9FA燃机GCV3燃料控制阀不跟随指令故障分析与处理

中山嘉明电力有限公司 黄耀文

1 引言

燃料控制阀用于控制燃机燃烧系统的燃气流量，其动力由液压缸驱动，液压缸上装有弹簧可在失效状态时关闭阀门，起到安全保护作用。燃料控制阀的阀芯外形经过特别设计，使阀门流通面积与阀芯行程成比例关系，同时其流线型阀芯和文氏管阀座，使其具备压阻低、压比高的高压恢复功能。高压恢复设计能够让在阀门供应压力低的情况下，实现临界压力运行，其优点是阀门的流量与阀门进气压力及阀门流通面积呈函数关系，而与阀门的压力损失无关。运行时阀门的开度大小由控制系统控制，所供应燃气按一定的百分比分配给每路燃气通道，燃料分配比由燃烧运行模式及其基准温度控制[1]。

根据燃烧系统的不同有两种不同的阀门类型，一种是标准压损设计（标准燃气控制阀），另一种是低压损设计（低压损燃气控制阀）。两种设计都具有线性流量特性，即便在低压比的情况下也不会受到阀门出口压力的影响。某GE 9FA 燃机在DLN2.6+改造时，燃料控制系统的阀门同步改造为低压损型，与标准燃料控制阀相比，会使燃料喷嘴的压比更稳定，能够进一步降低阀门的压损，从而提升燃烧系统的可靠性。

2 事件经过

2017-2019年，二期GE 9FA 燃机在进行了燃烧器DLN2.6+改造后多次发生机组启动并网燃烧模式切换时GCV3燃料控制阀不跟随指令跳机，系统报警均为“GCV3 TRACKING FAULT-HIGH HIGH ERROP TRIP”（即燃料控制阀基准值和反馈值的差的绝对值大于5%，延时5S，机组停运）触发机组主保护动作，机组跳闸。缺陷发生后仪控专业立即对阀门进行静态和充氮气模拟动态开关试验，均为正常，重新启动机组并网历次也都正常。统计发现该故障具有一定的随机性，未找到明显的关联点。

3 原因分析

3.1 燃料控制阀组模块介绍

该公司9FA 燃料模块在DLN2.6+改造后的布置如图1所示。阀组的动力来自同一个液压油系统，通过伺服阀控制开关位置。根据控制顺序，开机点火时启用D5支路，在升速过程中D5退出，PM1、PM2投用直到并网带负荷，当负荷达到一定值，温度匹配满足要求时，燃烧模式切换PM3投入使用。

图1 燃料控制阀组模块

3.2 原因排查

3.2.1 伺服阀故障

2017年2月22日#4机第一次发生该缺陷后，技术人员初步判定为伺服阀故障导致阀门拒动，随后更换了伺服阀，但过了两周，#4机组陆续出现了该故障。一般情况下伺服阀不会如此频繁出现故障，因此排除了伺服阀问题。

3.2.2 液压油油质

2017年3月5日和7日，#4机接连发生3次同一原因引起的跳机。此时分析认为是液压油油质存在问题，伺服阀动作时存在一定概率使颗粒物堵塞伺服阀导致卡涩。停机后更换了伺服阀，对液压油进行滤油并进行化验，结果显示指标均在合格范围内，查阅前几个周期的化验结果，未发现超标数据。#4机在之后的几个月内都未发生同样情况，因此排除油质引起的缺陷，在2017年8月26日#3机组上出现了同样故障，排查跟踪油质数据，无明显劣化趋势，而且在不同的机组中均发生，因此也排除了液压油油质存在问题。

3.2.3 阀门安装工艺

由于#4机接连发生几次故障都找不到原因，因此认为是#4机的GCV3阀门存在质量缺陷，在排查油质的同时，3月7日发生故障后决定更换该阀门。旧阀门在拆除过程中发现法兰孔存在磨损如图2所示，怀疑阀门安装存在应力，阀体刚度不够会产生变形，导致阀杆被憋住增加摩擦的可能性。因此在更换阀门时严格控制回装质量，法兰圆周和张口控制在0.5mm内，保证阀门不存在扭曲。2017年8月26日，在#3机组出现故障排除了液压油问题后，阀门的安装变成了重点怀疑对象，重新拆装了#3机组的GCV3阀。但在2018年6月12日#3机上缺陷再现。因此，阀门的安装可能是原因之一，但不是根本原因。

图2 阀门法兰孔磨损

3.2.4 阀组的位置布置

考虑到二期两台机组存在共性问题，技术人员对阀组间的布置形式展开调查分析，发现阀组罩壳的呼吸口在靠近GCV1和GCV3的位置，如图3所示。GCV3阀是机组并网后切换燃烧模式时投入，机组运行已近半个小时，阀体入口温度基本接近燃气的185℃。但因为阀门的一侧正对呼吸口，在罩壳风机的作用下有持续不断的冷却空气灌入对阀体进行冷却，可能出现阀门因为前后受热不均导致阀芯和阀体不同心而卡涩的现象。而GCV1阀即D5燃料是机组启动就开始投用，投入时间较短，且初始温度相对较低，因此GCV1不会出现上述现象。为了验证该想法的可能性，在罩壳呼吸口后、GCV3阀前设置了一个导流板，将冷空气发散导流至四周，避免直吹GCV3阀，同时对阀体部分增加一层保温，降低温度对阀体的影响[2]。

图3 阀组间正对GCV3阀门的呼吸口

在对两机组采取以上措施后，设备稳定运行了几个月后，2018年10月1日和2018年12月28日，两台机又分别再次出现了不跟随导致跳机的情况。由此可见，分析得出呼吸口的原因验证失败。

3.2.5 阀门结构问题

针对GCV3阀门的不跟随现象，为进一步了解故障原因，排除阀体卡涩可能性，对#4燃机在2017年多次出现过故障的GCV3阀运送至阀门维修工厂进行解体检查。解体后发现阀芯密封线有偏移和磨损如图4所示，该现象与阀门法兰孔有受力摩擦的情况相对应，可能存在安装不正确导致外部应力作用于阀门发生变形。在深入拆检伺服阀、跳闸阀、滤网等液压缸附件时，未发现有堵塞和脏污物，再次排除伺服阀故障和油质不合格因素的影响[3]。

图4 阀芯密封线错位和碰磨

阀门解体虽然未发现有明显的卡涩原因指向性，但值得注意的是，燃料控制阀油动机的受力面积比较小，阀芯各部件如图5所示。液压缸的作用面积S'=S（R'，r'），而阀门开启需要克服天然气压力对应的面积S=S（R，r）,从受力角度分析，阀门启动力F开=（P油压×S’）应大于F合力=（P2×S+弹簧力+阀杆摩擦力）。从实际测算的数据中可知，启动力F开与F合力基本相当，处在临界值，若轴向密封件中积存的微小颗粒跟阀杆发生摩擦增加阻力，或阀杆与密封件相对长时间不动作，发生相对运动改变初始状态需要克服惯性力，或油管有油泥对油压产生节流等，都可能会导致启动力不足，难以克服阻力，进而发生不跟随指令的故障。针对以上分析，专业人员将液压油压力提高至规范上限1500PSI，同时在启动前增加阀门活动试验，减少密封件与阀芯的吸附力。采取上述措施后，经过近3年的持续跟踪，机组启动700多次再未出现以上故障，故障已基本消除。

图5 阀芯部件

4 处理措施

结合上述分析验证过程，处理燃料控制阀拒动的主要措施有以下几点。一是检查伺服阀，排查伺服阀故障。二是检查液压油质，这是造成伺服阀卡涩的主要原因。三是检查阀门的安装质量，排查是否存在野蛮施工造成阀门变形导致摩擦阻力增大。四是提高液压系统油压，检查油管是否存在沉积物堵塞节流，本次处理过程中提高油压后缺陷已消除，可在阀门进口处增加就地压力表，检查液压油管道是否有阻塞。五是增加启动前的活动试验。六是解体阀门，检查阀芯是否有卡涩。

5 结语

燃料控制阀是燃料系统的重要组成部分，运行中只要出现故障，基本都会导致机组非停。因此设备的日常维护显得较为重要，液压缸和伺服阀结合计划检修做定期保养是一个重要的环节，平时也需要时刻关注液压油的品质，一旦受到污染，则整个系统的阀门安全运行都受到威胁，因此必须严格把控。另外针对设计裕量是否足够的问题，需要跟厂家进行进一步的交流探讨，对于重要阀门，能否适当放大安全裕度重新选型。