燃氣輪機入口導葉控制故障分析及處理

摘要：詳細闡述燃氣輪機入口導葉閥位間斷性跳變的故障現(xiàn)象，通過檢修發(fā)現(xiàn)，閥位變送器引出線外層增加的保護導管黃臘管造成了閥位變送器引出線磨損而接地，通過更換新的閥位變送器。

重慶建峰化工股份有限公司一化合成氨裝置的空氣壓縮機驅(qū)動汽輪機為 5001 系列單軸式燃氣輪機，2004年控制系統(tǒng)改造為 TS3000 系統(tǒng)。該系統(tǒng)非常大的優(yōu)點在于其軟件和硬件都采用 “三取二”表決的三重冗余結(jié)構(gòu)，安全可靠。

1 問題的提出

2017 年 8 月 12—13 日，燃氣輪機空氣入口導葉（IGV）1# 閥位變送器（LVDT1）反饋顯示 間 斷 性兩次從 74 °跳變到 67 °左右， 一段時間后恢復，隨后 3 個月間斷性出現(xiàn)類似情況。

燃氣輪機入口導葉設置 2 個閥位變送器反饋（LVDT1 和 LVDT2） 信號， 由于測量誤差，LVDT2略低 2°~5 °，2 個信號經(jīng)高選后作為測量值進入控制系統(tǒng)。 燃氣輪機正常運行時選擇 LVDT1， 一旦LVDT1 跳變到低值，控制系統(tǒng)將選擇 LVDT2 作為測量值。這將引發(fā)入口導葉閥位波動，燃氣輪機瞬間出現(xiàn)負荷波動，排氣溫度一定幅度上升，并迫近聯(lián)鎖值，給工藝運行帶來影響。多次排查無果，無奈之下，用機械方法調(diào)整了LVDT1 和 LVDT2 偏差值，但仍然無法解決 LVDT1階躍下降和燃氣輪機運行波動問題。

2 原因分析

2.1 控制原理［1］

該空氣壓縮機燃氣輪機入口導葉控制是在MARK-Ⅳ控制系統(tǒng)的基礎上改造而成，原 MARK-Ⅳ控制系統(tǒng)集成了伺服放大卡， 三控制器 R ／ S ／ T分別輸出-8~+8.0 mA 直流電， 分別驅(qū)動由三線圈電磁力疊加而成的伺服閥， 作用在油動機上構(gòu)成執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動入口導葉。 伺服閥中任意 1 個或 2個線圈因故障造成電流中斷， 但只要 1 個線圈能正常工作，也能驅(qū)動油動機正常調(diào)節(jié)，體現(xiàn)了燃氣輪機控制系統(tǒng)“三取二”設計理念的高度容錯性。因 TS3000 控制系統(tǒng)輸出標準 4~20 mA 信號，與原 MARK-Ⅳ控制系統(tǒng)輸出-8~+8.0mA 直流電不符，因此在改造時增加了 3 個好立伺服放大卡，取代了原集成在 MARK-Ⅳ控制系統(tǒng)中伺服放大卡的功能，信號制也發(fā)生了相應的變化：新系統(tǒng)中3 塊伺服卡接收來自控制器模擬輸出卡的標準 4~20mA 控制信號， 作為 IGV 閥位控制指令；4 線制的 LVDT1 由卡 1 提供 3 000 Hz／ 5 V 交流電源，并反饋0~2.5 V 交流信號回卡 1， 在卡 1 內(nèi)部轉(zhuǎn)換成4~20 mA 信號，同時還分別送到卡 2 和卡 3，作為LVDT1的信號；同理，4 線制的 LVDT2 由卡 2 提供3 000 Hz／ 5 V 交流電源， 并反饋 0~2.5 V 交流信號回卡。

2，在卡 2 內(nèi)部轉(zhuǎn)換成 4~20 mA 信號，分別送到卡 1 和卡 3， 作為 LVDT2 信號。 在 3 塊卡中，LVDT1和 LVDT2 信號經(jīng)過高選后作為入口導葉閥位測量信號， 控制指令和測量信號在 3 塊卡中經(jīng) PID 運算后分別輸出-8~+8.0 mA 直流電的控制信號，驅(qū)動伺服閥線圈及后續(xù)機構(gòu)，組成三冗余控制系統(tǒng)。

2.2 檢查過程

1） 在燃氣輪機在線運行的情況下， 首先判斷LVDT1 性能不穩(wěn)定，而造成測量值階躍下降。由于更換LVDT 后需調(diào)試伺服卡，重新寫入數(shù)據(jù)，因此無法在線更換 LVDT，只能采用調(diào)整機械零位的方法，消除LVDT1 和 LVDT2 偏差值。但隨后又出現(xiàn)LVDT1 測量值階躍下降， 故障的根本原因沒有找到，問題沒得到解決。

2） 對 LVDT1 測量回路進行檢查，發(fā)現(xiàn)伺服卡對 LVDT1 供電電壓偏低，正常值應為 5 V 交流電，實測只有 1.5 V 左右交流電， 判斷伺服卡有故障。由于伺服卡更換后需要對入口導葉全行程進行調(diào)試，因此，燃氣輪機將無法在線更換，只能堅持運行。

3） 2017 年 10 月，利用短暫停車機會，檢查伺服卡。將 LVDT1 供電接線拆除，測量伺服卡供電電壓為 5V 交流電，正常，判斷卡件正常，確定后端回路有接地現(xiàn)象，電纜、LVDT1 均有可能。因時間緊迫，沒有進行處理，仍堅持運行。

4） 裝 置 大 修 期 間 ， 對伺服卡后端電纜和LVDT1 進行徹底檢查。對電纜絕緣、阻值檢查，正常。拆掉LVDT1 后，發(fā)現(xiàn) LVDT1 到接線箱引出線加裝了一層黃臘管， 該線是由于此處環(huán)境溫度高達 60 ℃，為保護LVDT1 的引出線而加裝的。黃臘管外徑為 6 mm， 其外層金屬保護管內(nèi)徑為 8 mm，而接線箱格欄端頭內(nèi)徑只有 5 mm， 造成黃臘管端頭在格欄端頭受阻且被壓縮，LVDT1 的引出線就因內(nèi)部張力而拉伸，并擱置在格欄端口的直角上。燃氣輪機長時間運行帶來高頻振動， 該直角就如一把較鈍的鋸子長時間磨損引出線，使得 4 根引出線中信號反饋線黃線的絕緣層破裂而接地，成為事故的根本原因。

2.3 電路原理

LVDT 內(nèi)部原理圖所示。

從圖 2 可以看出，LVDT 內(nèi)部有三組線圈，勵磁線圈 L 紅黑兩端連接到 3 000 Hz／ 5 V 交流電源，感應線圈由 L1 和 L2 反相串聯(lián)構(gòu)成，其黃藍兩端輸出電壓 E0（0~2.5 V 交流電）閥位測量信號。勵磁線圈與感應線圈間設有鐵磁性鐵芯連到入口導葉閥桿上，當入口導葉閥位變化時，中間鐵芯在 LVDT內(nèi)位置隨之移動，改變感應線圈 L1 和 L2 感應電壓， 從而輸出相對應輸出電壓 E0， 即閥位測量信號，并對應相應閥位。若LVDT 勵磁線圈 L 輸入電源電壓 Ei 及頻率穩(wěn)定時， 閥位變送器輸出電壓 E0等于 L1、L2 及抽頭線圈 L 抽三線圈電壓矢量和，即：E0=EL -EL +E 抽當黃線接地時，勵磁線圈 L 的抽頭接地，相當于在抽頭的部分線圈上并聯(lián)了一個接地電阻，勵磁線圈總阻抗減小， 從而導致了勵磁線圈 L 電流增加，抽頭部分線圈電流減小，根據(jù)電磁感應原理可知：EL 增加，EL 減小。 同時， 如果 LVDT 黃線接地，E 抽將減小， 且減小的程度與接地電阻大小相關(guān)，當完全接地時，E抽≈0，EL 增加量、EL 減小量也將達到非常大值，LVDT 輸出電壓 E0 下降達非常大值，LVDT 閥位測量誤差達非常大值，造成階躍下降。

3 處理措施及效果

據(jù)查證用戶數(shù)據(jù)手冊，LVDT 的引出線本身就是針對高溫環(huán)境設計和選材的， 沒必要進行額外保護。因此在大修時更換新 LVDT， 就不加裝黃臘管，調(diào)試伺服卡并重新寫入數(shù)據(jù)后，LVDT1 測量值完全正常［2-3］。燃氣輪機在大修后開車，入口導葉控制完全正常。