路鹏
中海石油（中国）有限公司天津分公司 （天津） 301900
摘要：燃气轮机在运行过程中，常常会因为传感器、CPU模块、输入/输出模块、网络通信模块以及执行机构等软硬件的故障所引起的燃气轮机紧急停机，不仅加大了工作人员的运维难度，也造成了不可避免的经济损失。因此，对燃气轮机控制系统得故障原因进行系统的分析，不仅有助于及时准确的发现已有故障，降低运维成本；也能有助于形成科学的运维方案，最大可能避免由可控原因而造成的故障停机损失；还能后将燃气轮机控制系统的系统级故障和具体的部件级故障关联，明确故障的具体场景和形式，为进一步完备、完整的诊断重型燃气轮机控制系统故障提供研究的支撑。
关键词：燃气轮机；系统故障；对策
1 故障对象
不同于航空发动机用于输出推力，无论是地面用燃气轮机还是舰船用燃气轮机都以输出轴功率为主，会增加相应的传动装置和发电装置，同时燃气轮机机组通常还配置了很多辅机设备。因此燃气轮机控制系统部件更多，更为庞杂。本文从燃气轮机控制系统的具体组成部件：传感器部分、执行机构部分、电子控制器部分展开研究，明确燃气轮机控制系统故障对象的种类型号、布置数量、安装位置、运行环境、工作用途等。燃机控制系统按照系统工艺流程可以分为多个子系统，以某典型燃气轮机机组为例，根据子系统对燃气轮机的传感器和执行机构进行梳理。
2 传感器故障
2.1 热电偶典型故障
燃气轮机中热电偶主要用于测量轴承金属温度、叶片通道温度等高温区域的温度。热电偶作为一种一次仪表，把温度信号转换为热电势信号，通过变送器，将电势信号传输至燃气轮机控制系统的热电偶输入模块，从而实现可以实现温度显示和控制。
2.2 热电阻典型故障
热电阻在中低温区的高测量精度使其广泛应用于工业场景，在燃气轮机中热电阻主要用于发电机定子绕组等温度区域。热电阻的测温方式是利用了金属热电阻或半导体热敏电阻的阻值随温度变化而变化的特性，把温度信号转换为热电阻信号传输至燃气轮机控制系统的热电阻输入模块，从而实现可以实现温度显示和控制。
2.3 压力传感器典型故障
压力传感器把待测压力变换为规定的4～20m A标准信号输入至燃气轮机控制系统的模拟量输入模块。通过设定高低值，当压力值高于或低于设定值时，将此超限信号输入至燃气轮机控制系统的数字量输入模块。
2.4 液位传感器典型故障
燃气轮机中液位传感器主要是对润滑油油箱液位、燃机冷却空气冷却器液位进行测量。利用压力差测量液位数值，通过液位变送器输出4～20m A标准信号输入至燃气轮机控制系统的模拟量输入模块。通过设定高低值，当液位值高于或低于设定值时，将此超限信号输入至燃气轮机控制系统的数字量输入模块。
3 执行机构故障
燃机控制系统执行机构，接受来自控制器的信号指令进行动作，执行机构发生动作之后将位置信号反馈给控制器，控制器接收到反馈信号后判断执行器动作是否正常。
执行机构主要包括：液压执行机构（IGV、燃料速比阀、燃料控制阀）、气动执行机构（燃料截止阀、高/中/低压防喘放气阀、燃气吹扫阀、IBH）、电动执行机构（如燃机入口燃气管道安全切断阀）。以某典型燃气轮机为例，主要的执行机构如下。
3.1 速比/截止阀
速比截止阀主要用于调节燃料控制阀前压力，使其维持在给定值，这个值正比于燃机的转速，使控制阀流量和开度成线性关系，便于控制系统燃料调节。速比/截止阀还起到截止阀的作用，在机组遮断时能够及时切断燃料。
速比截止阀是V型球体阀。随着V型球体阀阀芯的旋转，其通流部分面积是线性变化的，当阀前压力恒定时，其阀后压力成比例增加。当阀芯旋转到一定的位置时，其通流部分面积保持不变，其阀后压力保持恒定。
3.2 燃料控制阀
燃料控制阀根据控制指令调整阀门开度（阀门通流面积），以调整送入燃烧室天然气流量，并通过LVDT测量阀位反馈，传回控制系统，从而实现对燃料流量的控制回路。
燃料控制阀的阀座为缩放型的拉伐尔管，可以提供与阀的冲程形成一定比例的流通面积，阀芯则设计成带有裙边的碟形体。在阀门的设计阶段,考虑到阀门前后的天然气的压力比总是满足小于临界压力比的条件，因而流过燃料气控制阀的天然气流量仅是阀前压力和阀截面积的函数[7]。
3.3 压气机进口导叶
压气机进口导叶（IGV）控制系统根据燃气轮机运行的不同需要，通过改变IGV叶片角度，控制通流面积，来改变进入压气机的空气流量，实现对燃气轮机的控制。
4 电子控制器故障分析
4.1 CPU典型故障分析
CPU控制模块是燃气轮机控制系统电子控制器的核心元器件，进行模拟量和数字量数据采集、数据处理和通信、数据输出。通过编程，可以实现燃气轮机所需的各种控制策略，如顺序控制、PID调节、高级控制策略以及其他根据现场不同特性所需求的不同特殊功能。同时控制单元还具有自诊断以及冗余容错能力。
常见故障有：（1）设备间温度过高，长时间高温运行导致CPU故障。（2）控制器多次异常切换故障。（3）硬件驱动程序不匹配引发的控制器通信故障。
4.2 I/O模块典型故障分析
I/O模块常见故障有：（1)I/O模块使用时间过长，超过使用年限。（2）模块与底座接插不严密。（3）在更换模块时，对于模块的硬件拨码、软件组态错误。（4）硬件接线与实际信号要求的不一致。（5）机柜内电源输出不正常。（6）接线错误导致本应接收弱点信号的I/O模块窜入了强电信号。（7）模块接线柱及接线端子存在短路、虚接、错接等问题。（8）对于模拟量输入模块，可能存在保险丝损坏的现象。（9）模件底座通信回路故障。
4.3 网络典型故障分析
通信网络故障相关的现象表现形式主要为：热备冗余交换机切换失败；操作员站无法正确读取控制器数据；服务器死机；控制器死机、断网；控制器冗余切换失败；历史趋势或实时趋势曲线存在断点数等。
不考虑软件的问题，对位于燃气轮机控制系统主要的通信问题主要有以下几种：（1）编程过程中存在失误，造成使用了网络某节点中不存在的数据，导致采用问询方式的数据传输反复进行，最终形成网络堵塞当。（2）部分站点设置在可移动的装置上，使用了卷筒讯通电缆，在运行过程中由于振动等原因，造成通信故障。（3）在燃气轮机运行过程中，对于人机交互软件的更改只增不减，导致控制器通信的数据量不断增加，而大部分数据是无效数据，导致控制器模块负荷量增加，造成网络堵塞。（4）若硬件版本升级，则对应的软件及驱动程序均应该升级，否则可能会应为不匹配而造成网络通信堵塞。（5）历史数据库的数据量随着运行过程不断增加，当数据频繁传输时，会导致操作员站出现死机等现象。（6）设备间温度高，通信模块长时间高温运行造成通信故障[8-10]。
对于电子控制器的故障，主要需要在日常运行和维护过程中按照正确的规程进行，若模块发生不可恢复的故障，应尽快更换模块。
5 结语
本文分析的燃气轮机控制系统的故障多为常见典型故障，虽然不同的工厂、不同的运行环境、不同的运行规程都会形成其特有的故障形式，但故障核心万变不离其宗，在燃气轮机控制系统的项目安装实施阶段到正式运行阶段均可参考本文所提出的故障模式及处理措施，减少因人为疏忽而造成的故障或者隐患，持续学习，积累经验，这样才能保障燃气轮机控制系统的顺利投运及稳定运行。
参考文献
[1]张晓磊.重型燃气轮机压气机叶片机械加工技术研究[D].河北：华北电力大学,2018.
[2]山西省电力工业局.热工仪表及自动装置初级工[M].北京：中国电力出版社,1997.
[3]谢强.浅谈化工仪表故障分析与处理[J].化工管理,2019(06):28-29.
[4]王晔,宁永彪.浅谈压力变送器的常见故障及解决措施[J].山东工业技术,2015(15):166.