的燃氣所能放出的熱量稱為燃氣的發熱量，通過查閱手冊得出L7042GSI 型發動機的天然氣熱值應在（3.26～3.46）×104kJ/m3，熱值過高會造成燃燒不充分，燃燒能力降低，從而造成排氣溫度偏低。

1.9 點火提前角度不合適

點火提前角是天然氣發動機從點火時刻起到活塞到達壓縮上止點，這段時間內曲軸轉過的角度稱為點火提前角，能使發動機獲得最佳動力性、經濟性和最佳排放時的點火提前角稱為最佳點火提前角。同工況下，增大點火提前角可減少燃燒趨勢，點火提前角每增加1°排氣溫度降低3～8 ℃，表象為排氣溫度降低。減小點火提前角則可以減少燃燒室壓力，但排氣溫度會升高。因此，合理的點火提前角是發動機正常燃燒的關鍵因素之一。

2 解決措施

2.1 檢查控制系統

對熱電偶傳感器進行鑒定，具體方法是使用熱溫槍測量排氣管的溫度與顯示的溫度對比，如果溫差較大則進行更換。溫度采集主板可采用虛擬信號模擬的方式檢測其工作是否正常，具體方式是：拆除熱電偶，將信號線和FLUKE754 過程控制儀連接，使用FLUKE754 作為信號發生器檢測溫度變化情況，如果溫度相差較大則更換問題采集主板。

2.2 定期點火系統檢查

每800 h 的保養作業應拆除所有缸的火花塞，檢查火花塞的積碳、中間級燒蝕以及火花塞級間間隙。

（1）修復時，使用砂紙及時清除積碳，更換燒蝕火花塞，火花塞間隙應調整至1.5～1.6 mm。

（2）使用多用表檢測高壓導線和高壓線圈，電阻阻值應為2 Ω 以下。

（3）由于火花塞位于汽缸蓋凹槽部位，下雨時容易積液，巡檢時應及時清理火花塞外部的積水。

（4）此外，發動機運轉過程中如果振動較大，則應定期緊固高壓導線、高壓線圈和火花塞等。

2.3 檢查進氣系統

空氣濾芯是過濾空氣雜質的零件，應使用高壓空氣定期吹掃濾芯中的塵土，而渦輪增壓器每12 000 h 應開展大修作業。

2.4 檢查空燃比系統

保養過程應檢測空燃比，具體方法是在進氣歧管和Fisher調壓后的燃氣管線安裝U 形水管，在啟動機組的過程中，觀察液柱差是否為114.3～139.7 mm 或水柱高度差為7 cm。高度差過低或過高可通過調整螺釘調節。

Fisher 閥內壁和計量閥存在很小的間隙，計量閥在空燃比不變的情況下在燃氣吹掃下做著往復運動，在這一過程中起導向作用的膜片有可能受到積液、雜質和回火而受力不均，或者運動過程中出現計量閥共振，此時計量閥受到徑向力而向混合器內壁方向偏斜，偏斜過大會與混合器內壁摩擦，徑向力過大很有可能使計量閥卡死。若計量閥卡死在自由狀態下的位置時，燃氣流量會出現紊亂現象，從而導致空燃比調節失效。

若調整高度差失敗可拆除混合器所有部件。在拆除計量閥時，應檢查計量閥抽出時有無卡阻現象，或觀察計量閥和混合器內壁有無磨痕。正常情況下計量閥和混合器內壁存在間隙，無摩擦才能保證計量閥在燃氣壓力的作用下調節計量閥開度，如果存在磨痕說明燃氣不能正常打開計量閥。

2.5 檢查配氣機構

配氣機構主要檢查氣門間隙和檢測缸壓。

（1）對于12 缸發動機來說，首先將右一缸調整至壓縮上沖程位置，檢測并調整氣門間隙，進氣門、排氣門間隙分別約0.4 mm、0.7 mm。其次按照點火順序，依此檢查和調整各缸氣門間隙。

（2）缸壓是評定燃燒室工作好壞的一項關鍵指標，每半年應檢測一次發動機各缸的缸壓。L7042GSI 型發動機的氣缸缸壓為1.07～1.20 MPa（最小不低于0.9 MPa），否則應檢查活塞環、進氣門密封情況。測量缸壓時應先斷開低壓點火線接頭盒或發動機燃氣閥閥門，拆除所有缸的火花塞、裝入缸壓表，然后按照啟機流程啟動發動機，啟動盤車時缸壓表的最大數值即為氣缸的缸壓。如果缸壓較小，則應檢查發動機氣門和活塞的密封性。

2.6 燃氣組分的化驗

定期對發動機燃氣開展組分化驗，可通過瓦克夏WKI 軟件計算燃氣熱值。如果燃氣熱值不在3.26×104～3.46×104kJ/m3范圍內，則應檢查工藝參數并對其進行調整。

2.7 點火提前角檢查和標定

按照手冊要求，L7042GSI 型發動機點火提前角應調整至21°～23°，此時發動機的排氣溫度約580 ℃。點火提前角每兩個月檢查一次，檢查時用正時燈感應夾夾住點火正極線，將正時燈正對飛輪上的正時刻度線，正時燈閃亮時顯示的度數為點火提前角。點火提前角不正確時，應在機組停機狀態下調整CEC 點火模塊的正時旋鈕。

2.8 檢查其他系統

定期檢查夾套水溫、排氣匯管是否堵塞、機組負荷等，確保機組各項運行參數運行正常。

3 總結

發動機出現缸溫低故障后，利用故障診斷順序法可快速定位故障及排除恢復故障。在機組日常的維護過程中，除了對運行參數進行檢查外，還要對機械部件加強巡檢，避免檢查死角，保證機組正常運行。