毛大军
（呼伦贝尔金新化工有限公司，内蒙古 呼伦贝尔021506）
［摘 要］呼伦贝尔金新化工有限公司36 000 m3/h空分装置氮气压缩机采用凝汽式汽轮机驱动，氮压机透平-压缩机综合控制系统（ITCC）选用TRICON TS3000控制器。2013年10月20日空分装置开车过程中，氮压机透平转速出现大幅波动，随后紧急停车，现场检查发现，就地仪表盘上的二次油压未出现波动的情况下调节汽阀开度却在不断地变化。结合氮压机透平转速调节原理及汽轮机转速波动常见原因，对汽轮机转速波动的可能原因逐一进行分析与排查，最终确认为现场进油动机的二次油管线上单向节流阀装反所致，随即调换单向节流阀的安装方向，并对二次油管线进行了技改、在ITCC画面上添加二次油压的趋势记录。同时，从本次事故中总结了氮压机检维修等方面的经验教训。
［关键词］氮气压缩机；凝汽式汽轮机；转速波动；原因分析；调节汽阀；单向节流阀；应对措施；经验教训
［中图分类号］TK269+.1 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2021）04-0046-04
0 引 言
呼伦贝尔金新化工有限公司“50·80”项目（500 kt/a合成氨、800 kt/a尿素）配套36 000 m3/h空分装置是公用工程中的重要单元，不仅为全厂提供仪表空气、工厂空气，而且肩负着为下游生产系统提供合格氧气和氮气的重任。生产系统所用氮气主要分为低压氮气和中压氮气，正常情况下直接从空分精馏塔下塔顶部抽一股低压氮气，经高压主换热器复热后，再经低压氮气管网送至下游系统；当外界使用低压氮气的量较大时，中压氮气通过减压阀为低压氮气管网自动补充部分低压氮气。
从精馏塔下塔顶部抽出的氮气进入过冷器，分别经高压主换热器和低压主换热器复热后，送至离心式氮气压缩机（简称氮压机）入口，由氮压机升压至3.7 MPa后送出（主要用作原料及催化剂保护、置换气等）。氮压机由汽轮机（透平）、低压缸、高压缸、齿轮箱组成，汽轮机为凝汽式（由杭州汽轮机股份有限公司制造）。氮压机透平-压缩机综合控制系统（简称ITCC），选用美国TRICONEX公司的TRICON TS3000控制器对机组进行控制和保护。
1 氮压机透平转速调节原理
氮压机透平上共有6支磁感应转速探头（如图1），3支进ProTech 203超速保护系统，专门用于氮压机超速保护；另外3支探头进入ITCC控制系统参与转速控制。参与转速调节的3个信号，SE01662和SE01663直接进入ITCC控制系统的脉冲卡件；SE01661则先经过现场转速表，由现场转速表转换成4～20 mA模拟量信号后再送至ITCC控制系统，同另外2支探头（SE01662和SE01663）转速信号一起选取中值参与汽轮机的转速控制，与目标转速设定值比较，然后由转速调节模块运算后输出相应的电流信号。现场电液转换器接收到转速调节的电流信号后，将模拟量信号转换成对应的油压信号，控制油动机油缸内的活塞动作，再通过杠杆系统操纵调节汽阀的开度，从而控制汽轮机的转速。
1.1 电液转换器的工作原理
电液转换器由福伊特公司生产，采用24 V直流电，由电磁控制部分和液压部分组成。4～20 mA的给定电流信号在控制磁体中产生一个磁力，经推杆传递给控制活塞，将电流信号转换成相应的液压信号作为反馈值，用来控制汽轮机调节汽阀的阀位。
电磁控制体向控制活塞提供磁力FMag，然后又抵消由输出油压A通过控制活塞中心通孔而产生的液压力FHydr。执行器的输出油路一直拥有所需的油压和油量，从而精确控制调节汽阀的阀位。
氮压机组上使用的电液转换器型号为DSG-B07112，带手动旋钮，其设计参数见表1。在无电的情况下，弹性挡圈从旋钮上去掉后可由手动控制旋钮来操作，顺时针旋转输出压力增加。W=4 mA分压计X0和W=20 mA分压计X1分别用于最小输出压力和最大输出压力的调整。
1.2 调节汽阀的工作原理
调节汽阀的作用是按照控制单元的指令改变进入汽轮机的蒸汽流量，以使机组受控参数（功率或转速、进汽压力、背压等）符合运行要求。调节汽阀主要由调节阀、传动机构和油动机三部分组成。其中，调节阀包括阀杆、阀梁、阀碟及阀座等；传动机构由支架和杠杆组成；油动机为断流双作用往复式，主要由油缸、错油门、连接体和反馈机构组成，是调节汽阀的执行机构，它将电液转换器输入的二次油压信号转换为有足够做功能力的行程输出，以操纵调节阀，控制汽轮机进汽量。
1.3 调速系统液压控制原理
调速系统液压控制原理如图2。电液转换器将4～20 mA的电流信号转换成0.15～0.45 MPa的二次油压信号后，液压油经单向节流阀节流后进入油动机错油门，油的流向由错油门滑阀控制；在稳定工况下，滑阀下端的二次油作用力与上端的弹簧力相平衡，使滑阀处在中间位置，滑阀凸肩正好将中间套筒的油口封住，油缸的进、出油路均被阻断，此时油缸活塞不动作，调节汽阀的开度保持不变。当工况发生变化，比如出现转速降低或升高时，二次油压C将升高或降低，滑阀的受力平衡改变使滑阀上移或下移，于是，在动力油P通往油缸活塞上腔的油口被打开的同时，活塞下腔或上腔与回油口T接通，因此活塞下行或上行，使调节汽阀开度增大或减小，进入汽轮机的蒸汽流量增加或减少，机组转速增大或降低；同时，随着活塞的下行或上行，通过反馈杠杆的动作使错油门弹簧的工作负荷增大或减小，当作用在滑阀上的二次油压力与弹簧力达到新的平衡时，滑阀又恢复至中间位置，机组也就在新的工况下稳定运行。
2 氮压机透平(汽轮机)转速大幅波动事故简况
2013年10月20日09:05，氮压机开车，在1 000 r/min和4 650 r/min升速暖机时，调节汽阀开度均在40%左右；升速完成后，汽轮机进入正常工作转速，当日16:00左右，汽轮机转速出现大幅波动，波动幅度超过1 000 r/min，调节汽阀开度在15%～73%之间大幅波动；随后主控（人员）采取了紧急停车，现场人员检查发现，就地仪表盘上的二次油压未出现波动的情况下调节汽阀的开度却在不断地变化。
3 氮压机透平转速波动原因分析及排查
3.1 汽轮机转速波动的常见原因
（1）油路系统方面。主油泵打量不足而控制油压力较低，且辅油泵未自启动；回油管线有压力，蓄能器未正常投用；润滑油、控制油管线较脏，润滑油、控制油不洁净使控制油路（管线）堵塞而油压不稳定。以上原因均可能引起汽轮机转速波动。
（2）蒸汽系统方面。高压蒸汽管网设计压力9.3 MPa、温度525 ℃，高压蒸汽管网必须提供足够的蒸汽流量来保证氮压机的运行，否则会引起汽轮机转速波动。
（3）工艺气量波动。实际生产中，氮压机四段出口压力放空调节阀（PV01659）阀位如果出现大幅波动，或者空分冷箱送至氮压机入口的氮气流量出现大幅波动，以及氮压机送外界的中压氮气流量出现大幅波动，均可能引起汽轮机转速波动。
（4）电液转换器故障。电液转换器工作时供电不足；或者电液转换器控制电流扰动；或者液压部件进入了空气、灰尘、颗粒等，被污染的压力流体引起控制活塞处摩擦增大，出现动作滞后现象及压力的变化，导致二次油压不稳定，输出压力出现巨大波动。以上原因均可能引起汽轮机转速大幅波动。
（5）ITCC控制系统方面。控制系统自身方面的原因如控制器出现故障、脉冲卡件异常，或汽轮机转速调节的PID参数设置不正确、控制不稳定，将导致调节汽阀开度波动，进而引起汽轮机转速波动较大。
（6）转速探头故障。汽轮机上3支进入ITCC控制系统的转速探头（SE01661/01662/01663）若出现了故障，致转速测量不准确，就会误导ITCC系统的控制，从而导致调节汽阀开度波动较大，不能稳定控制汽轮机转速。
（7）机械松动。调节汽阀上的反馈杠杆、调节螺钉、杠杆等松动，或这些连接处的间隙变大，将导致调节汽阀动作不灵敏，引起汽轮机转速波动。
（8）调试方面。停车检修后，未对调节汽阀的行程做静态调试，可能导致调节汽阀开度与控制系统上的输出值不对应，或者出现调节汽阀动作不顺畅等问题，引起汽轮机转速波动。
（9）单向节流阀油路不畅。单向节流阀实际上是由节流阀和单向阀并联在一起组合而成的复合阀，主要由阀芯、阀体、阀体盖、螺纹杆、手轮、弹簧和丝堵组成，其节流面积的大小是靠手轮来调整的，如果调整不合适，或者单向节流阀安装方向不正确，将会导致进入油动机的二次油压不稳定或者回油不畅，进而引起汽轮机转速波动。
3.2 排查过程
汽轮机转速出现波动后，对现场设备进行了仔细检查，并结合ITCC画面上各仪表测点的趋势图分析，润滑油泵出口压力一直保持在1.05 MPa左右、油温在40 ℃左右；控制油压力正常，在0.87～0.92 MPa之间；查看DCS操作画面，高压蒸汽的压力、温度无大的波动，均属正常，蒸汽流量也满足要求；现场仪表盘上的示数，油压和蒸汽流量方面均无问题。
2013年10月20日氮压机开车，机组转速升至6 500 r/min时，防喘振阀（FV01657）开度25%，放空阀（PV01659）开度在60%左右，氮压机一段入口压力106 kPa（A）、出口压力3.7 MPa，当时各装置处于大修期间，外界氮气用量非常少，由此排除了因工况波动而致汽轮机转速波动的可能。
更多内容详见《中氮肥》2021年第4期