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    吕子文（1971-）男，湖北潜江人，本科，工程师，1995年毕业于江汉石油学院仪表自动化专业，2005年毕业于中国石油大学油气储运工程专业，现就职于中石油中亚天然气管道有限公司，主要从事压缩机组及其辅助设备的安全生产运营及增压站全面管理工作。

    摘要：府谷压气站燃气轮机-压缩机组已经安全运行8年多，由于机组长期运行，设备组件老化，机组出现故障的次数、几率逐步上升，故障处理的难度也在逐渐增加。如何安全、快速、有效的解决机组出现的各种故障，保障机组安全平稳运行显得非常重要。本文仅针对机组逻辑控制图在机组故障处理过程中的应用，以案例的方式详细的阐述了机组故障处理的方法，旨在说明进行机组故障处理时，不同的思路和方法在机组故障处理过程中具有不同的效用，以达到抛砖引玉、拓展思路的目的。

    关键词：燃气轮机；离心压缩；NGP；NPT；机组逻辑控制图

    Abstract: Gas-turbine compressor units in Fugu Compressor Station have already worked in security for more than 8 years。 Since the compressor units have been running long-time, the equipments have been aging, the frequency and rate of malfunctions appearing in the equipments have been increasing step by step, it must been ensured that the compressor units run in security and stability.In this paper, we describe in detail that the measures of the malfunctions of the compressor units by cases of the application of logic control chart in the process of disposing malfunction of compressor units. This indicates that when the malfunctions were disposed, there are different thoughts and methods which can achieve different effects.

    Key words: Gas Turbine; centrifugal compressor; NGP; NPT; Unit Control Logic Charts

    1 设备概况与分析

    府谷压气站是陕京一线输气管道上五座压气站中的第三座。府谷压气站有三套从美国引进的燃气轮机-离心压缩机组（以下简称燃压机组），它们分别是美国SOLAR公司生产的TaurusTM 60型燃气轮机和美国Dresser-Rand公司生产的CDP-416型离心压缩机成撬而成。府谷压气站燃压机组装机容量为16020kW，2000年11月建成投产，三台套燃压机组同时运行时，日输气量可达1030万标方/日，年输气量36亿标方，能够很好地满足大气量输气生产的需求。到目前为止，A、B两台机组的运行时间都已接近3万小时，三台机组在历年来的冬季大气量输气生产过程中发挥了重大的作用。可以说，虽然府谷压气站是陕京输气管道中重要的一座中间压气站，却起着承上启下的关键作用。

    随着机组长时间的运行，机组的各个部件逐渐开始老化，故障率逐渐升高，而且由于府谷压气站的地理位置的重要性决定了府谷压气站机组必须长时间运行或确保一直处于正常可用状态，在这样的情况下，快速、有效的及时处理机组出现的各类故障就显得尤为重要。

    2 机组控制逻辑图在机组故障处理中的重要意义

    本文不讨论需要对机组进行的预防性的常规维护工作，只对机组出现故障时的处理方法进行讨论。在府谷压气站机组出现故障时，实际上除了通用的分析、处理方法外，还经常借助于机组控制逻辑图对机组故障进行分析判断，以达到快速解决机组故障的目的。经过大量的实际应用，笔者发现这种方法对机组故障的判断处理有直接的帮助，使得故障的判断处理极为迅速有效。因此，掌握了机组控制逻辑图法对机组故障进行判断、分析，对确保机组能够及时、有效的排除故障，快速恢复机组到正常状态有着非常重要的实际指导意义。

    府谷压气站机组自2000年11月开始运行以来，出现过不少的常规和非常规故障，据统计大约有90%以上的常规和非常规故障都可以通过运用机组逻辑控制图法进行快速、有效的判断、解决，而且能够有效缩短故障排查和处理的时间，提高机组的可用率。

    3 机组控制逻辑图在故障处理过程中的实际应用

    燃压机组出现故障时，通过机组控制逻辑图分析法可以很直观的分析出故障的类别以及故障所在的可能部位，然后再结合通常的检查办法，就可以较快的将故障排除。为了更加形象地对机组控制逻辑图分析法及其在府谷压气站的应用进行说明，特以府谷压气站曾经出现过的故障举例如下：

    案例一：“POWER TURBINE BREAKAWAY FAIL”动力透平脱离失败停机故障

    根据通常的分析方法，可以得知，与动力透平脱离相关的信号、设备有：动力透平转速、燃机燃气发生器转速；转速检测探头、信号通道连接电缆、浪涌保护器、速度信号输入模块、电机控制变频器、380AC电源部分、电机、燃机附属齿轮箱等等。如果要彻底查清该故障出现的原因，就有可能需要对上述相关信号和设备一一进行检查、分析，这样工作量很大而且会浪费很多时间。当然，根据故障出现的可能性，可以把故障可能发生的范围缩小到动力透平转速、转速检测探头、信号通道连接电缆、浪涌保护器、速度信号输入模块、电机控制变频器、燃机附属齿轮箱等，但即使这样，一一检查起来，工作量仍然不小。如果借助机组控制逻辑图，就可以将查找范围缩小到一个很小的范围（尽管也可能将故障设备排除在外，不过根据在府谷压气站曾经出现过的故障，通过使用机组控制逻辑图来帮助排查故障设备的经验来看，这种情况发生的可能性非常小），如下图1所示。
                   
                       
                         图1     “POWER TURBINE BREAKAWAY”  逻辑控制图 

    从图1中可以看出，导致“POWER TURBINE BREAKAWAY”报警信息出现的条件只有两个，而且必须是两个条件同时出现时，才会导致“POWER TURBINE BREAKAWAY”报警信息出现，从而将前述所列的12个可能故障点一下子缩减到了2个，即：机组NGP转速达到65%以上，同时NPT转速低于5%，可以极大的加快故障排查的速度。

    在实际故障处理过程中，我们发现NGP（燃气发生器转速）达到65%以上时，NPT（动力透平转速）实际上已经达到了20%以上，根据机组逻辑控制图中的逻辑控制原理，在速度检测设备均正常情况下，机组不应该出现这一故障。那么，出现了这种情况只能说明其中有一个转速检测探头或数据传输通道出现了问题。于是，将NGP和NPT转速以100ms的扫描间隔时间置于同一个实时趋势图中，重新启动机组。在机组启动过程中，实时NPT曲线在压缩机NPT转速达到25%左右时突然出现一个向下的尖波中断，NPT转速突然降低为零，如图2所示。
                          
                    
                                    图2  NPT转速达到25%左右突然出现一个向下

    此时“NPT Un d e r 5%”逻辑块输出“1”，同时“NGP Above 65%”逻辑块满足条件，也输出“1”，当两个条件同时输出“1”时，导致“POWER TURBINE BREAKAWAY”报警信息出现并停机。因此，根据NPT转速达到25%左右出现中断尖波的信息，结合对数据传输通道的检测结果可以进一步得到以下判断：机组通信通道工作正常；各个通讯模块工作正常；浪涌保护器工作正常；NPT转速探头存在故障；考虑到现场机组运行时震动较大，探头延伸电缆也可能存在故障。

    根据以上得到的判断，再经过现场对探头延伸电缆的检查，很快判断出是由于NPT转速探头故障导致的机组停机。更换NPT探头，再次启动机组进行测试，机组一次性启动成功。机组正常启动的曲线如图3所示。
             
                   
                           图3   机组正常后NPT转速运行曲线

    案例一中描述的故障在处理方法和过程上很快说明了一个事实，那就是：在进行机组故障处理的过程中辅以机组逻辑控制图，就可以达到事半功倍的效果。

    案例二：“POWER TURBINE UNDERSPEED”动力透平低速停机故障

    府谷压气站在机组运行过程中，在调整转速的时候曾出现过“POWER TURBINE UNDERSPEED”动力透平低速停机故障。根据通常的分析方法，当出现“POWER TURBINEUNDERSPEED”动力透平低速停机报警信息时，根据机组结构和控制原理可以判断可能出现的故障点如下所列：

    （1）机组正常运行时的实际NPT转速低于50%；

    （2）NPT转速探头出现故障；

    （3）NPT探头延伸电缆故障；

    （4）电缆各个连接点接触不良；

    （5）浪涌保护器故障；

    （6）速度输入模块故障。

    根据以上6条判断出来的信息，如果逐步一一进行检查，需要花费大量的时间。但是从如图4所示的逻辑控制图可以看到其中还隐藏着以下几个信息：

    （1）机组第一次运行的时候，机组NPT转速必须超过60%；

    （2）机组运行正常后，机组NPT转速不得低于50%；

    （3）机组第一次运行的时候，如果NPT转速不超过60%，6分钟后将停机；

    （4）机组不存在任何硬件和软件的故障。

    根据以上情况，可以看出，如果在进行机组调整转速时造成机组“POWER TURBINE UNDERSPEED”动力透平低速停机后，如果查找不到任何故障时，按照机组逻辑控制图就可以得到上述的另外3条信息，可以比较容易的就可以得到该故障是由于机组转速调整不正确而导致的故障，从而在下次进行机组转速调整时进行避免。
            
                 
                    图4    “POWER TURBINE BREAKAWAY” 逻辑控制图

    虽然通过机组逻辑控制图辅助能够快速判断机组故障，但机组逻辑控制图也并不是万能的，不可能在任何机组故障判断中都能够起到简化故障，快速分析、判断故障的作用。不能盲目的在每一次机组出现故障时全部依赖机组逻辑控制图来进行机组故障的判断，否则就是教条主义了。因此，采用多种方法进行综合判断才是解决机组故障的最终解决办法。

    案例三:“T5 HIGH” T5温度高报警停机故障在2003、2004年机组大排量运行的过程中，府谷压气站机组曾出现过机组启动困难，并在机组启动过程中NGP到达60%NGP之前出现“T5 HIGH”，即T5温度高报警停机。如果仅仅通过机组逻辑控制图（如图5所示）来进行判断，可以得到以下信息：（1）机组燃气轮机在启动过程中T5温度超过了1450℉；

    （2）在启动过程中，发动机转速已经在60%NGP以上。
        
                      
                                  图5  T5  HIGH逻辑控制图

    从图5的机组逻辑控制图中判断出的信息中可以看出，要解决本次的T5温度高停机，就要解决T5温度高的问题。但是，仅仅从上述两个判断信息来看，可以说几乎无法入手。因此，对于该故障来说，虽然给处理故障提供了一个方向，限定了一个范围，但仅仅依靠机组逻辑控制图中判断出的信息来解决T5温度高故障显然是不合适的。因此在这样的情况下，还需要使用常规的方法来进行判断。工作人员通过常规的方法进行分析后，得出T5温度高的产生原因与以下信息有关：（1）机组燃料控制阀出现故障，控制阀的开度偏大，导致燃料气供给较多；（2）机组燃-空压差（燃料气压力与压气机出口空气压力差）检测变送器故障，导致检测到的燃-空压差比实际值偏大；（3）机组燃-空压差控制参数随着机组的长时间运行，已经变得不合适，需要调整；（4）机组点火斜坡控制曲线参数（加速比）设置不合适；（5）机组燃料气喷嘴堵塞，导致通过喷嘴实际进入燃烧室的空气量偏低；（6）T5探头、信号检测传输通道（含电缆、浪涌保护器、信号处理模块等）出现故障，T5温度信号错误。

    根据以上6条判断的信息，并针对故障发生的可能性进行了研究，将其中“机组燃气—空气压差检测变送器故障”、“T5探头信号检测传输通道故障”、“机组燃料气喷嘴堵塞故障”作为重点对象进行了排查，并在最后将故障锁定在机组燃料气喷嘴堵塞的问题上。组织人员将机组燃料气喷嘴拆下检查，发现燃料气喷嘴堵塞严重，如图6所示。

                          
                                          图6  机组燃料气喷嘴堵塞故障

    结合机组工作原理和喷嘴堵塞的情况，经过分析后，笔者发现了这样一个现象：当机组喷嘴严重堵塞后，在机组启动过程中，喷嘴堵塞将导致实际进入燃烧室的空气量偏低，而此时燃-空压差随着机组转速的增加持续增加，为了将燃-空压差控制在15PSI的范围内，加速斜坡程序控制持续打开燃料气控制阀的开度，以增加燃料气的压力，从而导致进入燃烧室的燃料气量持续增加。由于喷嘴堵塞，进入燃烧室的空气的量相对于燃料气量来说始终偏低，最终由于燃料气过量导致T5温度在很短的时间超过1450℉而停机，如图7所示。

                        
                                       图7  机组燃料气喷嘴堵塞故障时启动曲线与正常曲线的比较  

    从图7中可以看出，在加速斜坡过程，正常情况下燃料气的供应量是逐渐增加的，当T5温度达到一个最高值后，逐步下降，并趋于平稳。而在故障情况下，燃料气的供应量急速升高，从而导致T5温度快速升高，很快达到1450℉的停机值。

    从案例三中可以看出，机组逻辑控制图在本故障案例中所起的作用并不大，仅仅给处理故障提供了一个方向，限定了一个大概的范围，并没有像案例一和案例二中那样能够将排查重点很快限定在一个很小的范围，因此，机组逻辑控制图在处理机组故障的时候并不是万能的。

    4 结论

    综上所述，机组逻辑控制图在处理大多数机组故障的时候是非常有效的，但并不是万能的。目前，府谷压气站三台套燃压机组运行时间长、设备组件老化，使得机组故障频发，而且在当前机组需要大负荷运行、大气量输气，机组出现故障的时候，如何快速解决处理故障，确定机组发生故障的可能范围，使机组快速恢复运行就显得非常重要。因此，掌握了机组逻辑控制图法，就相当于多掌握了一种好的解决机组故障的方法，有助于快速的解决机组故障。

    参考文献：

    [1] Solar Turbines, TaurusTM 60 Operation & Maintenance Instructions Manual.

    [2] Dresser-Rand, CDP-416 Compressor Service Manual.

    摘自《自动化博览》2010年第十期