轴流风机静叶控制系统故障分析

陈庚晓

（中国石化股份有限公司天津分公司，天津300271）

某公司催化裂化装置四机组系统分别由电动机、轴流风机、汽轮机、烟汽轮机四部分组成，该机组均由压缩机控制系统（CCS）控制，其中轴流风机为催化裂化装置再生器提供主风以确保装置运行。1.3 Mt/a催化裂化装置主风量在8.5×104m3/h以上，而作为主风调节控制的静叶控制系统显得更为关键，其故障波动将直接导致催化裂化装置主风流量波动甚至造成主风流量低低联锁停车，以下就一起因静叶控制系统故障造成的装置联锁的案例进行分析。

1 事件经过

在20180603T023032，催化裂化装置主风静叶控制系统开度在2 min内从69%突降至37%，导致主风流量低低联锁，催化裂化装置切断进料，机组安全运行，经联锁复位后静叶控制系统运行正常，临时投入运行。

为避免系统再次误动，处理过程中对静叶执行机构进行机械限位，活动范围限制在67%～73%，20180604T0902静叶系统再次开始波动但CCS输出信号未变化，由于机械限位作用，因而未导致装置产生严重后果。静叶控制系统故障事件记录见表1所列。

表1 静叶控制系统故障事件记录

续表1

2 故障原因分析

1）直接原因。主风风量大幅下降，触发装置主风流量低低联锁，主风机组进入安全运行状态，主风机组联锁控制逻辑如图1所示。

2）间接原因。静叶控制系统在控制室CCS未发出减小静叶开度指令的情况下自行关小静叶开度，且在静叶开度回讯信号与给定信号偏差大于规定值4%时也未能发出自锁命令，直至风机静叶关至37%时，主风量大幅下降，引发主风流量低低联锁。

3）根本原因。静叶控制系统PLC扩展模块通信短时中断导致PLC失效，由于静叶控制系统PLC扩展模块通信短时中断属偶发故障，在后续的检查中，一直未出现，直至2018年6月9日下午通信中断故障再次出现时才被捕捉到。

图1 主风机组联锁控制逻辑示意

3 故障过程分析

1）工作原理分析。静叶控制系统工作原理如图2所示，来自蓄能器的高压油，经过控制油路块，进入自锁电磁阀DV1的P端，若操作方式设置为自动，系统操作条件正常，则DV1带电，高压油通过DV1的相应油道，进入液控单向阀V1，V2，V3的控制端使其呈双向流通状态，其油道变为通道，高压油经过V1进入比例阀SV1的P端，此时只需改变SV1相应线圈的控制电流幅值，就能改变SV1两个输出口的流向与流量，即操纵伺服油缸活塞移动的方向与速度，实施阀开与阀关的操作，以上所有动作由1台PLC控制。

图2 静叶控制系统工作原理示意

2）影响因素分析。从图2可以看出能够影响静叶油缸开度的因素有三个方面：自保阀油路、比例阀阀位控制油路、手操阀油路。由于手操阀油路在静叶控制系统中不起作用，已经被截止阀截断，因此能够影响静叶开度的只有自保阀油路和比例阀油路。

3）故障过程分析。从静叶控制系统工作原理出发，一般静叶锁位失效首先考虑是自保阀或比例阀泄漏造成，但比例阀泄漏前提是自锁阀故障或液压单向阀V1/V2故障，对比其他故障及相关记录，该故障最大的特点是故障时间非常短，从锁位因素出现到风量下降到防喘振阀打开只用了不到60 s，到安全运行也只用了130 s，而之前曾发生过的自保阀泄漏，整个故障过程持续了1个多小时，该故障发展速度很难用比例阀和自保阀泄漏解释。

通过实验测试，2018年6月9日在确认自锁成立的条件下实验测试静叶开度保持时间超过1 h，在相同条件下强制解除自锁功能，实验测试比例阀和自保阀综合漏量对静叶开度的影响在30 s内达到1.17%，推算静叶开度由69%降至37%需要14 min以上，实验表明单纯比例阀和自保阀泄漏不能造成静叶2 min内关闭，静叶2 min内关闭必须自锁阀未能动作、比例阀保持一定开度不变两种情况同时出现。

4）故障原因确定。当静叶单向关闭、自锁阀不动作、比例阀保持一定开度不变三种情况同时出现时，即可确定为控制系统故障。最初疑似PLC故障，但始终未发现证据。直到2018年6月9日下午在现场操作面板显示SP与PV完全一致的情况下却不能投入自动，现场测试PLC AI端子电流与操作面板指示一致，接入PLC手操器发现CPU内部数据与扩展模块AI端子电流值完全不同，但CPU模块中的DI/DO与手操器读取信息一致，最终确认为PLC故障。

分析静叶控制柜接线发现，静叶开度指令SP值、静叶实际开度反馈PV值及比例阀控制AO值均由控制系统PLC扩展模块接入，PLC扩展模块通信短时中断，CPU无法读取到SP，PV等数据，也无法向AO发出命令。由于自保输入输出信号自CPU主模块接入未受到通信故障影响，因此事故当时自保联锁正常。

局部放大故障发生前后记录曲线，故障发生前静叶控制系统处于一个比较规律的微调状态，静叶开度反馈信号PV值始终在围绕SP值在不断的微弱调节，PLC故障出现时恰好为关闭命令方向，通信故障导致关闭命令保持，静叶匀速关闭，同时在PV与SP偏差大于4%的预设值时，CPU未能得到信息发出自锁保位的命令，符合事件发生时静叶匀速关闭的现象。

PLC故障时比例阀处于微关命令位置，导致该次故障发展速度远大于单纯液压件渗漏引发的故障情况。综上确认PLC扩展模块通信故障为该次事件根本原因。

4 结束语

对于关键的控制系统，不建议采用现场非冗余PLC模式控制，由于该PLC为非SIL认证系统，直接影响整个控制回路的可靠性，下一步将要求厂商研究将现场PLC程序移植到机组CCS和冗余化设计方案，提高控制系统可靠性。