一起PG9171E型燃氣輪機起動失敗故障的原因分析及處理

楊 薇

(中國天辰工程有限公司,天津 300400)

某國外電廠配置一套PG9171E型燃氣輪機聯合循環機組,于2008年投產,采用“一拖一”方式即 1 臺 120 MW型燃氣輪機帶 1 臺 60 MW 蒸汽輪機獨立運行。燃氣輪機起動過程中,由于靜摩擦和轉子的靜慣性作用,在零轉速時燃氣輪機轉動所需的扭矩最大,在零轉速時的起動電機輸出轉矩只有額定轉速時的一半左右[1]。因此,在交流起動電動機(88CR-1)和燃氣輪機轉子之間安裝了液力變扭器,解決了起動過程中它們扭矩特性不匹配的問題。在燃氣輪機盤車過程中,盤車馬達的扭矩通過液力變扭器放大并輸出,保證機組的轉子維持正常的盤車轉速,使轉子和缸體受熱均勻,不致因受熱不均導致葉片損壞或大軸抱死。

1 起動失敗的現象

1.1 起動失敗邏輯信號

某日,該電廠燃氣輪機的主設備大修完成后進行試驗性起動燃氣輪機。在燃氣輪機起動過程中,在脫扣轉速階段出現了液力變扭器的故障報警(L94TC_ALM),造成了燃氣輪機自動停機。

造成此次自動停機直接原因是當燃氣輪機轉速達到脫扣轉速60%時,液力變扭器工作油的控制電磁閥20TU-1 失電后,其滑閥位置監測開關33TC-1在8 s內未動作,觸發了正常停機程序,起動失敗。

1.2 失敗原因初步排查

燃氣輪機停下來后,對電磁閥20TU-1控制電纜、線圈直阻進行檢查。控制電纜對地絕緣大于10 MΩ(250 VAC 絕緣搖表),線圈直阻為121 Ω(廠家提供數據120 Ω),均正常。對該電磁閥進行帶電測試,觀察其閥芯動作正常,未見有卡澀現象;目測電磁閥進出油孔干凈,無顆粒雜質。33TC-1 的控制電纜對地絕緣大于10 MΩ,觸點動作正常,無卡澀現象。

確認上述部件工作正常后,重新啟動燃氣輪機,在轉速為60%時,20TU-1 失電后,33TC-1及時反饋,機組起動正常。

在第三次起動試驗時,燃氣輪機出現了與首次相同故障現象,在轉速升至脫扣轉速60%時,20TU-1失電后,持續約5 min后33TC-1才動作,造成了控制系統觸發停機程序L94TC及L94TC_ALM,起動失敗,如圖1所示。

由于該機組在本次大修對液力變扭器也進行解體大修,并更換了相關損壞部件,因此一時難于判斷具體故障點,需要從液力變扭器的控制原理、工作原理等進一步分析并查找故障原因。

2 起動系統工作原理分析及起動失敗原因排查

2.1 液力變扭器基本工作原理

液力變扭器是以液體為工作介質的一種非剛性扭矩變換器,是液力傳動的形式之一。它有一個密閉工作腔,液體在腔室內循環流動,其中泵輪、渦輪和進口導葉分別與輸入軸、輸出軸和殼體相連,如圖2所示。驅動馬達通過輸入軸帶動泵輪旋轉時,泵輪內工作液在離心力的作用下產生高速液體推動渦輪旋轉時,液體從泵輪流出,順次經過渦輪、進口導葉,再返回泵輪,周而復始地循環流動。泵輪將輸入軸的機械能傳遞給液體,液體推動渦輪旋轉,將能量傳輸給輸出軸。液力變扭器是靠液體與葉片相互作用產生動量矩的變化傳遞扭矩。導輪葉片變化可以相應改變其輸出扭矩和轉速。

圖2 液力變扭器工作原理示意圖

2.2 PG9171E型燃氣輪機起動系統工作原理

PG9171E型燃氣輪機采用的液力變扭器為德國VOITH(福伊特)公司生產的,型號為EL 10 ZFG,額定功率為1 416 kW,額定輸入轉速為2 950 r/min,輸出轉速為2 100 r/min。

如圖3,PG9171E型燃氣輪機起動系統裝置主要由盤車電機88TG-1、起動電機88CR-1、液力變扭器、液力變扭器導葉調整電機88TM-1、導葉角度反饋96TM-1、工作油控制電磁閥20TU-1、滑閥位置開關33TC-1等部件組成。盤車電機與起動電機之間通過柔性聯軸器相聯。起動電機與液力變扭器之間、液力變扭器與輔助齒輪箱之間是通過靠背輪螺栓相連。輔助齒輪箱與燃氣輪機大軸是通過充油式半柔性聯軸器相聯。

圖3 PG9171E型燃氣輪機起動系統裝置示意圖

88CR-1帶動燃氣輪機起動,通過調節88TM-1改變液力變扭器導葉角度來調節傳送的扭矩。88CR-1無載起動2 s,20TU-1帶電潤滑油推動滑閥移動,到位后限位開關33TC-1 動作,潤滑油通過滑閥注入液力變扭器,同時扭力傳送到燃氣輪機轉子開始拖動。當達到清吹轉速10%時,通過調節88TM-1,使燃氣輪機轉速提高并維持在清吹轉速來排出熱通道的可燃煙氣。清吹完成后,20TU-1失電,滑閥失去控制潤滑油,滑閥移動并排去液力變扭器工作油,33TC-1復位,當轉速跌至10%以下時20TU-1再次帶電,然后燃氣輪機開始升速,速度超過10%時開始注入燃料和點火。點火成功后,液力變扭器導葉角度也按要求不斷調整使燃氣輪機加速至自持轉速(大約為燃氣輪機額定轉速的60%),此時,20TU-1失電,液力變扭器泄油使燃氣輪機和起動系統脫扣,88CR-1退出工作[2]。脫扣后,燃氣輪機轉速在透平的帶動下不斷上升,直至空載滿速。

2.3 起動失敗原因排查

2.3.1 L94TC和 L94TC_ALM 的邏輯

如圖4,根據燃氣輪機控制程序邏輯,在20TU-1 失電后,在8 s內未接收到33TC-1 動作反饋信號,程序將觸發報警信號L94TC_ALM,同時通過L94TC 觸發燃氣輪機自動停機信號。

圖4 L94TC和L94TC_ALM 邏輯關系

2.3.2 原因排查

(1) 基本原因分析

從圖3 和圖5可知,33TC-1是監控滑閥閥芯的位置,在20TU-1 帶電后,建立滑閥控制油壓,閥芯在油壓作用下克服彈簧力移動,從而使滑油通過滑閥進入液力變扭器,建立工作油。燃氣輪機升速控制程序通過調整液力變扭器導葉角度來控制升速。當轉速達到脫扣轉速60%時,20TU-1 失電,由于閥芯未移動或未到位,燃氣輪機控制系統未接收到33TC-1 相應反饋信號,意味著液力變扭器的工作油未通過滑閥卸掉,還處在運行狀態,影響機組運行,造成L94TC觸發自動停機程序。

圖5 滑閥的剖面圖

(2) 具體原因論證與分析

為了進一步驗證滑閥閥芯工作狀態,安裝臨時壓力表分別監測滑油母管壓力、液力變扭器泵輪入口及渦輪出口油壓,如圖3 的A、B、C所示。

設備廠家預留了監視液力變扭器泵輪入口油壓及渦輪出口油壓兩個測量孔(尺寸為M14×1.5 內螺紋孔),通過取樣管連接壓力表可以實時監測上述壓力變化情況,如圖6中的M1和M2所示。

圖6 液力變扭器工作油壓力測點

在M1和M2安裝臨時壓力表監測液力變扭器在燃氣輪機各個轉速階段的壓力變化。圖7為該廠安裝臨時監測液力變扭器滑油母管油壓壓力表、液力變扭器泵輪入口及渦輪出口油壓壓力表的實圖。

圖7 現場臨時壓力表

PG9171E型燃氣輪機在低速盤車時,88TG-1通過液力變扭器驅動大軸旋轉,維持3.2%轉速,空氣流過燃氣輪機并對內部進行冷卻,防止轉子和缸體的彎曲變形,以便于燃氣輪機-發電機轉子進行下一次起動。

在起動加速過程中,88CR-1 通過液力變扭器的88TM-1調節導葉角度,按照起動程序改變液力變扭器輸出扭矩,從而使燃氣輪機按照預定升速曲線運行至滿速運行。表1為燃氣輪機起動至空載滿速時,各轉速階段液力變扭器內部滑油油壓。

表1 各轉速階段液力變扭器內部滑油油壓

通過現場觀察到,在20TU-1 失電后,液力變扭器泵輪入口油壓和渦輪出口油壓在1～2 s內降至零,同時也觀察到33TC-1 限位開關與閥芯之間的頂針未完全出來,造成限位開關未動作,15 s后頂針完全出來后,限位開關動。根據上述現象,可以確定液力變扭器工作壓力正常,扭矩輸出正常。

33TC-1是通過頂針監測滑閥閥芯的實際位置,如圖5所示。燃氣輪機在20TU-1 失電后,頂針沒有立即完成彈出,即閥芯沒有完全處在泄油狀態。

造成滑閥閥芯動作不順暢有以下幾種原因:潤滑油的顆粒污染度不合格;控制油壓卸油不順暢;滑閥的閥芯表面有缺陷。

該電廠在液力變扭器的泵輪入口、渦輪出口位置進行滑油取樣化驗,其顆粒污染度質量指標均為6級(檢測參考標準為液壓油清潔度標準NAS 1638),均滿足燃氣輪機廠家對滑油的要求。為了確認控制油壓情況,燃氣輪機在高速盤車轉速階段,強制20TU-1 電磁閥失電,觀察頂針的動作情況。頂針未被頂出,當輕輕敲擊電磁閥和用金屬條推動電磁閥閥芯時,頂針立即彈出。由此判斷出,20TU-1線圈失電后,閥芯卡澀沒有到位,造成滑閥控制油卸油不順暢,滑閥閥芯沒有完全滑動到卸油狀態,造成33TC-1 未動作。更換了新的電磁閥后,故障排除。

3 結語

液力變扭器作為燃氣輪機起動系統裝置的重要設備,其工作狀態直接影響到機組正常運行。通過監測其控制油壓的變化,可以間接實時了解到其工作狀態,對起動系統裝置故障查找原因提供很好的依據。另外,電磁閥是燃氣輪機自動控制系統中不可缺少的執行元件,它的好壞直接影響機組的安全可靠運行。因此,電磁閥定期維護及定期檢修至關重要。