轴流风机静叶控制系统故障分析

轴流风机静叶控制系统故障分析

王涵

华电能源股份有限公司佳木斯热电厂黑龙江佳木斯154000

摘要：静叶调节系统为典型的电液伺服控制系统。由于长时间受油质污染、环境等因素的影响，静叶角度调节存在控制精度差、飘移、响应迟缓等问题。轴流风机机组作为催化裂化装置的核心装备，为催化裂化装置再生器提供主风以确保装置运行。针对轴流风机静叶控制系统开度突降导致的轴流风机机组中主风量低低联锁事件，通过分析静叶控制系统的联锁控制流程及工作原理，经过现场测试最终确认故障源，并给出了相应的故障处理建议。

关键词：系统故障；静叶控制；轴流风机

引言

主风机静叶漂移是一个困扰很多炼油厂催化裂化装置平稳运行的难题，REXA静叶调节系统可彻底解决静叶漂移的根本问题，并进一步完善了操作手段和控制功能。主风机静叶操作灵敏、稳定，对其他轴流式压缩机静叶调节具有很好的借鉴意义。

1轴流风机静叶系统概述

风机静叶调节系统的稳定运行不仅决定了工艺过程的安全生产，并且其控制精度决定了全厂生产是否能高效优质的完成。由启动电动机或烟气轮机通过联轴器和中间轴带动叶轮旋转做功，介质（气体）则通过叶片（轮）流道时在子午面上收敛加速，从而获得动能，再经后导叶整流后进入扩压器，此时流速下降，大部分动能转换为静压能，从而满足了系统用风压、风量需求。该控制系统的主要控制方案有静叶开度控制与故障锁位两种，所有的控制功能都由集成在REXA静叶控制器来完成。

2故障概述

2.1故障

为了克服现有技术的不足，吸取国内外先进的技术，总结多年风机生产、设计和应用的实践经验，设计开发一种新型风机静叶调节方式，以解决现有静叶调节系统定位精度差，系统维护繁琐等问题。本文以某公司为例，该公司催化裂化装置四机组系统分别由电动机、轴流风机、汽轮机、烟汽轮机四部分组成，该机组均由压缩机控制系统（CCS）控制，其中轴流风机为催化裂化装置再生器提供主风以确保装置运行。1.3Ｍｔ／ａ催化裂化装置主风量在8.5×104ｍ3／ｈ以上，而作为主风调节控制的静叶控制系统显得更为关键，其故障波动将直接导致催化裂化装置主风流量波动甚至造成主风流量低低联锁停车，以下就一起因静叶控制系统故障造成的装置联锁的案例进行分析。

2.2事件经过

在２０１８０６０３Ｔ０２３０３２，催化裂化装置主风静叶控制系统开度在２ｍｉｎ内从69％突降至37％，导致主风流量低低联锁，催化裂化装置切断进料，机组安全运行，经联锁复位后静叶控制系统运行正常，临时投入运行。为避免系统再次误动，处理过程中对静叶执行机构进行机械限位，活动范围限制在67％～73％，２０１８０６０４Ｔ０９０２静叶系统再次开始波动但ＣＣＳ输出信号未变化，由于机械限位作用，因而未导致装置产生严重后果。

3故障原因分析

3.1直接原因

主风风量大幅下降，触发装置主风流量低低联锁，主风机组进入安全运行状态，主风机组联锁控制逻辑如图１所示。

3.2间接原因

静叶控制系统在控制室ＣＣＳ未发出减小静叶开度指令的情况下自行关小静叶开度，且在静叶开度回讯信号与给定信号偏差大于规定值４％时也未能发出自锁命令，直至风机静叶关至３７％时，主风量大幅下降，引发主风流量低低联锁。

3.3根本原因

静叶控制系统ＰＬＣ扩展模块通信短时中断导致ＰＬＣ失效，由于静叶控制系统ＰＬＣ扩展模块通信短时中断属偶发故障，在后续的检查中，一直未出现，直至２０１８年６月９日下午通信中断故障再次出现时才被捕捉到。

4系统故障过程分析

4.1工作原理分析

来自蓄能器的高压油，经过控制油路块，进入自锁电磁阀ＤＶ１的Ｐ端，若操作方式设置为自动，系统操作条件正常，则ＤＶ１带电，高压油通过ＤＶ１的相应油道，进入液控单向阀Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３的控制端使其呈双向流通状态，其油道变为通道，高压油经过Ｖ１进入比例阀ＳＶ１的Ｐ端，此时只需改变ＳＶ１相应线圈的控制电流幅值，就能改变ＳＶ１两个输出口的流向与流量，即操纵伺服油缸活塞移动的方向与速度，实施阀开与阀关的操作，以上所有动作由１台ＰＬＣ控制。

4.2影响因素分析

影响静叶油缸开度的因素有三个方面：自保阀油路、比例阀阀位控制油路、手操阀油路。由于手操阀油路在静叶控制系统中不起作用，已经被截止阀截断，因此能够影响静叶开度的只有自保阀油路和比例阀油路[1]。

4.3故障过程分析

从静叶控制系统工作原理出发，一般静叶锁位失效首先考虑是自保阀或比例阀泄漏造成，但比例阀泄漏前提是自锁阀故障或液压单向阀Ｖ１／Ｖ２故障，对比其他故障及相关记录，该故障最大的特点是故障时间非常短，从锁位因素出现到风量下降到防喘振阀打开只用了不到６０ｓ，到安全运行也只用了１３０ｓ，而之前曾发生过的自保阀泄漏，整个故障过程持续了１个多小时，该故障发展速度很难用比例阀和自保阀泄漏解释[2]。通过实验测试，２０１８年６月９日在确认自锁成立的条件下实验测试静叶开度保持时间超过１ｈ，在相同条件下强制解除自锁功能，实验测试比例阀和自保阀综合漏量对静叶开度的影响在３０ｓ内达到1.17％，推算静叶开度由６９％降至３７％需要１４ｍｉｎ以上，实验表明单纯比例阀和自保阀泄漏不能造成静叶２ｍｉｎ内关闭，静叶２ｍｉｎ内关闭必须自锁阀未能动作、比例阀保持一定开度不变两种情况同时出现。

4.4故障原因确定

当静叶单向关闭、自锁阀不动作、比例阀保持一定开度不变三种情况同时出现时，即可确定为控制系统故障。最初疑似ＰＬＣ故障，但始终未发现证据。直到２０１８年６月９日下午在现场操作面板显示ＳＰ与ＰＶ完全一致的情况下却不能投入自动，现场测试ＰＬＣＡＩ端子电流与操作面板指示一致，接入ＰＬＣ手操器发现ＣＰＵ内部数据与扩展模块ＡＩ端子电流值完全不同，但ＣＰＵ模块中的ＤＩ／ＤＯ与手操器读取信息一致，最终确认为ＰＬＣ故障。分析静叶控制柜接线发现，静叶开度指令ＳＰ值、静叶实际开度反馈ＰＶ值及比例阀控制ＡＯ值均由控制系统ＰＬＣ扩展模块接入，ＰＬＣ扩展模块通信短时中断，ＣＰＵ无法读取到ＳＰ，ＰＶ等数据，也无法向ＡＯ发出命令[3]。由于自保输入输出信号自ＣＰＵ主模块接入未受到通信故障影响，因此事故当时自保联锁正常。局部放大故障发生前后记录曲线，故障发生前静叶控制系统处于一个比较规律的微调状态，静叶开度反馈信号PV值始终在围绕SP值在不断的微弱调节，ＰＬＣ故障出现时恰好为关闭命令方向，通信故障导致关闭命令保持，静叶匀速关闭，同时在PV与SP偏差大于４％的预设值时，ＣＰＵ未能得到信息发出自锁保位的命令，符合事件发生时静叶匀速关闭的现象[4]。PLC故障时比例阀处于微关命令位置，导致该次故障发展速度远大于单纯液压件渗漏引发的故障情况。综上确认PLC扩展模块通信故障为该次事件根本原因。

结束语：

综上所述，对于关键的控制系统，不建议采用现场非冗余PLC模式控制，由于该PLC为非SIL认证系统，直接影响整个控制回路的可靠性，下一步将要求厂商研究将现场PLC程序移植到机组CCS和冗余化设计方案，提高控制系统可靠性。

参考文献：

[1]赵连彬，赵冠夫.新型REXA执行器在风机静叶调节系统中的应用[J].广州化工，2018，46（18）：99-100+112.

[2]刘光辉.轴流风机静叶控制系统改造及效益分析[J].化学工程与装备，2018（09）：245-246.

[3]姜泳，郭雨菲.轴流风机REXA静叶控制器的性能优化[J].自动化与仪器仪表，2017（S1）：140-142.

[4]李海涛，张登耀.轴流式风机喘振逆流的控制及故障分析[J].设备管理与维修，2017（05）：61-63.