汽轮机抽汽控制阀开度减小原因分析及解决措施

刘昌伟等。汽轮机抽汽控制阀开度减小原因分析及解决措施

汽轮机抽汽控制阀开度减小原因分析及解决措施

摘要：介绍了合成气压缩机汽轮机转速下降、其主蒸汽用量及中压抽汽量大幅度上升及压缩机喘振阀打开的事故现象及特点，以及可能由此引起的风险及工艺处理方案。根据事故特征，确认了该事故是由汽轮机V2阀错油门活塞被卡造成的，对此，提出了汽轮机运行时可临时采取的对策，如定期敲击错油门活塞杆。通过对汽轮机错油门及缸体保温的拆卸检查，发现了错油门活塞被卡及其活塞杆密封胶皮伸缩套损坏的原因，并采取在错油门活塞杆环隙处安装了高温橡胶板、对错油门腔体清洗、消除蒸汽泄漏点等相应措施，使故障得以消除。 关键词：汽轮机；错油门；活塞;卡塞；措施

Cause Analysis of Extraction Control Valve Open Decrease of Steam Turbine and Its Solving Solution

Liu Chang-wei ，ZHANG Xi-de

(College of mechanical engineering ，Xi'an Shiyou University, Xi'an,710065 ,Shaanxi)

Abstract:The trouble and feature in revolution drop , the consumption sharp rise of main steam and middle pressure steam extraction of steam turbine for syngas compressor and compressor surge valve open , its possible causing risk and processing measures is introduced .the trouble caused by pilot valve piston stuck of V2 valve for steam turbine is confirmed according to trouble feature .adopting temporary solution is taken during steam turbine is running ,like striking the piston rod at intervals.the reason of polit valve piston stuck and damage of its shaft seal bellows is found out by dismantling polit valve and case insulation .the corresponding measures is taken such as high temperature rubber tile installed at gap of piston shaft in ring ,cleaning case inside of polit and eliminating the steam leakage point and so on to remove its trouble . Keywords:steam turbine ; pilot valve ;piston ; stick; solution .

0 引言

塔里木石化分公司是年产450 kt合成氨/800 kt尿素的大化肥项目，于2010年5月投入正常生产.合成气压缩机组由日本三菱公司制造，用于化肥合成氨装置，为氨合成提供所需的氢气和氮气。从2012年开始，该机组汽轮机多次出现转速突然下降，其主蒸汽用量及中压抽汽量大幅度上升，导致高、中压蒸汽压力波动，据统计，从原初3个月出现一次故障发展到1月出现2次故障，故障引起蒸汽压力波动越来越大，在此过程中，采取了有关措施，避免了合成高压装置停车，但其发展已严重影响到化肥装置的安全、平稳生产，2013年5月30日合成气压缩机汽轮机转速出现了近年来最大幅度下降，其主蒸汽用量及抽汽量猛增，险些引发一段转化炉联锁IS-1，导致化肥装置全线停车。对此，就汽轮机转速下降、用气量增大原因进行了调查、分析。

1 机组有关情况

合成气压缩机为单轴多级离心式压缩机，分为高压缸和低压缸，由高压抽汽冷凝式汽轮机驱动，其缸体分布在汽轮机两侧，由膜片联轴器直联，压缩机和汽轮机安装在同一钢底座上。 1.1 有关参数，见表1

表1 机组有关参数（正常工况点）

机组 名称 功率 转速 压力 进汽 汽 轮 机 排汽 温度 压力 抽汽 温度 耗气量 ℃ t/h 401.5 218 ℃ MpaA 52 4.36 温度 压力 ℃ MpaA 510 0.0137 单位 KW rpm MpaA 设计数据 17951 10868 10.6 刘昌伟等。汽轮机抽汽控制阀开度减小原因分析及解决措施

抽汽量 t/h 183.1 表冷器真空度 MPag -0.075 二段流量 Kg/h 69823 压 循环段流量 Kg/h 280676 缩 二段出口压力 MPaA 8.84 机 循环段出口压力 MPaA 19.29

1.2汽轮机调速系统

合成气压缩机汽轮机调速系统有两套

[1]

：一套由集成透平和压缩机控制系统（ITCC）、转速探头、电液转换器1、油动机1、错油门1、连接及反馈杠杆1以及调节汽阀（V1）组成，其功能是对汽轮机转速进行自动控制，另一套由ITCC、电液转换器2、油动机2、错油门2、连接及反馈杠杆2以及抽汽控制阀(V2)组成，其功能是对汽轮机抽汽量进行手动控制见图1。

图1汽轮机转速控制原理

1.2.1 转速控制原理

汽轮机转速由转速探头测出，转速探头就是一个磁阻发送器，汽轮机转速由磁阻发

送器转换为相应的电压信号[2]

，信号被传输到ITCC与设定的转速值相比较，其偏差值经过比例-积分-微分调节器运算后，输出电流信号20～160mA，该电流信号被发送到电液转换器，在电液转换器中信号由伺服活塞按比例关系被转换为机械运动，带动连接及反

馈杠杆按要求进行上、下运动[3]

。连接及反馈杠杆上、下运动带动错油门活塞杆上、下移动，错油门到油动机的油路通道被打通或换向，通过错油门的动力油到达油动机活塞的上腔或下腔，油动机活塞杆运动带动汽阀杠杆移动，从而控制调节汽阀的开度大小，以实现对汽轮机转速控制，当错油门的活塞

处于中心位置，其油路关闭[4,5]

，调速完成。

1.2.2 调速机械传动

（1）当汽轮机实际转速大于给定设定值时，电液转换器伺服活塞杆就会向上运动，连接反馈杠杆随之向上移动，错油门活塞杆就会被提起，动力油通过错油门通道到达油动机活塞的上部腔，其活塞下部腔的油进行排放，因此在油压作用下油动机活塞便向下

移动，关小调节汽阀，汽轮机转速减小[6]

，反之亦然见图2。

图2调速机械传动

（2）随着油动机活塞向下移动，带动连接反馈杠杆向下运动，推动错油门活塞向其中心位置移动，最终使活塞处于中心位置，

完成对汽轮机的转速控制[7]

。

（3）由油动机活塞带动一套机械杠杆来完成对调节汽阀开度的控制。 1.2.3 带抽汽的调速系统

（1）通过设置或调节抽汽控制阀开度来

控制汽轮机的抽汽量。操作人员发出指令到ITCC，由ITCC输出电信号到电液转换器2，以控制抽汽控制阀开度。

（2）汽轮机转速是由V1阀调速系统自动控制的；

（3）操作人员可通过对抽汽控制阀开度的调节，改变汽轮机高压蒸汽用气量及中压蒸汽抽汽量，来满足装置需求。

2 V2阀开度减小原因分析及措施

2.1 事故经过及操作处理

从2012年开始，该机组汽轮机多次出现V2阀开度减小、转速突然下降，其主蒸汽用量及中压抽气量大幅度上升的事故，经分析

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后认为，事故是由调速系统错油门出现了间歇性故障所引起，对此采取临时措施，即在线上、下敲击错油门活塞杆，使故障暂时消除，装置恢复稳定运行，但随着时间推移，不仅故障出现的频次在大幅度增加，而且其对装置危害程度在加大，2013年5月30日因错油门故障，导致高、中压蒸汽大幅度波动，险些造成全厂停车。 2.1.1 事故经过及风险

5月30日11点34分45秒，转变主控人员发现合成气压缩机汽轮机高压蒸汽用汽量从220T/h突然增加到235t/h，立即向压缩机主控人员通报，随后高压蒸汽用汽量又增加了8T/h，同时该汽轮机中压蒸汽抽汽量由183T/h增加至217T/h，机组转速由10900r/min下降至10591r/min，同时高压蒸汽压力由10.7Mpa下降至10.5Mpa。压缩机主控人员立即通知外操检查汽轮机V2阀的现场开度，此时高压蒸汽用汽量由242t/h上涨至272t/h，高压蒸汽压力降至9.7Mpa，中压蒸汽抽汽量由217t/h增加至254t/h，汽轮机转速由10591r/min迅速下降至9943r/min，压缩机防喘阀打开，出现喘振，中压蒸汽官网压力由4.3降至4.15Mpa，水碳比从3.04降至2.6，低于报警值2.8，高压蒸汽温度从507℃上升至520℃，高于报警值510℃。出现故障后，操作人员对压缩、转变热工及脱碳工段进行紧急处理，同时压缩机外操对V2阀错油门敲击，通过调整，装置恢复正常。

经分析，对上述故障如果处理不及时，会产生以下风险：

（1）水碳比低，触发一段炉连锁IS-1，全厂停车。 （2）原料气低流量，触发一段炉连锁IS-1，全厂停车。

（3）碳空比低，触发二段炉连锁IS-2，除一段炉外，其它装置全部停车。 （4）空气压缩机超速跳车，二段炉断空气，触发二段炉连锁IS-2。

（5）空气压缩机低转速，防喘振阀打开，二段炉断空气，触发二段炉连锁IS-2。 （6）因中压蒸汽压力高或温度高，二氧化

碳压缩机连锁跳车，尿素停车。 2.1.2 工艺操作处理

(1)转变热工岗位

因机组转速大幅度下降，压缩机出口压力下降，导致进入氨合成塔的工艺介质中断，高压汽包产汽量大幅减少，高压蒸汽温度上涨，如事故中高压蒸汽温度从507℃上升至520℃，因高压蒸汽量猛减，造成中压蒸汽量减少，如事故中中压蒸汽官网压力4.3降至4.15Mpa，针对上述问题，采取了以下措施： 1）手动开大高压蒸汽减压阀PV7046，同时增加快锅负荷，以增加中压蒸汽量。 2）开大高压蒸汽过热盘管减温水阀TV2045/2，使阀开度从4% 开度到60%，同时将一段炉第6排火嘴熄灭8个,以降低高压蒸汽温度。 （2）脱碳岗位

事故发生后，合成气压缩机负荷突然大幅降低，造成脱碳系统被压升高，脱碳吸收效果下降，工艺气中CO2含量上升，导致甲烷化超温，对此，手动打开甲烷化出口放空阀PV3037，降低系统背压，通过调整使脱碳系统热负荷达到正常值。 （3）合成压缩机岗位

合成气压缩机汽轮机出现用汽量及抽汽量增加、转速下降时，压缩岗位采取了以下措施：

1）降低汽轮机转速设定值，减少汽轮机对高压蒸汽的需求量。在处理过程中，其转速设定值由最初10900r/min逐次降低至10800和10000r/min。

2）通知外操敲击V2阀错油门活塞杆，消除错油门故障。

3）因压缩机转速下降，出口流量减少，导致压缩机防喘阀阀打开，出现频繁开、闭， 此时，立即手动打开喘振阀，防止压缩机喘振。

4）因合成塔压力下降，此时合成塔床层热点温度由468降至440度，为提高合成塔床层温度，手动关小合成塔冷激线阀TV5011及入塔阀HV5002/5003。

5）因合成塔产氨量的减少，增大氨罐向

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尿素送氨量，防止氨排放罐B502液位下降。 等V2阀错油门故障消除后，逐步将工艺调整至正常。 2.1.3 故障原因分析

根据以上故障经过描述，将机组的运行参数及与机组有关的工艺参数从ITCC及DCS中调出分析，并结合操作人员对故障的处理以及图3，情况总结如下， （1）汽轮机中压蒸汽抽汽量由183t/h增加增加至254t/h，中压蒸汽增加了71t/h. （2）汽轮机高压蒸汽用量由220t/h上涨至272t/h，高压蒸汽用量增加了52t/h.

（3）汽轮机转速由10900r/min下降至9943r/min

（4）V1阀开度从81.3上升到93.2%。 （5）对V2阀错油门敲击后，汽轮机转速突然上升到11032.8r/min，随后经调整汽轮机指标逐步恢复正常。

（6）V1阀控制处于自动状态，V2阀控制处于手动状态，V2开度输入信号为41.13%，保持恒定。

（7）压缩机一段喘振阀出现波动，三段喘振阀出现频繁开、闭。

（8）压缩机二、三流量发生较大波动，压缩机出口压力持续下降。

图3 机组运行情况

从以上的分析可以看出,中压蒸汽增加71t/h，而高压蒸汽增加52t/h，多余19t/h一定是由汽轮机V2阀开度关小而引起的。故障出现后，外操人员立即到现场观察V2阀开度，观察到现场刻度盘上油动机活塞杆的位移量5.4mm,查历史静态调试数据可知V2阀开度为75%时油动机活塞杆的位移量为20.3mm,经计算，阀开度为41.13%时其值为11.1mm，从上得知V2阀关小，其开度由41.13%减小到20%。

当V2开度关小时，就会引起汽轮机抽

汽量上升，因蒸汽仅在汽轮机前段做功，必然引起汽轮机转速下降,控制系统为维持设定的转速，使得V1的开度不断增大，造成主蒸汽量上升，因V2的开度大幅度下降，尽管V1阀开度在增大，也未能遏制汽轮机转速的进一步下降，转速下降引起压缩机流量减少，当流量减少到一定程度，导致压缩机喘振阀打开,压缩机流量增加，离开喘振点，因该阀处于自动全关状态，此时喘振阀会立即关闭，在此情况下喘振阀会出现了图3中的频繁开闭。

V2开度关小会造成高、中压蒸汽紊乱，如不及时处理，将引起上述风险。因V2开度关小是由于错油门故障引起，所以对错油门敲击后，汽轮机恢复正常。

错油门故障引起汽轮机转速变化的情况有三种： （1）错油门活塞卡使V2阀的开度无法调节；

（2）错油门活塞卡使V2阀的开度增大，造成汽轮机转速上升；

（3）错油门活塞卡使V2阀的开度减小，造成汽轮机转速下降。 从上描述知，汽轮机V2阀一直处于手动状态，V1阀控制处于自动状态，也就是说汽轮机转速是由V1阀自动控制的，如果错油门活塞严重被卡，V2阀处于固定开度，无法调节，不会引起上述故障，对汽轮机运行没有影响，只有在人工改变V2开度时才能发现这一故障的存在。

当错油门活塞处于中心位置，其油路关闭，完成调速，实际上，错油门完成调速后其活塞不是完全处于静止状态，而是在中心位置上、下颤动，当错油门活塞向下微量运动时，动力油进入油动机的下腔，V2处于开大的趋势，油动机活塞杆上移带动连杆反馈杠杆向上运动，造成错油门活塞向中心位置移动，因油动机活塞的力量很大，即使错油门活塞被卡，也不能抗拒连杆反馈杠杆向上的运动，所以错油门活塞卡不能造成V2阀的开度增大。

当错油门活塞向上微量运动时，动力油进入油动机的上腔，V2处于关小的趋势，油动机活塞杆下移带动连杆反馈杠杆向下运

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动，此时错油门活塞向中心位置移动是靠弹簧力来完成见图2，因弹簧张力较小，若错油门活塞被卡，其力大于弹簧张力，错油门活塞就不能回到中心位置，动力油继续进入油动机上腔，V2逐渐被关小，直到错油门活塞杆被外力敲击，活塞卡塞消除，随之故障消失。

从上分析可知，错油门活塞被卡是造成汽轮机抽汽控制阀（V2阀）开度减小及转速下降的根本原因。

2.2 采取措施

2.2.1 运行时采取措施

（1）对错油门活塞杆定期进行敲击，以防止错油门活塞被卡，其方法是，

1）外操与内操保持通讯，注意汽轮机转速的变化；

2）外操敲击错油门活塞杆连接盘（上、下、左、右，主要是上下），从轻到重； 3）外操现场观察V2阀阀杆是否微动，内操观察汽轮机转速变化；出现变化，便可停止敲击；

4）内操改变V2阀开度，汽轮机抽汽量发生了变化，即好。

定期间隔敲击时间为10天。 （2） 错油门活塞被卡处理方法。

在装置平稳运行时，若汽轮机出现转速下降及抽汽量上升，便可认定 V2阀错油门活塞被卡，内操立即通知外操对V2阀错油门活塞杆进行敲击，其方法同上。

2013年5月31日下发了V2阀错油门活塞杆定期敲击管理规定，自此有效防止了该故障的再次发生。 2.2.2 停机检修措施

要彻底解决该故障需对错油门进行检修。2013年7月5月装置进行停工大检修工作，期间，对V2阀错油门进行了解体检查，发现错油门缸内及活塞表面存在许多颗粒物见图4,验证了上述对故障原因的判断。

图4 错油门缸内颗粒情况

进一步观察发现缸内颗粒物为沙粒，错油门活塞杆与其缸体之间密封采用胶皮伸缩套，因损坏脱离，同时新疆库尔勒地区风沙较大，沙粒通过活塞杆与错油门壳体之间环隙进入缸内，随着时间推移，缸内的沙粒越来越多，从而造成了错油门活塞杆被卡，其频率越来越高。

在机组运行时，曾发现V2阀错油门附近有蒸汽泄漏现象，其温度很高，但未发现泄漏点，这次检修，对汽轮机保温进行了拆卸，发现V2阀填料漏气管法兰泄漏，该蒸汽泄漏造成了错油门密封胶皮伸缩套损坏。对上述问题解决措施

（1）对泄漏法兰垫片进行了更换，消除了泄漏。

（2） 对V2阀错油门缸内及活塞表面颗粒物进行了清除。

（3）因无胶皮伸缩套配件，为尽可能防止颗粒物进入错油门缸内，在错油门壳体与活塞杆之间环隙处安装了高温橡胶板，使橡胶板与活塞杆之间的间隙尽可能小。

（4）因安装的高温橡胶板无法彻底解决外颗粒物进入错油门缸内，所以等胶皮伸缩套配件到货后，对其进行更换。

装置检修完成后，2013年7月24日合成气压缩机汽轮机进行了启动，运用至今V2阀错油门再无异常现象发生。

3 结束语

本文对合成气压缩机汽轮机调速系统的组成及工作原理做了详细的描述，介绍了该汽轮机突然出现的转速下降、其主蒸汽用量及中压抽气量大幅度上升、压缩机喘振阀打开的事故现象、特点，以及由此可能产生风险及工艺处理方案，结合汽轮机控制原理，根据事故的特征，确认了该事故是由汽

刘昌伟等。汽轮机抽汽控制阀开度减小原因分析及解决措施

轮机V2阀错油门活塞被卡造成的，提出了汽轮机运行时可临时采取的对策，通过对汽轮机错油门及缸体保温的拆卸检查，发现了错油门活塞被卡及其活塞杆密封胶皮伸缩套损坏的原因，并采取了相应措施，消除了故障。

参考文献

[1] 张锡德，董泰斌, 刘昌伟等。合成气压缩机汽轮机调速

系统故障分析及处理[J]。大氮肥 2012，35（6）：424-425 [2] 侯曙光。关于汽轮机调速器发展的探讨[J]。石油化工设备技术,1999, 20 (3)：33-34。

[3] 蔡丹军。505E电子调速器透平控制系统的运用[J]。乙烯工业，2004,16(3): 44-45。

[4] 王治军, 王玉龙. 氮气压缩机转速波动分析及处理[J]。化工自动化及仪表, 2008, 35( 3): 80~ 81。

[5] 朱正写, 李复员. 505E数字电液控制系统振动分析及处理[J]。兰州石化职业技术学院学报, 2007, 7(1)：7-8 [6] 陈宏斌。石化行业蒸汽汽轮机的调节与保护[J]。石油化工自动化, 2004年 第5期∶27-28

[7]戚元勋。TG-10调速器稳定条件和影响因素[J]。大氮肥，1994年 第5期：337-338 ---------------------------

作者简介: 刘昌伟（1972-），男（汉族），重庆奉节人，1996年毕业于四川轻化工学院（有机）化工工艺专业，本科，高

级工程师，长期从事于合成氨生产管理工作，目前为中石油

塔里木石化分公司合成氨生产部生产副经理。电话：0996-2132196；E-meil:xjlcw2001@163.com

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轮机V2阀错油门活塞被卡造成的，提出了汽轮机运行时可临时采取的对策，通过对汽轮机错油门及缸体保温的拆卸检查，发现了错油门活塞被卡及其活塞杆密封胶皮伸缩套损坏的原因，并采取了相应措施，消除了故障。

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[7]戚元勋。TG-10调速器稳定条件和影响因素[J]。大氮肥，1994年 第5期：337-338 ---------------------------

作者简介: 刘昌伟（1972-），男（汉族），重庆奉节人，1996年毕业于四川轻化工学院（有机）化工工艺专业，本科，高

级工程师，长期从事于合成氨生产管理工作，目前为中石油

塔里木石化分公司合成氨生产部生产副经理。电话：0996-2132196；E-meil:xjlcw2001@163.com

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