氮气压缩机透平转速波动原因分析及应对措施

毛大军

（呼伦贝尔金新化工有限公司，内蒙古呼伦贝尔 021506）

0 引 言

呼伦贝尔金新化工有限公司“50·80”项目（500kt／a合成氨、800kt／a尿素）配套36000 m3／h空分装置是公用工程中的重要单元，不仅为全厂提供仪表空气、工厂空气，而且肩负着为下游生产系统提供合格氧气和氮气的重任。生产系统所用氮气主要分为低压氮气和中压氮气，正常情况下直接从空分精馏塔下塔顶部抽一股低压氮气，经高压主换热器复热后，再经低压氮气管网送至下游系统；当外界使用低压氮气的量较大时，中压氮气通过减压阀为低压氮气管网自动补充部分低压氮气。

从精馏塔下塔顶部抽出的氮气进入过冷器，分别经高压主换热器和低压主换热器复热后，送至离心式氮气压缩机（简称氮压机）入口，由氮压机升压至3.7MPa后送出（主要用作原料及催化剂保护、置换气等）。氮压机由汽轮机（透平）、低压缸、高压缸、齿轮箱组成，汽轮机为凝汽式 （由杭州汽轮机股份有限公司制造）。氮压机透平-压缩机综合控制系统（简称ITCC），选用美国TRICONEX 公司的TRICON TS3000控制器对机组进行控制和保护。

1 氮压机透平转速调节原理

氮压机透平上共有6支磁感应转速探头（如图1），3支进ProTech203超速保护系统，专门用于氮压机超速保护；另外3支探头进入ITCC控制系统参与转速控制。参与转速调节的3个信号，SE01662和SE01663直接进入ITCC控制系统的脉冲卡件；SE01661则先经过现场转速表，由现场转速表转换成4～20mA模拟量信号后再送至ITCC控制系统，同另外2支探头（SE01662和SE01663）转速信号一起选取中值参与汽轮机的转速控制，与目标转速设定值比较，然后由转速调节模块运算后输出相应的电流信号。现场电液转换器接收到转速调节的电流信号后，将模拟量信号转换成对应的油压信号，控制油动机油缸内的活塞动作，再通过杠杆系统操纵调节汽阀的开度，从而控制汽轮机的转速。

图1 氮压机透平转速探头分布示意图

1.1 电液转换器的工作原理

电液转换器由福伊特公司生产，采用24V直流电，由电磁控制部分和液压部分组成。4～20mA的给定电流信号在控制磁体中产生一个磁力，经推杆传递给控制活塞，将电流信号转换成相应的液压信号作为反馈值，用来控制汽轮机调节汽阀的阀位。

电磁控制体向控制活塞提供磁力FMag，然后又抵消由输出油压A通过控制活塞中心通孔而产生的液压力FHydr。执行器的输出油路一直拥有所需的油压和油量，从而精确控制调节汽阀的阀位。

氮压机组上使用的电液转换器型号为DSGB07112，带手动旋钮，其设计参数见表1。在无电的情况下，弹性挡圈从旋钮上去掉后可由手动控制旋钮来操作，顺时针旋转输出压力增加。W＝4mA分压计X0和W＝20mA分压计X1分别用于最小输出压力和最大输出压力的调整。

表1电液转换器设计参数

1.2 调节汽阀的工作原理

调节汽阀的作用是按照控制单元的指令改变进入汽轮机的蒸汽流量，以使机组受控参数（功率或转速、进汽压力、背压等）符合运行要求。调节汽阀主要由调节阀、传动机构和油动机三部分组成。其中，调节阀包括阀杆、阀梁、阀碟及阀座等；传动机构由支架和杠杆组成；油动机为断流双作用往复式，主要由油缸、错油门、连接体和反馈机构组成，是调节汽阀的执行机构，它将电液转换器输入的二次油压信号转换为有足够做功能力的行程输出，以操纵调节阀，控制汽轮机进汽量。

1.3 调速系统液压控制原理

调速系统液压控制原理如图2。电液转换器将4～20mA的电流信号转换成0.15～0.45MPa的二次油压信号后，液压油经单向节流阀节流后进入油动机错油门，油的流向由错油门滑阀控制；在稳定工况下，滑阀下端的二次油作用力与上端的弹簧力相平衡，使滑阀处在中间位置，滑阀凸肩正好将中间套筒的油口封住，油缸的进、出油路均被阻断，此时油缸活塞不动作，调节汽阀的开度保持不变。当工况发生变化，比如出现转速降低或升高时，二次油压C将升高或降低，滑阀的受力平衡改变使滑阀上移或下移，于是，在动力油P通往油缸活塞上腔的油口被打开的同时，活塞下腔或上腔与回油口T接通，因此活塞下行或上行，使调节汽阀开度增大或减小，进入汽轮机的蒸汽流量增加或减少，机组转速增大或降低；同时，随着活塞的下行或上行，通过反馈杠杆的动作使错油门弹簧的工作负荷增大或减小，当作用在滑阀上的二次油压力与弹簧力达到新的平衡时，滑阀又恢复至中间位置，机组也就在新的工况下稳定运行。

图2 调速系统液压控制原理示意图

2 氮压机透平（汽轮机）转速大幅波动事故简况

2013年10月20日09：05，氮压机开车，在1000r／min和4650r／min升速暖机时，调节汽阀开度均在40%左右；升速完成后，汽轮机进入正常工作转速，当日16：00左右，汽轮机转速出现大幅波动，波动幅度超过1000r／min，调节汽阀开度在15% ～73%之间大幅波动；随后主控（人员）采取了紧急停车，现场人员检查发现，就地仪表盘上的二次油压未出现波动的情况下调节汽阀的开度却在不断地变化。

3 氮压机透平转速波动原因分析及排查

3.1 汽轮机转速波动的常见原因

（1）油路系统方面。主油泵打量不足而控制油压力较低，且辅油泵未自启动；回油管线有压力，蓄能器未正常投用；润滑油、控制油管线较脏，润滑油、控制油不洁净使控制油路（管线）堵塞而油压不稳定。以上原因均可能引起汽轮机转速波动。

（2）蒸汽系统方面。高压蒸汽管网设计压力9.3MPa、温度525℃，高压蒸汽管网必须提供足够的蒸汽流量来保证氮压机的运行，否则会引起汽轮机转速波动。

（3）工艺气量波动。实际生产中，氮压机四段出口压力放空调节阀（PV01659）阀位如果出现大幅波动，或者空分冷箱送至氮压机入口的氮气流量出现大幅波动，以及氮压机送外界的中压氮气流量出现大幅波动，均可能引起汽轮机转速波动。

（4）电液转换器故障。电液转换器工作时供电不足；或者电液转换器控制电流扰动；或者液压部件进入了空气、灰尘、颗粒等，被污染的压力流体引起控制活塞处摩擦增大，出现动作滞后现象及压力的变化，导致二次油压不稳定，输出压力出现巨大波动。以上原因均可能引起汽轮机转速大幅波动。

（5）ITCC控制系统方面。控制系统自身方面的原因如控制器出现故障、脉冲卡件异常，或汽轮机转速调节的PID参数设置不正确、控制不稳定，将导致调节汽阀开度波动，进而引起汽轮机转速波动较大。

（6）转速探头故障。汽轮机上3支进入ITCC控制系统的转速探头 （SE01661／01662／01663）若出现了故障，致转速测量不准确，就会误导ITCC系统的控制，从而导致调节汽阀开度波动较大，不能稳定控制汽轮机转速。

（7）机械松动。调节汽阀上的反馈杠杆、调节螺钉、杠杆等松动，或这些连接处的间隙变大，将导致调节汽阀动作不灵敏，引起汽轮机转速波动。

（8）调试方面。停车检修后，未对调节汽阀的行程做静态调试，可能导致调节汽阀开度与控制系统上的输出值不对应，或者出现调节汽阀动作不顺畅等问题，引起汽轮机转速波动。

（9）单向节流阀油路不畅。单向节流阀实际上是由节流阀和单向阀并联在一起组合而成的复合阀，主要由阀芯、阀体、阀体盖、螺纹杆、手轮、弹簧和丝堵组成，其节流面积的大小是靠手轮来调整的，如果调整不合适，或者单向节流阀安装方向不正确，将会导致进入油动机的二次油压不稳定或者回油不畅，进而引起汽轮机转速波动。

3.2 排查过程

汽轮机转速出现波动后，对现场设备进行了仔细检查，并结合ITCC画面上各仪表测点的趋势图分析，润滑油泵出口压力一直保持在1.05 MPa左右、油温在40℃左右；控制油压力正常，在0.87～0.92MPa之间；查看DCS操作画面，高压蒸汽的压力、温度无大的波动，均属正常，蒸汽流量也满足要求；现场仪表盘上的示数，油压和蒸汽流量方面均无问题。

2013年10月20日氮压机开车，机组转速升至6500r／min时，防喘振阀（FV01657）开度25%，放空阀（PV01659）开度在60%左右，氮压机一段入口压力106kPa（A）、出口压力3.7 MPa，当时各装置处于大修期间，外界氮气用量非常少，由此排除了因工况波动而致汽轮机转速波动的可能。

ITCC机柜内的硬件设备运行正常，无任何报警信号，转速控制的参数设置也没有问题，控制系统输出阀位与现场二次表油压示数吻合，电液转换器无问题。从现场转速表和ITCC操作界面上看到的3支探头转速及ProTech203超速保护系统上显示的3支探头转速来看，6支转速探头的测量值均相同，表明转速探头无问题，转速为真实值。

在检查现场设备的同时，充分调取了之前的开车数据：氮压机在1000r／min升速暖机时调节汽阀开度在20%左右，在4650r／min升速暖机时调节汽阀开度在40%左右；从2013年10月20日氮压机的开车情况来看，氮压机在1000 r／min和4650r／min暖机时，调节汽阀开度基本上均在40%左右，但有一段时间ITCC系统输出至调节汽阀开度由40%降至24.05%，这表明氮压机在开车时就出现了异常。接下来的排查工作主要是检查电液转换器至油动机二次油管线、调节汽阀等设备方面的问题。

在工艺人员进行紧急停车后，现场检查二次油压未出现波动，调节汽阀上的各连接件未出现松动、卡涩或间隙过大等问题，但调节汽阀开度在不断地变化，存在二次油路回油不畅的问题。从电液转换器出来进油动机的二次油管线上只有一支单向节流阀，安装在靠近油动机错油门的二次油管路上，它既能控制液压油只向一个方向流动，又能控制液压油流量的大小，以扼制、衰减二次油路中出现的压力波动，使错油门不受干扰地稳定工作。单向节流阀的结构如图3。当液压油从单向节流阀P1端孔进入阀体内时，流量受到限制，起到节流作用，流量的大小由手轮调节锥形阀芯与阀体间隙的大小来控制；当液压油从P2端孔进入阀体内时，在液压油的作用下，阀芯压弹簧下滑，此时阀芯位置不起节流作用，使液压油不受节流阀限制而自由通过，只起单向阀作用。单向节流阀在此处的作用主要是稳定进入油动机的二次油压，而回油时让油动机内的二次油快速返回。因此，单向节流阀的安装方向非常重要，一旦装反，不仅起不到应有的作用，而且还会因进油过快、回油受阻（当电液转换器的二次油自下而上进入油动机时，单向阀是打开的，二次油将迅速进入油动机内，根本起不到稳定二次油压的作用；而回油的时候，单向阀关闭，仅靠节流孔的流通面积来回油，回油速度将受到严重的影响，不利于快速减负荷），直接影响调节汽阀的动作情况，造成汽轮机转速出现大幅波动。

图3 单向节流阀结构示意图

通过排查，最终确认是现场进油动机的二次油管线上单向节流阀装反，导致油动机的活塞不停地上下动作，带动调节汽阀的阀杆一起动作，从而造成汽轮机转速的大幅波动。

4 应对措施

确认进油动机的二次油管线上单向节流阀现场安装方向不正确（装反）后，调换单向节流阀的安装方向，并按要求调整单向节流阀手动旋钮的开度，使之符合油动机的升程。同时，为了更好地监控电液转换器二次油压的输出情况，对二次油管线进行了技改，即在单向节流阀后新增1块二次油压远传压力监测仪表，仪表带液晶显示表头，可在现场直接读取二次油压的准确数值，并在ITCC画面上添加了此二次油压的趋势记录，从而可为快速、有针对性地解决有关问题提供准确的参考依据。

5 经验教训

（1）每次停车大修，需检查氮压机透平调节汽阀各连接杠杆、连接螺栓是否松动，连接件的间隙是否变大等；开车前，须对汽轮机调节汽阀做静态测试，通过ITCC控制系统中输出的电流信号，检查现场调节汽阀开度是否正确，并做好记录；对调试中出现的问题（如主控输出信号与现场阀位不对应，调节汽阀动作不畅等）及时分析、及时处理，并重新调校至合格。

（2）要对每次氮压机开车汽轮机升速过程中的参数做好记录，如果相较于之前开车时的数据有较大变化，需加强分析，及时查找原因，将事故掐灭在萌芽状态，避免损坏设备，确保系统的安全、稳定运行。

（3）加强油系统的维护，定期清洗或维修油过滤器滤网，提高油系统的清洁度；在电液转换器输出油压管线上增设远传压力监测仪表后，在ITCC控制系统中直接调取其趋势记录，可以很方便地知道二次油压是否存在波动，有利于判断电液转换器工作是否正常，这对电液转换器液压部件的清洗也具有指导意义。

（4）现场进油动机的二次油管线上一个看似简单的单向节流阀，其错误安装对设备造成如此大的影响，这提醒我们需在施工、检修中的每一个环节认真检查、仔细确认，不放过任何一个细节，这样才能确保设备的良好运行。