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    呂子文（1971-）男，湖北潛江人，本科，工程師，1995年畢業于江漢石油學院儀表自動化專業，2005年畢業于中國石油大學油氣儲運工程專業，現就職于中石油中亞天然氣管道有限公司，主要從事壓縮機組及其輔助設備的安全生產運營及增壓站全面管理工作。

    摘要：府谷壓氣站燃氣輪機-壓縮機組已經安全運行8年多，由于機組長期運行，設備組件老化，機組出現故障的次數、幾率逐步上升，故障處理的難度也在逐漸增加。如何安全、快速、有效的解決機組出現的各種故障，保障機組安全平穩運行顯得非常重要。本文僅針對機組邏輯控制圖在機組故障處理過程中的應用，以案例的方式詳細的闡述了機組故障處理的方法，旨在說明進行機組故障處理時，不同的思路和方法在機組故障處理過程中具有不同的效用，以達到拋磚引玉、拓展思路的目的。

    關鍵詞：燃氣輪機；離心壓縮；NGP；NPT；機組邏輯控制圖

    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 設備概況與分析

    府谷壓氣站是陜京一線輸氣管道上五座壓氣站中的第三座。府谷壓氣站有三套從美國引進的燃氣輪機-離心壓縮機組（以下簡稱燃壓機組），它們分別是美國SOLAR公司生產的TaurusTM 60型燃氣輪機和美國Dresser-Rand公司生產的CDP-416型離心壓縮機成撬而成。府谷壓氣站燃壓機組裝機容量為16020kW，2000年11月建成投產，三臺套燃壓機組同時運行時，日輸氣量可達1030萬標方/日，年輸氣量36億標方，能夠很好地滿足大氣量輸氣生產的需求。到目前為止，A、B兩臺機組的運行時間都已接近3萬小時，三臺機組在歷年來的冬季大氣量輸氣生產過程中發揮了重大的作用。可以說，雖然府谷壓氣站是陜京輸氣管道中重要的一座中間壓氣站，卻起著承上啟下的關鍵作用。

    隨著機組長時間的運行，機組的各個部件逐漸開始老化，故障率逐漸升高，而且由于府谷壓氣站的地理位置的重要性決定了府谷壓氣站機組必須長時間運行或確保一直處于正常可用狀態，在這樣的情況下，快速、有效的及時處理機組出現的各類故障就顯得尤為重要。

    2 機組控制邏輯圖在機組故障處理中的重要意義

    本文不討論需要對機組進行的預防性的常規維護工作，只對機組出現故障時的處理方法進行討論。在府谷壓氣站機組出現故障時，實際上除了通用的分析、處理方法外，還經常借助于機組控制邏輯圖對機組故障進行分析判斷，以達到快速解決機組故障的目的。經過大量的實際應用，筆者發現這種方法對機組故障的判斷處理有直接的幫助，使得故障的判斷處理極為迅速有效。因此，掌握了機組控制邏輯圖法對機組故障進行判斷、分析，對確保機組能夠及時、有效的排除故障，快速恢復機組到正常狀態有著非常重要的實際指導意義。

    府谷壓氣站機組自2000年11月開始運行以來，出現過不少的常規和非常規故障，據統計大約有90%以上的常規和非常規故障都可以通過運用機組邏輯控制圖法進行快速、有效的判斷、解決，而且能夠有效縮短故障排查和處理的時間，提高機組的可用率。

    3 機組控制邏輯圖在故障處理過程中的實際應用

    燃壓機組出現故障時，通過機組控制邏輯圖分析法可以很直觀的分析出故障的類別以及故障所在的可能部位，然后再結合通常的檢查辦法，就可以較快的將故障排除。為了更加形象地對機組控制邏輯圖分析法及其在府谷壓氣站的應用進行說明，特以府谷壓氣站曾經出現過的故障舉例如下：

    案例一：“POWER TURBINE BREAKAWAY FAIL”動力透平脫離失敗停機故障

    根據通常的分析方法，可以得知，與動力透平脫離相關的信號、設備有：動力透平轉速、燃機燃氣發生器轉速；轉速檢測探頭、信號通道連接電纜、浪涌保護器、速度信號輸入模塊、電機控制變頻器、380AC電源部分、電機、燃機附屬齒輪箱等等。如果要徹底查清該故障出現的原因，就有可能需要對上述相關信號和設備一一進行檢查、分析，這樣工作量很大而且會浪費很多時間。當然，根據故障出現的可能性，可以把故障可能發生的范圍縮小到動力透平轉速、轉速檢測探頭、信號通道連接電纜、浪涌保護器、速度信號輸入模塊、電機控制變頻器、燃機附屬齒輪箱等，但即使這樣，一一檢查起來，工作量仍然不小。如果借助機組控制邏輯圖，就可以將查找范圍縮小到一個很小的范圍（盡管也可能將故障設備排除在外，不過根據在府谷壓氣站曾經出現過的故障，通過使用機組控制邏輯圖來幫助排查故障設備的經驗來看，這種情況發生的可能性非常小），如下圖1所示。
                   
                       
                         圖1     “POWER TURBINE BREAKAWAY”  邏輯控制圖 

    從圖1中可以看出，導致“POWER TURBINE BREAKAWAY”報警信息出現的條件只有兩個，而且必須是兩個條件同時出現時，才會導致“POWER TURBINE BREAKAWAY”報警信息出現，從而將前述所列的12個可能故障點一下子縮減到了2個，即：機組NGP轉速達到65%以上，同時NPT轉速低于5%，可以極大的加快故障排查的速度。

    在實際故障處理過程中，我們發現NGP（燃氣發生器轉速）達到65%以上時，NPT（動力透平轉速）實際上已經達到了20%以上，根據機組邏輯控制圖中的邏輯控制原理，在速度檢測設備均正常情況下，機組不應該出現這一故障。那么，出現了這種情況只能說明其中有一個轉速檢測探頭或數據傳輸通道出現了問題。于是，將NGP和NPT轉速以100ms的掃描間隔時間置于同一個實時趨勢圖中，重新啟動機組。在機組啟動過程中，實時NPT曲線在壓縮機NPT轉速達到25%左右時突然出現一個向下的尖波中斷，NPT轉速突然降低為零，如圖2所示。
                          
                    
                                    圖2  NPT轉速達到25%左右突然出現一個向下

    此時“NPT Un d e r 5%”邏輯塊輸出“1”，同時“NGP Above 65%”邏輯塊滿足條件，也輸出“1”，當兩個條件同時輸出“1”時，導致“POWER TURBINE BREAKAWAY”報警信息出現并停機。因此，根據NPT轉速達到25%左右出現中斷尖波的信息，結合對數據傳輸通道的檢測結果可以進一步得到以下判斷：機組通信通道工作正常；各個通訊模塊工作正常；浪涌保護器工作正常；NPT轉速探頭存在故障；考慮到現場機組運行時震動較大，探頭延伸電纜也可能存在故障。

    根據以上得到的判斷，再經過現場對探頭延伸電纜的檢查，很快判斷出是由于NPT轉速探頭故障導致的機組停機。更換NPT探頭，再次啟動機組進行測試，機組一次性啟動成功。機組正常啟動的曲線如圖3所示。
             
                   
                           圖3   機組正常后NPT轉速運行曲線

    案例一中描述的故障在處理方法和過程上很快說明了一個事實，那就是：在進行機組故障處理的過程中輔以機組邏輯控制圖，就可以達到事半功倍的效果。

    案例二：“POWER TURBINE UNDERSPEED”動力透平低速停機故障

    府谷壓氣站在機組運行過程中，在調整轉速的時候曾出現過“POWER TURBINE UNDERSPEED”動力透平低速停機故障。根據通常的分析方法，當出現“POWER TURBINEUNDERSPEED”動力透平低速停機報警信息時，根據機組結構和控制原理可以判斷可能出現的故障點如下所列：

    （1）機組正常運行時的實際NPT轉速低于50%；

    （2）NPT轉速探頭出現故障；

    （3）NPT探頭延伸電纜故障；

    （4）電纜各個連接點接觸不良；

    （5）浪涌保護器故障；

    （6）速度輸入模塊故障。

    根據以上6條判斷出來的信息，如果逐步一一進行檢查，需要花費大量的時間。但是從如圖4所示的邏輯控制圖可以看到其中還隱藏著以下幾個信息：

    （1）機組第一次運行的時候，機組NPT轉速必須超過60%；

    （2）機組運行正常后，機組NPT轉速不得低于50%；

    （3）機組第一次運行的時候，如果NPT轉速不超過60%，6分鐘后將停機；

    （4）機組不存在任何硬件和軟件的故障。

    根據以上情況，可以看出，如果在進行機組調整轉速時造成機組“POWER TURBINE UNDERSPEED”動力透平低速停機后，如果查找不到任何故障時，按照機組邏輯控制圖就可以得到上述的另外3條信息，可以比較容易的就可以得到該故障是由于機組轉速調整不正確而導致的故障，從而在下次進行機組轉速調整時進行避免。
            
                 
                    圖4    “POWER TURBINE BREAKAWAY” 邏輯控制圖

    雖然通過機組邏輯控制圖輔助能夠快速判斷機組故障，但機組邏輯控制圖也并不是萬能的，不可能在任何機組故障判斷中都能夠起到簡化故障，快速分析、判斷故障的作用。不能盲目的在每一次機組出現故障時全部依賴機組邏輯控制圖來進行機組故障的判斷，否則就是教條主義了。因此，采用多種方法進行綜合判斷才是解決機組故障的最終解決辦法。

    案例三:“T5 HIGH” T5溫度高報警停機故障在2003、2004年機組大排量運行的過程中，府谷壓氣站機組曾出現過機組啟動困難，并在機組啟動過程中NGP到達60%NGP之前出現“T5 HIGH”，即T5溫度高報警停機。如果僅僅通過機組邏輯控制圖（如圖5所示）來進行判斷，可以得到以下信息：（1）機組燃氣輪機在啟動過程中T5溫度超過了1450℉；

    （2）在啟動過程中，發動機轉速已經在60%NGP以上。
        
                      
                                  圖5  T5  HIGH邏輯控制圖

    從圖5的機組邏輯控制圖中判斷出的信息中可以看出，要解決本次的T5溫度高停機，就要解決T5溫度高的問題。但是，僅僅從上述兩個判斷信息來看，可以說幾乎無法入手。因此，對于該故障來說，雖然給處理故障提供了一個方向，限定了一個范圍，但僅僅依靠機組邏輯控制圖中判斷出的信息來解決T5溫度高故障顯然是不合適的。因此在這樣的情況下，還需要使用常規的方法來進行判斷。工作人員通過常規的方法進行分析后，得出T5溫度高的產生原因與以下信息有關：（1）機組燃料控制閥出現故障，控制閥的開度偏大，導致燃料氣供給較多；（2）機組燃-空壓差（燃料氣壓力與壓氣機出口空氣壓力差）檢測變送器故障，導致檢測到的燃-空壓差比實際值偏大；（3）機組燃-空壓差控制參數隨著機組的長時間運行，已經變得不合適，需要調整；（4）機組點火斜坡控制曲線參數（加速比）設置不合適；（5）機組燃料氣噴嘴堵塞，導致通過噴嘴實際進入燃燒室的空氣量偏低；（6）T5探頭、信號檢測傳輸通道（含電纜、浪涌保護器、信號處理模塊等）出現故障，T5溫度信號錯誤。

    根據以上6條判斷的信息，并針對故障發生的可能性進行了研究，將其中“機組燃氣—空氣壓差檢測變送器故障”、“T5探頭信號檢測傳輸通道故障”、“機組燃料氣噴嘴堵塞故障”作為重點對象進行了排查，并在最后將故障鎖定在機組燃料氣噴嘴堵塞的問題上。組織人員將機組燃料氣噴嘴拆下檢查，發現燃料氣噴嘴堵塞嚴重，如圖6所示。

                          
                                          圖6  機組燃料氣噴嘴堵塞故障

    結合機組工作原理和噴嘴堵塞的情況，經過分析后，筆者發現了這樣一個現象：當機組噴嘴嚴重堵塞后，在機組啟動過程中，噴嘴堵塞將導致實際進入燃燒室的空氣量偏低，而此時燃-空壓差隨著機組轉速的增加持續增加，為了將燃-空壓差控制在15PSI的范圍內，加速斜坡程序控制持續打開燃料氣控制閥的開度，以增加燃料氣的壓力，從而導致進入燃燒室的燃料氣量持續增加。由于噴嘴堵塞，進入燃燒室的空氣的量相對于燃料氣量來說始終偏低，最終由于燃料氣過量導致T5溫度在很短的時間超過1450℉而停機，如圖7所示。

                        
                                       圖7  機組燃料氣噴嘴堵塞故障時啟動曲線與正常曲線的比較  

    從圖7中可以看出，在加速斜坡過程，正常情況下燃料氣的供應量是逐漸增加的，當T5溫度達到一個最高值后，逐步下降，并趨于平穩。而在故障情況下，燃料氣的供應量急速升高，從而導致T5溫度快速升高，很快達到1450℉的停機值。

    從案例三中可以看出，機組邏輯控制圖在本故障案例中所起的作用并不大，僅僅給處理故障提供了一個方向，限定了一個大概的范圍，并沒有像案例一和案例二中那樣能夠將排查重點很快限定在一個很小的范圍，因此，機組邏輯控制圖在處理機組故障的時候并不是萬能的。

    4 結論

    綜上所述，機組邏輯控制圖在處理大多數機組故障的時候是非常有效的，但并不是萬能的。目前，府谷壓氣站三臺套燃壓機組運行時間長、設備組件老化，使得機組故障頻發，而且在當前機組需要大負荷運行、大氣量輸氣，機組出現故障的時候，如何快速解決處理故障，確定機組發生故障的可能范圍，使機組快速恢復運行就顯得非常重要。因此，掌握了機組邏輯控制圖法，就相當于多掌握了一種好的解決機組故障的方法，有助于快速的解決機組故障。

    參考文獻：

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

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

    摘自《自動化博覽》2010年第十期