Solar T60 型燃气轮机喘振故障的排除

杨福海

（中海石油（中国）有限公司深圳分公司，广东深圳 518000）

0 引言

燃气轮机是用于驱动发电机、压缩机、泵和其他外在设备的动力设备。燃气轮运行稳定、效率高，且机组结构紧凑、占地面积小、重量轻，已在海上平台和陆地天然气终端大量应用，成为保障油田、天然气终端稳定生产的关键设备。但由于燃气轮机本身结构和逻辑控制复杂，自动化程度高，对设备维修人员提出了更高的技术要求。除日常维护维修外，排除难度较大的故障，要求维修人员能够快速、准确、高效地解决问题，及时恢复电网供应，保障油田的稳定生产。

1 Solar T60 型透平燃气轮机喘振故障案例分析

某海上平台Solar T60 型燃气轮机在完成机组冷洗工作后，启动机组准备进行并网，然而在启动过程中出现异常，机组现场出现振动并伴随低沉的“怒吼”声，维修人员紧急关机，使透平启动中断，现场出现透平关机报警，并触发延时锁定系统。从机组现场的振动、声响以及人机界面显示器上透平T5 温度忽高忽低的变化，以及机组转速不能持续上升的现象来判断，初步认定机组在启动过程中发生了喘振现象。喘振是压气机的一种不稳定工作状态，在喘振状态下，压气机中的气流发生大幅度的轴向振荡，同时还会伴随着低频“怒吼”声响，使机组产生强烈的振动，这种现象通称为喘振现象。当压气机发生严重喘振时，往往会导致压气机叶片断裂，从而可能进一步演变成灾难性事故。在透平机设计中，为了防止发生喘振，都会采取一些防喘振措施，包括安装IGV（Inlet Guide Vanes，可转进气导叶）、防喘放气阀（Bleed Valve）和采用双转子压气机等。Solar T60 型燃气轮机采用了可转进气导叶和防喘放气阀两种防喘振措施。

1.1 喘振原因分析

当流经压气机的空气流量减少到一定程度而使压气机运行进入喘振工况时，整台压气机就不能稳定工作，此时空气流量就会出现波动（忽大忽小），压力出现脉动（忽高忽低）而发生喘振，严重时甚至会出现气流从进气口倒流出来的现象。通过对Solar T60 型燃气轮机的结构特点和启机过程中的逻辑控制分析，得出引起本次喘振现象的原因主要有以下4 个方面。

1.1.1 空气入口过滤器严重污染阻塞

Solar T60 型燃气轮机空气入口过滤器由两级组成，第一级为滤棉型过滤器，第二级为圆筒形纸质过滤器。在机组运转时，第一级过滤器会过滤掉空气进气中较大的灰尘颗粒、油气和水分，同时过滤器表面会逐渐发黑、表面的附着物成轻微泥巴状，使得过滤器通透性下降，引起进入压气机的空气流量降低。因此，需要及时更换过滤器。第二级过滤器过滤更小的灰尘颗粒，进一步净化进入压气机的空气质量。在过滤器下游和大气之间安装了过滤器压差变送器，当压差达到5 英尺水柱时，变送器触发压差高报警；当压差达到7 英尺水柱的上限时，变送器触发报警并使透平机组停机。二级过滤器更换周期为9000 h 或达到压差高报警值。当空气入口过滤器严重污染阻塞时，会使得进入压气机的空气流量严重下降，流量减少到一定程度会引起压气机喘振。

1.1.2 轴流压气机严重污染

当轴流压气机发生严重污染时，污染物大量附着在压气机叶片上，严重时将影响进入压气机的空气流量，使得压气机效率下降，性能曲线发生改变，流量降到一定程度时，将使压气机越过喘振边界线进入喘振工况，从而引发喘振现象。

1.1.3 可转进气导叶故障

在启机过程中或机组在低转速运行时（机组转速Ngp＜90%），可转进气导叶将处于“关”位，控制空气进入压气机的角度和流量，防止启机过程中和低转速运行时发生喘振。可转进气导叶由液控电磁换向阀、液压缸、连杆、拉杆等控制和驱动。当可转进气导叶发生故障时，如启机过程中，该“关”的时候“开”，就不能实现控制进气角度和流量的功能，也就不能起到防喘振作用，从而引起喘振现象的发生。

1.1.4 防喘放气阀故障

在启机过程中，防喘放气阀应处于“开”位（蝶阀全开），减小压气机背压，防止喘振的发生。防喘放气阀由摆动驱动器、液控电磁换向阀驱动和控制，当防喘放气阀发生故障时，如启机的过程中，防喘放气阀处于“关”位（蝶阀全关），则不能减小压气机背压，也就不能起到防喘的作用，从而引起喘振现象的发生。

1.2 故障排除方法

1.2.1 确定故障现象

通过机组现场出现振动并伴随低沉的“怒吼”声，以及人机界面上显示的T5 温度忽高忽低的变化和Ngp 转速不能持续上升的现象来判断，可以确定透平在启机过程中出现喘振现象。

1.2.2 确定相关的系统和零部件

引起喘振的主要系统和零部件为：空气过滤器、压气机、防喘放气阀、可转进气导叶及其相关的控制系统。而喘振在启机过程中出现，各相关系统和零部件状态就是需要仔细检查的主要方向。

1.2.3 测试

（1）空气过滤器是否太脏而造成进气流量过小的判断。实际运行中，该透平机组完成冷洗工作的同时，也更换了已经较脏的第一级进气过滤器，而第二级进气过滤器在线时间远未达到9000 h。再根据进气过滤器压差变送器显示数据来看，压差实际为2.2 英尺水柱，压差值在正常范围之内（0～5 英尺水柱），可以判断不是因为过滤器太脏而引起进气流量变小。

（2）压气机是否太脏使进气流量过低原因的判断。实际运行中，该透平机刚刚完成冷洗工作，从冷洗的效果看，压气机冷洗使附着在压气机表面的污染物大部分被清洗掉，压气机此时应处于“干净”的状态，因此可以判断不是因压气机太脏引起进气流量变小。

（3）根据PLC 逻辑判断。在启机的过程中（转速Ngp＜90%和发电机负载≤500 kW），此时防喘放气阀应处于“打开”状态，而可转进气导叶应处于“关闭”状态，如图1 所示。检查后发现，防喘放气阀状态符合逻辑，但可转进气导叶处于“打开”状态，不符合逻辑，说明可转进气导叶发生了故障。对可转进气导叶进行测试（得电“打开”，失电“关闭”），发现可转进气导叶不能按逻辑工作。

图1 可转进气导叶（IGV）和防喘放气阀（Bleed Valve）梯形图

1.2.4 确定故障点

测试结果显示，可转进气导叶不能按逻辑“打开”和“关闭”，根据其控制流程图，发现可能引起可转进气导叶不能动作的原因有：FS903-2 过滤器堵塞、L339 电磁液控换向阀失效、驱动可转进气导叶运动的液压缸CYL901 失效、可转进气导叶根部卡死在气缸上等5 种可能，如图2 所示。通过排查和测试，发现是由于电磁液控换向阀L339 线圈烧毁，导致换向阀不能按照控制逻辑动作，从而使可转进气导叶不能正常工作。

图2 可转进气导叶液压控制回路

1.2.5 维修后再次测试

从电磁阀线圈烧毁的情况来看，线圈已不能修复，更换新的电磁阀线圈，维修后测试电磁液控换向阀功能正常。

1.2.6 回装测试。

将电磁液控换向阀回装，启机测试，喘振现象消失，机组运行正常，顺利带载并网。

1.2.7 内窥镜检查

针对喘振故障，启机测试前还需要对压气机进行内窥镜检查，判断喘振现象的发生是否已对压气机叶片造成损伤。严重的喘振会造成压气机毁灭性的损伤，因此不能盲目启机测试。

2 燃气轮机常见故障的排除方法和思路探讨

由于燃气轮机本身结构和逻辑控制复杂，自动化程度高，掌握其原理、结构和各大系统功能，是故障排除的理论基础。而掌握一定的故障排除方法，是保障排故工作快速、准确、高效和降低维修成本的关键。

2.1 试错法或更换备件法

试错法或更换备件法，是一种常被对设备结构、辅助系统、控制系统不够了解的维修人员采取的故障排除方法，往往通过对疑似故障零部件的更换来达到解决故障的目的。但该方法解决故障速度慢、效率低、消耗材料备件花费大，且局限性大，在遇到比较复杂的、综合因素引起的故障问题时，往往显得束手无策。这种试错法显然不适合结构和逻辑控制复杂、自动化程度高的燃气轮机的故障排除工作。

2.2 燃气轮机的一般故障排除方法

结合案例分析过程，针对燃气轮机自身结构、控制等特点，总结其一般故障排除方法，其基本步骤可分为：判断故障发生的现象、症状和相关境况，确定相关的系统和零部件，进行测试，确定故障点，找出需维修的零部件，维修后再次对零部件进行测试，回装到机组系统启动测试等7 个步骤。在本案例中，首先结合现象、参数变化确定了启机过程中机组发生了喘振现象，找到相关系统和零部件，判断启机过程中该部件的状态，判断部件是否出现异常，再进行维修测试。系统化综合分析已成为故障分析和排除的一般模式，这种方式具有快速、准确、效率高等特点，符合燃气轮机一般故障排除的要求。

2.3 利用HMI（Human Message Interface，人机界面）

Solar T60 型燃气轮机配置有TT 4000 监控系统的人机界面（图3），能精确地显示机组各系统在停机、启动、并网、带负荷、脱网等状态下的主要工作参数，帮助相关人员监控、判断透平发电机组的状态，为维护、维修和故障排除提供很多的便利。

图3 人机界面透平机报警历史记录

2.4 利用PLC 逻辑控制系统

Solar T60 型燃气轮机采用RSLogix 5 PLC 控制系统（新机组多采用RSLogix 5000），可随时调取相关的PLC 梯形图，查看控制逻辑和设定点参数等相关信息，为故障排除提供详细的参考依据（图4）。

图4 Solar T60 型燃气轮机可转进气导叶、防喘放气阀控制逻辑

3 结束语

通过对Solar T60 型燃气轮机喘振故障的原因分析、故障排查和排除，总结并找出了适合结构和逻辑控制复杂、自动化程度高的燃气轮机较为科学的故障排除方法；明确了人机界面和逻辑控制的重要作用，拓宽了故障排除思路；能够快速、准确和高效地解决燃气轮机故障难题，快速恢复油田电力的供应，为油田稳定生产提供保障。一线维修人员应全面了解、掌握、熟悉燃气轮机的系统、结构和控制逻辑，努力提高自身技能，为油田稳定生产做出贡献。