汽轮机速关停车间电磁阀线圈故障原因分析

汽轮机速关停车间电磁阀线圈故障原因分析

中国石油天然气有限公司塔里木化工有限公司是一家大型化肥项目，年处理能力为45万吨人工苏公司80万吨尿素。合成高压锅炉给水泵由意大利新比隆公司生产,其驱动设备为蒸汽轮机,由杭州汽轮机股份公司生产,该机组用于化肥合成氨装置,为合成高压汽包提供炉水。从2015年开始,该泵汽轮机多次在无连锁信号的情况下速关阀突然关闭而停车,另一台电泵自动启机,操作人员及时将锅炉给水泵出口上水阀进行调节,其开度从51%调整到18%,避免废锅液位满液而造成其它机组汽轮机损坏及装置停车,同时对送往一段炉对流段、低变换热器及合成塔出口换热器的三路水及时进行微调,确保工艺系统稳定,但汽轮机频繁停机给装置生产带来了巨大风险。1片式蒸发器u3000机组是由汽轮机,减速箱及高压锅炉给水泵组成,其之间采用膜片式联轴器连接,机组安装在同一钢底座上,高压锅炉给水泵为筒式多级离心式泵,其型号为6×13DDHF/10stg,汽轮机为中压冷凝式蒸汽透平,其型号为NK25/28/25。1.1系统操作信号机组相关参数见表1。汽轮机信号传递系统由woodward505、安全保护系统(ESD)、集散控制系统(DCS)、测速单元及就地控制单元组成。汽轮机转速由测速元件测得,转化为电信号后被传输到woodward505控制系统,在505中输入值与转速设定值相比较,输出4~20mA的电流信号,通过信号隔离器到达电液转换器,在电液转换器中将电流信号转化为1.5~4.5kgf/cm1)汽轮机运行内部跳闸信号如轴瓦温度、轴振动及轴位移等;2)现场控制盘的紧急停机信号;4)外部跳闸信号如脱氧槽液位低及高压锅炉给水泵入口压力低等,跳闸信号由ESD发出指令到停机电磁阀,机组停机。1.2速关油控制回路首先,在现场旋转启动油控制阀手柄,压力油通过启动油控制阀后分为两路,一路称为启动油,到达速关阀,使阀内速关油泄油通道关闭;另一路称为开关油,到达应急遮蔽器油门,使其内部的速关油泄油通道关闭,压力油通过应急遮蔽器油门后成为速关油,到达速关油控制阀入口及插装阀DG16,汽轮机控制系统见图1。其次,旋转速关油控制阀手柄,速关油通过该阀对插装阀DG16进行作用,插装阀打开,速关油通过插装阀分为三路,一路到达速关阀,推动速关阀内的弹簧座,当反方向旋转启动油控制阀手柄时,启动油泄压,速关油克服弹簧力,使阀杆运动,打开速关阀;二路到电液转换器,为二次油压建立创造条件;三路到达停机电磁阀的插装阀DG40,当电磁阀带电时,速关油通过插装阀DG40卸压,机组停机。1.2.2泵机组停机情况机组远程停机控制均由ESD发出指令,当停机电磁阀1或2接到指令后,电磁阀动作,快速泄掉作用在插装阀DG40上部的油压,插装阀内活塞动作,速关油通过插装阀DG40泄压,速关阀在回座弹簧作用下快速关闭,切断主蒸汽,汽轮机停机。2015年5月19日12点57分41秒高压给水泵汽轮机(A泵)突然停机见图2,备用电泵(B泵)自启,操作人员紧急对工艺系统进行调整,稳定装置波动,2015年该汽轮机出现了多次这种停车,停机危机到装置安全、稳定生产。停机后将机组的运行参数从ESD中调出,同时调出事件顺序记录SOE,对其进行分析,其情况总结如下:1)机组正常运行指标:汽轮机转速为11283r/min,润滑油压力为0.243MPa,速关油压力为0.979MPa,调节油压力为0.982MPa;2)汽轮机速关油压下降与汽轮机转速下降同步进行;3)调节油压下降时间12点57分46秒,比速关油压下降晚了5s,其压力从0.98MPa下降至0.93MPa;4)润滑油压力始终没有变化,其值一直保持0.243MPa;5)速关油压从0.979MPa泄至0.03MPa用时8s;6)SOE清单上首先是速关阀关闭,8s后电磁阀收到停车信号;7)机组停车后不需做任何处理,汽轮机便可开启。2.2跳车信号的描述经分析机组停车的来源可分为四大方面,其一,跳车控制信号引起的机组停车,包括内部跳车信号及外部跳车信号,内部跳车信号可分为连锁跳车信号及操作指令跳车信号,连锁跳车信号如汽轮机、减速箱及高压锅炉给水泵的轴瓦温度连锁、轴振动连锁、汽轮机的轴位移连锁、超速电子跳闸、汽轮机低转速连锁等,而对于传统的低油压,该机未设计连锁逻辑,操作指令跳车如主控室键盘指令停车、现场操作盘按钮停车等,外部跳车信号为脱氧槽液位低及高压锅炉给水泵入口压力低等;其二,操作现场紧急停车手柄引起机组停车,如速关阀组件上的紧急停车手柄及危急遮蔽器油门手柄;其三,机械部件故障引起机组停车,如速关阀、错油门、危机遮蔽器油门、危机保安器、电液转换器故障等;其四,仪表原因引起机组停车,如控制部件及信号回路故障、接触不良或工作不稳定等。从上述描述可知:第一类跳车信号都会转变为电信号,由ESD发出,停车电磁阀动作,速关油泄压,速关阀及调节汽阀关闭,这些跳车信号均能被记录下来,从SOE清单上很容易查到机组跳车原因,而SOE清单上未发现跳车信号,速关油就出现泄压而速关阀关闭,所以该类跳车原因可以排除。对于第二类跳车原因,是人为操作造成,虽然表现出速关油压被泄、无跳车信号记录,但2015年出现了多次同现象停车,所以基本上可排除人为操作所为。对于第三、四类原因,因情况较复杂,不能简单排除。2.2.1断机构,紧急状态下可及时停机速关阀(TTV)是汽轮机与主蒸汽管路之间的主要切断机构,根据要求或在紧急状态下能快速切断汽轮机的主蒸汽,使机组立即停机。速关阀主要由阀体、阀座、阀杆、主阀碟、油缸、活塞及回座弹簧组成,其结构见图3。1插装阀使用6.2当活塞8右端进入启动油F时,在油压作用下活塞克服回座弹簧7的力被推向活塞盘5,使活塞盘的密封面与活塞相接触,当速关油E进入活塞盘左侧时,开始泄放启动油,于是在两侧油压差作用下活塞和活塞盘作为一个整体件持续向右移动,速关阀被打开。若机组保安系统发生停车信号,都会使速关油泄压,在弹簧力作用下,活塞盘与活塞脱离,活塞盘左侧腔中的速关油立即从T口排泄,速关阀的阀杆、主阀碟快速被推至关闭位置。2面磨损产生的泄油通道从速关阀结构图及其工作原理描述可知:在速关阀工作状态下,通道E与通道T突然连通会导致速关阀泄压,而活塞8与油缸9的接触面磨损也会产生泄油通道,进一步分析可得出以下结论:①因机械磨损是一个渐变过程,油泄漏也是一个渐变过程,所以在正常运行时机组不可能出现速关油压无任何异常先兆,速关油就出现突然泄掉的现象。②若速关阀出现严重机械磨损,速关油就无法建立,汽轮机也就无法启动,而该故障特点是停机后不需做任何处理,汽轮机便可开启。从以上分析可知,速关阀故障不可能引起该现象的机组停车。2.2.2油动机油缸控制错油门作用是对进出油动机油缸的压力油从量和方向进行控制,进而使油动机油缸活塞产生移动而实现汽轮机进汽量的改变。错油门主要由阀体、滑阀体、转动盘、错油门弹簧、上套筒、中间套筒及下套筒组成,其结构见图4。1阀开度改变在稳定工况时,滑阀体上端的弹簧1的力与下端的二次油作用力相平衡,此时滑阀体正好处于中间位置,中间套筒的油口正好被滑阀凸肩封住,油缸进、出口油通道被切断,油缸活塞固定不动,调节汽阀开度恒定不变。若工况发生改变,如瞬时汽轮机转速下降,505发出指令迫使二次油压升高,改变滑阀体的力平衡,使滑阀体向上移动,因此,油缸活塞上腔的动力油口M被打开,而回油口B与活塞下腔N接通,动力油P进入油缸活塞上腔,其下腔进行油排放,导致油缸活塞向下运动,开大调节汽阀,汽轮机主蒸汽量增大,汽轮机转速上升,此时,随着活塞向下运动,反馈机构出现相应动作,迫使错油门弹簧力增加,当滑阀体上弹簧力与二次油压力达到新平衡时,滑阀体又回到中间位置,导致汽阀开度处于新的位置,在此新工况下机组稳定运行。如瞬时汽轮机转速升高,其动作与上述过程相反。2调节汽阀持续关小造成机组停车从错油门结构图及其工作原理描述可知:若错油门腔体内若存在颗粒,会影响滑阀的运动,其分析结论如下:①当瞬时汽轮机转速增大时,油缸活塞下腔与进油口相连,油缸活塞上腔与排油口相通,调节汽阀开度减小,汽轮机转速下降,通过反馈机构的相应动作,滑阀体回到中间位置,汽阀开度保持在新的位置,若滑阀在回到中间位置过程中被颗粒卡住,上述通道就会保持连通,调节汽阀持续关小,最终导致机组停车。②该故障造成的停车,其停车速度较慢,与事实不符。③该故障造成的停车不会造成速关油泄压。从以上分析可知,错油门内存在颗粒不可能引起该现象的机组停车。错油门滑阀特定部位磨损也会造成调节汽阀持续减小,汽轮机停车,但在滑阀磨损的早期,汽轮机转速就会出现不稳定,控制困难,该原因也可被排除。2.2.3机组快速停机工况危急遮断油门是汽轮机的保护设备,当汽轮机出现超速时,危急遮断油门泄放速关油,引发速关阀和调节汽阀快速关闭,机组紧急停机。危急遮断油门由滑阀、套筒、弹簧、活塞,挂钩等组成,其结构见图5。1凸肩6压压到速关油管路在工作状态下,压力油由接口P通过节流孔板10到达危急遮断油门的速关油控制腔,因凸肩6的油压作用面积大于凸肩3的油压作用面积,所以滑阀上产生的油压力能克服弹簧力7,推动凸肩6压在套筒8的密封面上,压力油通过接口E到达速关油管路。汽轮机在运行中若发生下述情况或操作时,滑阀便产生动作而泄放速关油:油气回收治理当汽轮机转速超过危急保安器设定的跳闸转速时,其飞锤击出,打击挂钩12,其杠杆13相应动作造成滑阀4向左移动,套筒8与凸肩6的密封盘脱开,同时弹簧力迫使凸肩5压在套筒2的密封面上,于是通路口P与通路口E被切断而通路口E通路口与通路口T接通,速关油泄压至轴承座润滑油排放腔体。2轴位移保护当汽轮机转子轴向位移≥1mm时,转子轴位移凸肩便撞击到挂钩12,从而导致与上述相同的动作。启动账单揿下手柄1,导致挂钩逆时针方向转动,拉动滑阀向左运动,切换油路过程同前所述。2速关油压失当速关油压力≤0.28MPa时,滑阀上弹簧力大于油产生的压力,滑阀向左端运动而泄放速关油2停车原因分析高压锅炉给水泵汽轮机未设计机械轴位移保护装置,该原因可排除,对于操作危急遮断油门手柄停车,在上述已做分析,不再阐述。从危急遮断油门结构图及其工作原理描述可知:滑套2左侧与滑阀的接触密封面严重磨损会造成速关油直接从此间隙泄漏到T通道,汽轮机停车,进一步分析得出以下结论:①因机械磨损是一个渐变过程,油泄漏也是一个渐变过程,所以不可能出现机组在运行时速关油压无任何异常先兆,速关油就出现突然泄掉的现象。②若出现严重机械磨损,速关油就无法建立,汽轮机也就无法启动。从以上分析可知,危急遮断油门故障不可能引起该现象的机组停车。2.2.4机组停车,提前停机危急保安器安装在汽轮机的轴端,当汽轮机出现超速时,危急保安器中的飞球飞出,打击挂钩,导致危急遮断油门动作,速关油泄放,机组紧急停机。危急保安器由飞锤、配重销、弹簧、限位栓及导向套筒等组成,其结构见图6。1转速过大时,飞锤因转速过大而发生脱扣当转子旋转时,飞锤便产生离心力,由于在其转速范围内,弹簧力始终大于飞锤离心力,所以飞锤也就在它的装配位置保持不动,当汽轮机转速超出设定的脱扣转速时,由于飞锤离心力大于弹簧力,飞锤在离心力作用下产生位移,随着其偏心距增加其离心力阶跃增大,飞锤从转子中击出,撞击遮断油门的拉钩,使油门脱扣,从而使速关阀和调节汽阀关闭。因汽轮机转速降至额定转速时飞出的飞锤便可恢复到原装配位置,所以停机后便可进行遮断油门挂闸复位操作,使机组重新起动。2转速下降,旋转轴保护失效从危急保安器结构图及其工作原理描述可知:在导向环和导向套筒中嵌装着导向片3和导向片7,导向片用聚四氟乙烯制作的,若导向片与飞球配合松动,飞球就有可能在未到达设定转速飞出,打击遮断油门的拉钩,使速关油泄压,当汽轮机停车,转速下降,飞球会自动复位,所以该故障不影响汽轮机正常启动。从以上分析可知,危急保安器故障能引起该现象的机组停车。2.2.5控制油动机电液转换器是将505转速控制系统送来的电信号转换成液压信号,去控制错油门阀芯的移动,改变错油门的动力油通道,使动力油按要求控制油动机,从而达到对调节汽阀开度的控制对其工作原理及结构图分析可知:电液转换器电磁部分和液压部分故障都会造成二次油压变化,导致汽轮机调速汽阀开度变化,甚至造成调速汽阀关闭,但电液转换器故障不会造成速关油泄压2.2.6停车原因由汽轮机信号传递系统及控制系统描述可知,若仪表方面出现故障也会引起机组停车,其可能原因如下:1)505转速控制系统模块插件故障导致输出信号错误,汽轮机停车。2)ESD控制系统模块插件故障导致输出信号错误,汽轮机停车。3)输出信号线路故障导致错误信号,汽轮机停车。4)电液转换器接线柱接触不良、信号错误,导致汽轮机停车。5)停车电磁阀接线柱接触不良、信号错误,导致汽轮机停车。6)电磁阀线圈故障导致汽轮机停车。虽然505转速控制系统模块插件故障、505输出信号线路故障及电液转换器接线柱接触不良均可导致电液转换器输出的二次油压信号发生变化,引起汽轮机调节汽阀关闭,机组停车,但这些原因不会引起速关油泄压,所以上述原因可以排除。通过上述理论分析,原因集中在以下四方面:1)危急保安器中导向片与飞球配合松动引起速关油泄压停车故障。2)ESD控制系统模块插件故障导致输出信号错误,停车电磁阀动作,速关油泄压停车。3)停车电磁阀接线柱接触不良,信号错误,导致汽轮机停车。4)电磁阀线圈故障,电磁阀动作,速关油泄压停车。从汽轮机信号传递系统图1中可以看到:为保护机组汽轮机设置了低转速联锁停机2.3轮机开启后排查对于停车电磁阀接线柱接触情况及ESD输出信号线路情况,仪表进行了检查未发现有异常现象,其原因可以排除。因ESD控制系统模块插件情况需整个化肥装置停车后方