汽轮机零转速跳变故障分析与解决

韦靖博

（安徽晋煤中能化工股份有限公司，安徽 阜阳 236400）

0 引言

安徽晋煤中能化工股份有限公司600 kt /a合成氨原料路线调整节能技术改造项目，包含锅炉、空分、气化、净化等主要工艺流程。其中，空分装置采用低温精馏工艺对空气进行分离，为下游工序提供N2和高纯度产品O2。空分装置配套德国曼（MAN）54000 m3/ h空压机组，由原料空压机、汽轮机和空气增压机组成，空压机组采用TRICON TS3000控制系统，并配套机组自有超速保护集成控制机柜（以下简称TSC）实现机组安全行车、调节控制、运行监控。汽轮机共有6个转速探头绕转子呈扇形固定安装，用以对转子转速进行实时监测和机组安全行车控制，其中3个接入TSC实现汽轮机超速保护控制，另3个接入空压机组控制系统机柜，在盘柜中经接线端子排转接后将转速信号接入脉冲输入（PI）3511型卡件，经软件组态后在监控画面中显示，其位号分别为SI1011A、SI1011B、SI1011C（以下简称转速A、转速B、转速C）。

1 故障现象

项目调试期间，在空压机组系统机柜上电，转速测量回路完成调试后，上位机监控画面中发现转速A、转速B、转速C 3个测点每隔一段时间均会出现不定期无规律大范围跳变，表现为转速测量值从零转速快速向大数值变化并再次回到零转速的现象，通过历史趋势查阅发现系统上电即转速探头带电检测后，即出现该故障现象。

空压机组控制逻辑中，汽轮机转速调节参数为实际转速（SI1011），是转速A、转速B、转速C三者测量数值取高值后的运算结果。各转速点测量数值偏差上限为50，大于或等于该值后延时1s后进行转速偏差报警；汽轮机超速保护设定值为5760r/min，当实际转速大于或者等于该值后，汽轮机超速保护跳车。转速同样也是汽轮机主蒸汽阀门调节的主要参考依据，直接关联上游锅炉蒸汽外供调节控制，汽轮机转速无疑是空压机组控制逻辑核心调节参数，正常运行转速设计值为5075 r/min，机组运行时转速出现任何波动都是无法容忍和接受的。这个问题无法解决，后面的调试工作和开车试车工作都无从谈起，汽轮机零转速跳变问题必须解决。

2 故障排查

机组处于停运状态，可以首先排除因汽轮机主蒸汽阀门故障而导致的转速实际波动，或者因为汽轮机运转振动导致的转速探头测量波动。因此，决定从盘柜屏蔽接地、信号传输线缆、转速探头、PI卡件等逐一进行故障排查[1]。

2.1 屏蔽接地及线缆排查

由零转速跳变现象容易得出此故障大概率是受外部干扰影响进而触发的，初步怀疑是屏蔽接地不规范或者传输线缆破损引入外部干扰造成，通过检查发现机柜工作地和保护地进行了独立区分并通过两个接地铜排分别引入到机柜，系统采用线缆屏蔽在控制机柜单端接地方式，各接地点紧固牢靠。经仪表测量接地电阻为3.4Ω，屏蔽接地良好。为了排除信号传输线缆中间部位损伤，导致屏蔽层破坏或传输线缆裸露等原因造成的外部干扰情况，将原有线缆废弃，使用新备用线缆重新将3个转速信号接回到控制机柜，屏蔽接地方式不变。在经过一段时间的观察后发现零转速跳变现象仍在持续，故障现象和线缆更换之前一致，进而初步排除此故障是因为屏蔽接地不符合要求或者信号传输线缆破损造成的。

2.2 转速探头排查

为排除转速探头因安装不牢固或自身质量缺陷在受外部杂散磁场影响时而形成测量值无规律跳变，采取两个措施：第一，打开汽轮机对转速探头进行检查，经检查6个转速探头外观均无受伤痕迹，且安装距离合适，装配牢靠无松动；第二，将转速A、B、C 3个探头信号线从原位置拆除，将原接入TSC的3个转速拆除后分别接入控制柜转速A、转速B、转速C的通道位置。在观察后发现上位机中3个转速测点跳变现象依旧存在，可得出6个转速探头在这3个通道位置上都出现了零转速跳变现象，6个转速探头同时存在质量问题的概率较小。且转速探头基于霍尔效应原理，是具有双霍尔传感器的差分型转速探头，其型号为德国布朗（BRAUN）A5S15-10836832，相较于磁感应或单霍尔型传感器，此类速度传感器不易受外部杂散磁场和机器振动的影响，宜适用高精度和高可靠性的应用场合[2]，因此从现有条件可以排除因转速探头故障而造成该现象发生。

2.3 PI卡件排查

在对PI卡件功能性故障进行排查时，决定对卡件进行更换处理。为避免替换卡件存在问题，决定从其他可以正常稳定进行转速检测显示的系统机柜中拆卸相同功能类型的3511卡件进行替换，系统同一卡件位置有左右两个卡槽，运行卡件放置在一个卡槽，另一个卡槽处于热备状态。卡件更换时只需将同类型卡件插入热备空卡槽，系统会自动切换两个卡件状态，待新插入卡件正常运行后即完成卡件更换工作，无需其他操作。在对卡件进行更换处理后，零转速跳变问题依然没有得到解决。

3 故障原因分析

在转速探头排查时知，转速探头是基于霍尔效应原理进行转速检测的。霍尔效应是指导电材料（通常为半导体）中电流与磁场相互作用，而产生电动势的一种效应[3]。如图1中，在霍尔效应基础上制成的霍尔半导体元件被置于磁场中，在元件两端通以控制电流I，并在元件的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为UH的霍尔电压。对霍尔元件中电荷受力情况进行分析知，电荷在匀强磁场中受到洛伦兹力，同时也会受到电场力，最终电场力和洛伦兹力达到平衡，从而可以推导得出霍尔效应的核心公式[4]：

图1 霍尔效应示意图Fig.1 Schematic diagram of hall effect

其中：RH为霍尔系数，与霍尔半导体材料有关；d为霍尔半导体材料的厚度；则RH和d为固定常数；霍尔电压UH与磁感应强度B和控制电流I成正比例关系。

转速探头使用霍尔传感器为脉冲型，也称霍尔开关。当霍尔传感器所处的磁场发生变化时，磁通密度也随之发生变化；当磁感应强度B高于导通阈值，霍尔传感器输出管导通，输出低电平。随着磁感应强度增加，导通态保持。若磁感应强度B降低到关断阈值，输出管关断，输出高电平。导通阈值与关断阈值间存在差值，可有效提高霍尔传感器的抗干扰能力[5]。具有双霍尔传感器的差分型转速探头其检测结构原理如图2，转速探头中有两个霍尔传感器，在齿轮旋转过程中，两个霍尔传感器都能感应到周围磁场的变化，进而输出脉冲信号，且两个霍尔传感器输出的脉冲信号始终存在固定相位差[6]，对两脉冲差值信号处理后进行频率量输出，其频率与磁场变化的频率是一致的。

图2 转速探头检测结构原理图Fig.2 Schematic diagram of speed probe detection structure

在对可能引发零转速跳变因素的逐一排除和对转速探头测速原理的深入了解后，初步判断故障现象是转速探头电源回路中引入干扰源造成的。对转速探头电源回路进行了排查，发现转速探头与系统盘柜通过线缆进行三线制连接，其分别为探头电源、转速信号、公共参考，转速信号接入PI卡件，探头电源则是由系统柜内一对冗余24V开关电源并联解耦后提供。最终通过分析，判断汽轮机零转速跳变是由于系统柜直接为转速探头提供24V电源，因而其内部霍尔传感器电源回路没有与系统柜电源间采取有效隔离措施，从而将电源中变频器产生的高频分量引入到传感器电源回路中造成高频传输干扰，进而触发该故障现象。

4 问题解决

为进一步验证故障现象原因分析和解决问题，需在转速探头电源回路中增加有效隔离器件，用以给现场转速探头提供隔离电源。通过资料查阅和不同方案对比分析，最终采用分别在3个检测回路中增加德国布朗（BRAUN）D461.21-97002019型隔离栅的方案。该型号隔离栅电源、输入和输出相互隔离，为危险区的现场仪表提供隔离电源，对供电回路断路、短路情况进行有效监控，危险区仪表产生的频率信号通过安全隔离栅传输到安全侧输出，输入采用滞回比较电路，具有较高的抗干扰性能，通过内置光电耦合器将输入信号与后续电路进行隔离，可与产生两脉冲的双路型传感器建立本质安全电路。

如图3是隔离栅与转速探头接线示意图。隔离栅与转速探头进行三线连接，为转速探头提供稳定的隔离电源并将脉冲信号采集输入，信号在经过光耦隔离电路后输出。安装隔离栅后，通过上位机监控软件对3个转速进行持续监视，未再发现零转速跳变现象，验证了对故障原因的分析判断，并从根本上解决了汽轮机转速故障问题，保证了后续项目调试工作的正常进行。

图3 隔离栅与转速探头接线示意图Fig.3 Wiring diagram of barrier and speed probe

空压机组自项目开车投运以来，已正常稳定运行两年有余，汽轮机转速未再发现有转速波动现象，通过回路增加隔离栅的方式从根本上解决了零转速跳变问题。图4为D461型隔离栅在空压机组控制柜中的使用情况。

图4 D461隔离栅在控制柜中的使用Fig.4 D461 Barrier used in control cabinet

5 结语

在处理解决问题过程中曾使用国产同类型安全隔离栅进行验证，在隔离栅使用期间未监测到零转速跳变现象，最终因其他原因未使用，但国产同类型隔离栅较国外产品具备较大经济竞争优势。在其他项目现场也曾出现同型号转速传感器因回路中未加装隔离栅，而出现转速信号无法检测到的现象。

转速是汽轮机核心控制参数，即使是小范围的波动同样不被允许。文中零转速跳变问题虽最终通过在转速测量回路中加入隔离栅的方式被解决，但在解决问题过程中因方法验证需较长时间，一定程度上影响了项目进度，故此希望文中故障问题解决方法能够为其他装置现场处理类似问题提供一定借鉴意义。