航改型燃機燃調閥故障原因分析及改進措施

羅易洲

(國家管網集團聯合管道有限責任公司西部分公司生產運行部，新疆 烏魯木齊 830013)

1 引言

隨著天然氣管線里程不斷增長，壓縮機組運行穩定性的提升愈發重要。國內現有在役天然氣長輸管線燃驅壓縮機組總計140余套，現有燃驅壓縮機組整體系統相對復雜，調速范圍僅65%～105%，運行期間因燃料氣污染、供電異常、閥門本體故障極易導致燃料氣系統運行異常，觸發機組停機后4 h 內無法及時恢復備用?，F役天然氣長輸管線燃驅壓縮機組使用的燃調閥主要由GE(美國通用電氣公司)、西門子能源、索拉透平公司提供，其中GE、西門子公司燃調閥在國內應用較為廣泛，本文主要研究GE及西門子燃調閥故障規律，制定優化處置措施，開展預防性運維檢修作業，爭取將燃料氣系統故障降至最低，逐步提升燃驅機組整體可靠性。

2 燃料氣計量閥基本信息

燃料氣調節閥是根據燃氣輪機轉速、功率等要求，按照自動化控制的信號，遵照一定的燃料氣供給規律，向燃氣輪機燃燒室燃料罐供應一定數量氣體燃料的調節裝置。在緊急情況下，燃料氣計量閥也能快速終止燃料氣的供給并排空燃料氣管路系統內的氣體燃料，在燃氣輪機系統內扮演著重要的角色。

該閥為精密調節閥，主要由閥體、閥芯及執行機構組成。當閥門收到開啟信號時，上部電機開始順時針轉動，并通過電機軸前端的滾珠絲桿(右旋螺紋)，提升中間聯接套，帶動閥芯向上運行，完成開啟動作，中間彈簧為回座彈簧，當電機提升力大于彈簧回座力與閥芯自重之和時，閥門向上開啟，增大閥門開度，反之，當彈簧回座力大于電機提升力時，閥門向下關閉，減小閥門開度。因此，當機組正常運行時，根據負載的大小，需要隨時調整閥門開度以調節機組的燃氣供氣量，中間聯接套與提升螺桿始終保持小幅運動狀態，此處部位極易磨損。

電機軸前端與中間聯接套之間采用滾珠絲杠螺母副，可實現回轉運動與直線運動相互轉換，它的結構特點是在具有螺旋槽的絲杠螺母中裝有滾珠作為中間傳動元件，以減少摩擦絲杠和螺母上的摩擦，絲杠與螺母之間都加工有圓弧形的螺旋槽，這兩個圓弧形螺旋槽對合形成一個螺旋線滾道。在滾道內裝上滾珠，當絲杠與螺母相對運動時，滾珠沿螺旋槽向前滾動，絲杠與螺母之間基本上為滾動摩擦。為防止滾珠從螺母中滾出來，在螺母的螺旋槽兩端設有回程引導裝置，使滾珠能循環流動。

GE燃驅機組使用的燃調閥型號為GS16，該計量閥由閥門、電動執行機構和控制器三部分組成?？刂破鹘邮盏綑C組控制系統的位置命令信號后，通過比例模擬量輸出驅動執行機構改變閥門球形閥芯的扇形面積來控制燃料氣通過的流量。反饋信號由電動執行機構上的解算器生成，輸出閥門的旋轉位置。當閥芯扇形面積增加是燃料氣通過流量增加，反之，燃料氣流向下降。執行機構包含一個模擬位置控制器，可通過4～20 mA的輸入信號接收信號。當控制器收到一個模擬輸入時，控制器通過比例模擬量輸出驅動執行機構改變燃料氣計量閥球形閥芯的扇形面積來控制燃料氣通過的流量。閥上的解算器生成閥門的實際位置信息，并通過控制器將此信號發送給機組控制系統。

GS16閥是一個電子驅動的燃料閥，帶有內置電子閥位控制器。此閥可接收命令信號，然后準確定位球形燃料計量元件，露出與流量呈正比的有效面積。計量元件可通過由球形元件和底生成的剪切型動作進行自我清潔。使用一個分解器進行閥位反饋。分解器直接與燃料計量元件相連，無需使用連接裝置或齒輪系，進而提高了準確性。GS16燃調閥的閥體為球閥，當電機轉動時帶動球閥轉動給出不同的開度。

3 燃調閥使用情況

目前國內長輸天然氣管線航改型燃機主要使用GE、西門子燃調閥，分布于西氣東輸一線、二線和三線，其中GE機組燃調閥使用最為廣泛，燃調閥配置情況如表1所示。

表1 燃調閥分布表

4 燃調閥故障及原因分析

4.1 故障現狀

根據經驗，燃調閥運行時間越長，故障次數越多。西一線、西二線西門子RB211機組燃料氣計量閥及其相關系統故障統計見表2。

表2 燃調閥故障表

4.2 拆解檢查

針對燃調閥在壓縮機組運行中遇到的各種問題，開展燃調閥拆卸檢查工作。西門子燃調閥拆卸檢查發現彈簧座通過鎖緊螺母與閥桿固定，連接桿穿過彈簧座。彈簧座承接壓縮彈簧的推力，當電機作用的向上的拉力減小時，彈簧推力使閥桿向下運動，使閥門流通截面減小或關閉閥門。連接桿和閥桿皆做直線運動，彈簧座上設計有指示器和限位器，可以指示閥位(機械)和開關限位。

西門子燃調閥解構決定了閥桿平衡盤外表面上堆積的污物導致閥門卡澀。軸承及閥桿檢查雖然有磨損情況存在，手動轉動未發現有卡澀問題，但其存在的磨損會影響閥門控制的精度。驅動電機轉子頻繁來回旋轉以調節閥位，動作時導致軸承、滾珠及閥桿的磨損，同時軸承承受較大的軸向力(力的大小為彈簧力、閥桿重力及密封元件阻力、氣體壓力之和)，使得軸承、閥桿單側接觸，并將潤滑脂擠出，由于長期磨損潤滑脂減少，缺乏潤滑脂的潤滑，在接觸面上直接摩擦而產生磨損；另一方面，也可能閥門設計時選用的軸承型號不當或軸承質量不好造成。

GE機組燃調閥主要由控制板、驅動電機、閥體組成，拆解燃調閥檢查閥體存在油污雜質。

在GE燃調閥運行過程中，如果機組發生跳機，控制系統會讓燃料氣計量閥瞬間關閉，由于閥門的球面出現磨損，閥門內調節球體表面出現磨損。出現該現象由于過濾后的燃料氣存在微小雜質，并且機組運行時閥門長時間在1%開度內反復波動，在有微小雜志的情況下反復動作在球體表面產生磨損和碎屑堆積。這樣在閥門瞬間關閉的時候需要一個很大的力矩才能讓閥門關閉，這個瞬間力矩超過了電動執行的設計范圍。電動機的功率不夠輸出這個力矩，導致電機隨著閥門一起處于卡住狀態，但是電動機還是在運行的。如果電動機長時間保持在這種狀態，會導致大量的發熱，這也是燃調閥出現故障時候整個燃料氣計量閥閥體發燙的原因。

4.3 故障分析

近年來西門子RB211燃機的燃調閥故障現象較多，但故障總體分為兩部分：一部分故障的確是由于燃調閥卡澀導致的，而燃調閥一旦卡澀只能換閥，目前天然氣輸送單位可自行維修閥，也可返廠送修；另一部分燃調閥的故障并非由燃調閥本身引起，其他相關系統的故障，如液壓啟動系統、VIGV系統等的設備缺陷一樣可以導致與燃調閥相關的故障報警產生，在沒有弄清楚燃調閥及其相關系統是如何配合運作的情況下，在故障處理時極易造成工作方向的錯誤，最終使得功能正常的燃調閥被更換拆解。

燃調閥的故障報警多出現在燃氣輪機啟機的過程中，其中和燃調閥控制程序和液壓啟動系統的關系最為密切，由于液壓泵斜盤的角度會直接影響啟機時高壓壓氣機轉子的速度，所以在處理燃調閥及其相關系統的故障時不能不考慮壓氣啟動系統的配合。至于VIGV可調進氣導向葉片機構，一般在機組啟機成功后加載時才會對燃料氣系統產生影響。

同時，與燃調閥相關的回路供電、反饋以及控制器的匹配等等問題，經常制約著燃調閥的正常運行。了墩西三線燃調閥的控制器安裝在西二線煙墩站后就出現過控制器不匹配的問題，需要重新設置調節。輪南站3#機組、西二線煙墩站3#機組也均出現了由供電二極管、供電模塊損壞導致的燃調閥故障。此類故障均為非燃調閥本體的故障。

(1)燃調閥的供電分析

西一線西門子機組燃調閥驅動電機的供電與西二線供電方式一樣，均為雙路144V的供電，而雙路的供電并非冗余供電方式，而是雙路144V共同驅動電機動作以增大功率，在處理故障的時候要格外小心，不能在最終的電壓輸出端進行電壓測量，而是要確認雙路電壓均為144V，才能確定為供電正常。

(2)燃調閥的卡澀分析

燃調閥在卡澀后會出現各種情況，有時會出現卡澀在工作位置無法回位的情況，有時會出現回位到“0”的開度時上位機反饋仍為閥開的情況，有時會出現燃調閥無法大范圍動作的情況。針對不同的情況有不同的處理方式。

當出現燃調閥卡澀在工作位置時，一般卡澀在“23%”左右時，需要斷開燃調閥的所有供電，然后重新上電，是的燃調閥盡量歸零，防止長期卡澀損壞閥內部的彈簧機構，給閥的拆解維修帶來麻煩。目前針對這類卡澀問題，我技服中心已具備自行維修的能力，需要重新購置滾珠絲杠螺母副、潤滑脂等進行關鍵部件進行更換后方可修復。

當出現燃調閥燃調閥無法歸零，例如西一線哈密站燃調閥在0.1%位置反饋顯示閥開始，需要將閥拆解后重新調整全關的開度，將滾珠絲杠螺母副稍稍向下調整后，進行測試，當全關到位時，機械反饋部分會伴隨有“咔嚓”聲以顯示全關到位。燃調閥回裝后需要進行強制命令的閥位測試，直到運行正常為止。

當出現燃調閥無法大范圍動作的情況時，需要將閥進行拆解，取出絲杠螺母副以及其中的彈珠，用酒精清洗后觀察絲杠螺母副是否能繼續使用。

如果金屬碎屑較多，需要重新更換絲杠螺母副，如果絲杠螺母副無損壞，需重新加潤滑脂后再回裝。燃調閥回裝后需要進行強制命令的閥位測試，直到運行正常為止。

(3)控制模塊故障

燃調閥控制模板故障多發生于西一線GE機組一般是通過更換驅動板備件EM35 Driver，重新配置和校驗模塊后，恢復了機組運行。燃調閥通訊故障主要發生在西二線GE機組，表現為多個數據包發生離線，無法與控制器進行通訊，查看數據包高級診斷信息，均出現連接超時，由此判斷數據包與控制器通訊中斷，導致該數據包采集的數據無法上傳至控制器，進而在人機控制接上無法顯示。發生該現象的原因有兩種：通訊網絡故障，某個數據包發生故障導致同一網絡內其他數據包與控制器通訊中斷，同時數據包PCLA、PPRA存在問題，工作不正常，一般由更換數據包或交換機解決問題。

5 燃調閥維護檢查方法

結合燃調閥供電、控制程序、與相關系統的配合以及燃調閥本體卡澀等故障，燃調閥及其相關系統的維護檢查處理方法見圖1。

圖1

燃調閥及其相關系統的故障涉及面很廣，當故障出應該首先調用N1轉速、N2轉速、N3轉速、燃調閥開度、燃調閥反饋等相關點的歷史數據，但是同時也要調用液壓啟動泵出口壓力、IGV開度的歷史數據進行綜合分析，將故障范圍初步的縮小。經過分析確認后，如果確認為燃料氣系統的故障，再進行進一步的分析，檢查是否是閥本體的問題還是控制器、燃料氣管路系統、供電的問題，每一項可能存在的故障因素都必須要排除。

在確認為閥體故障的時候，可以視情進行維修選擇，選擇購買備件自行維修或者送修。在確認為控制器故障的情況下，需要按照作業流程重新更換控制器，如果控制器不匹配，需重新設置。在確認為燃料氣管路系統問題的時候，需要檢驗管路內燃料氣調壓閥、關斷閥、放空閥等是否工作正常，是否有因管路內雜質存在無法關到位的情況。當確認為供電問題是，需要排查整個燃調閥系統電機供電、反饋供電、使能供電信號等等，確認每一個供電回路工作正常，并及時更換損壞的電源模塊。

西一線、西二線機組燃調閥及其相關系統的故障率較高，在處理故障時，應該科學分析燃料氣系統本體存在的故障，同時也要綜合分析其他相關系統和燃料氣系統的配合問題，只有搞清了燃機整體系統如何相互配合作業，才能及時有效的處理故障。