解决Solar T60 透平发电机组启动过程中的转速波动问题

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

透平发电机组是保障油田稳定生产的关键设备，在正常生产过程中为油田提供了约15 000 kW 的电网，为各个采油平台提供生产动力。透平机有运行稳定、效率高的特点，同时充分利用平台自身生产的天然气作为清洁燃料，既节约了成本又不会污染环境。

1 问题

Solar T60 透平发电机组是通过外部电网，经VFD 变频器驱动透平启动马达带动机组盘车，透平机点火成功后，继续拖动透平加速到自持转速65%NGP。在透平机转速达到65%NGP的自持转速后，启动马达断电自动脱扣，透平机通过自身燃烧逐渐加速到100%NGP 的正常工作转速（14 950 r/min），通过发电机并网为整个油田提供电力。

在2011 年9 月台风过后，工作人员返回平台的复产过程中，按照复产程序首先恢复油田动力电网。在启动透平机发电机组的过程中，用应急柴油发电机电网作为启动电源，在启动透平发电机组的过程中，透平机能够正常启动盘车到22%NGP，经过5 min 的吹扫盘车，透平机开始点火，点火成功后却无法正常爬升至65%NGP 的自持转速，转速上下波动，启动困难，但NGP 在波动过程中可以缓慢提升，在波动中逐渐达到自持转速。启动马达脱扣后，透平机能够靠自身燃烧，平稳加速至100%NGP的正常转速。在透平机组启动过程中发现柴油机出现排烟量变大、运转声音变大的现象。透平机组虽然能够启动成功，但点火成功到自持转速之间透平机出现转速波动属于不正常的现象，长此以往会对启动马达和透平机组造成一定的损伤，也不能保证透平每次顺利启动和运行。

2 故障分析

针对此现象，对透平机组的燃料系统、启动系统和应急柴油发电机组进行认真分析，得出可能造成这种现象产生的主要原因有：①透平机可调导叶（IGV）或放气阀（Bleed Valve）故障引起喘振；②透平机启动系统故障；③透平机组燃料系统故障；④柴油机进气系统故障；⑤柴油机燃油系统故障。

（1）Solar T60 透平机组的防喘振机构有可调导叶和放气阀（图1）。为防止透平机在喘振工况下运行而引起喘振[1]，启动时可调导叶必须处于关闭状态（Solar T60 的IGV 是一次开关式[2]，只有“关”和“开”两个位置），此时放气阀处于打开状态。而当透平转速达到92%NGP 时，可调导叶通过电磁换向阀的控制，由液压驱动连杆机构的活塞，将其完全打开。当发电机并网且负载超过500 kW 时，放气阀通过电磁换向阀控制在液压的作用下关闭。

图1 Solar T60 透平机可调导叶和放气阀

当可调导叶和放气阀出现故障时，往往容易引起喘振，造成转速波动、机组剧烈振动，同时伴随低沉的“怒吼”声。经过排查和检测，可调导叶和放气阀均能活动自如，在启动过程中能够处于相应的关闭和打开状态，且根据启动过程中的观察，透平机并没有因为喘振而出现振动并伴随低沉的“怒吼”声，因此排除了因喘振而引起的转速波动的可能。

（2）Solar T60 透平机组的启动系统是由变频器（VFD430）和安装在透平机齿轮箱上的启动马达（B330）组成的。在启动过程中，通过外部电网和变频器使启动马达转速成线性上升，在透平机点火成功后，启动马达继续拖动透平机，在燃料自身燃烧推动涡轮的推力作用下，使透平机逐渐达到65%NGP的自持转速，此时PLC 控制启动马达断电脱扣，透平机通过自身燃料的燃烧，逐渐加速到100%NGP 的正常运行转速。针对转速波动的现象，怀疑启动马达速度提升不够或扭力不够，使得透平机加速出现波动。机械部分怀疑是启动马达与透平机齿轮箱连接的“超速”离合器出现问题，使得启动马达不能完全将作用力传输给齿轮箱，经手动盘车检查，“超速”离合器工作正常。

（3）透平机双燃料系统的天然气进气调节阀（EGF344）和柴油供油调节阀（ELF344）出现漂移，即不能按照PLC 的要求控制合理的开度，使得燃料供应量变小，燃烧后推力下降从而不能满足启动转速提升。后经测试发现用柴油点火时同样出现转速波动，而两个调节阀同时出问题的可能性较小，又经过对两个燃料控制阀的检查，发现控制阀处于良好状态。另外，透平机在正常运行中，并没有发现动力不足或转速波动的现象，这也能够证明燃料控制系统正常。因此问题应该出在启动系统中。用其他平台透平机组，经电力管理系统（PMS）已建立的透平电网来启动该透平，发现在启动的过程中，该透平没有再出现转速波动。由此推断，透平自身的启动系统正常，问题应该出在外部电网的提供者柴油机。

（4）平台的应急柴油发电机组型号是底特律V12 缸149TI 型两冲程柴油机，柴油机的最大带载能力可达1200 kW。进气系统由进气过滤器、进气应急关断风门、涡轮增压装置、中冷器，机械增压装置（扫气泵）组成，最终通过扫气泵将空气扫进位于活塞缸中部的进气门，缸头顶部分布4 个排放气门。检查柴油机的进气系统，确保进气风门处于开位，更换新的进气过滤器，检查进气涡轮增压系统等，发现各部分工作正常。

（5）柴油机燃油和控制系统由过滤器、柴油传输泵、柴油分油管和喷嘴（喷油泵）组成。通过扫气泵的输出轴驱动一个液压泵，建立油门控制系统的液压压力，油门电磁阀根据转速（1800 r/min）反馈的电信号（0～24 VDC）调节阀芯位置，使液压泵建立的液压调节油门连杆上下运动，油门连杆控制柴油喷嘴（喷油泵）的喷油量，使柴油机在不同负载下转速始终保持1800 r/min，向外输出480 V 交流电。检查柴油机的燃油系统，更换柴油初级过滤器和第二级过滤器，检查柴油传输泵工作正常。打开摇臂盖板，逐个检查柴油机喷嘴（喷油泵），喷嘴（喷油泵）是尺杆式油量调节形式，通过齿条调节喷油柱塞供油行程控制喷油量，从而稳定转速（图2）。

图2 柴油机尺杆式油量调节喷嘴

经检查发现L5 喷嘴的齿条无法调节，其他喷嘴均工作正常，怀疑是L5 喷嘴的柱塞卡死。拆除L5 喷嘴，经解体检查发现喷嘴的喷油柱塞卡死，齿条无法驱动柱塞上的齿轮旋转调节。柴油机的12 个喷嘴的调节齿条，都用一根拨叉拉杆带动（图3），而L5 喷嘴柱塞卡死限制了整条拉杆的运动，导致整个油门只能在0 供油位和L5 喷嘴柱塞卡死点供油位之间较小范围内调节，当负载过大时不能满足供油要求，从而导致柴油机转速降低、电压不稳定，当驱动透平机启动马达启动透平机时，出现转速波动现象。

图3 柴油机油量拨叉拉杆控制形式

3 解决措施

更换了卡死的柱塞部分，喷油测试时又发现喷油孔堵塞严重，用工具将堵塞的喷油孔疏通，再次喷油测试工作正常。回装L5 喷嘴，调节喷嘴柱塞位置，当凸轮基圆经过喷嘴柱塞顶端时，喷嘴距离喷嘴底座的距离，即正时高度为2.175″；调节排气门的间隙，使气门关闭时，即摇臂处于凸轮轴基圆位置时，气门间隙为0.028″。完成L5 油嘴的安装调节后，检查油门连杆在全速时的位置，并做好标记，在以后的维护中作为参考。回装应急柴油发电机的摇臂盖板，启动柴油机，用应急发电机电网作为启动电源，进行透平启动测试，透平启动过程中的加速波动异常现象消失。

4 结束语

总结整个维修过程，首先分析出可能的故障原因，排除一些可能原因，逐步排查找到根本原因。故障的及时排除，使得透平机的启动能够顺利进行，对平台生产提供了有力保障。同时发现维修维护工作中的盲点，及时更正维修方式和扩大维护范围，为以后的故障维修积累经验。