透平空压机轴振高连续停机故障的原因分析与处理
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【摘 要】 本文详细阐述了邯钢能源中心第一空压站2#高压机由于轴振高造成多次停机的故障现象，通过对DCS通讯系统和空压机本机主机PLC控制程序进行改进，综合分析逐步采取措施查找原因，消除了电网波动对空压机的影响，保证了设备的稳定运行。
【关键词】 轴振 控制系统 PLC 改进
1 引言
邯钢能源中心第一空压站负责为厂区各生产工序提供压缩空气。低压系统配备3台透平机，高压系统配备一台空压机，基本满足用户需求。随着我厂生产规模的扩大，各工序对压缩空气的需要逐步增加，原设备能力不能满足系统需要，因此新增加一台高压空气压缩机，型号为TA9000压缩能力为250NM3/min.。2013年1月底投入运行，在投产后的4个月中，受一级轴承振动高的影响共发生停机事故5次，停机原因都是一级振动高超出TRIP值，由于机组是新投运设备，根据能够引起一级轴承振动高的原因进行了多方面分析，从机械、工艺、测控各方面进行检查，并采取了针对性的预防措施，但一直没有找到停机的真正原因，直到通过对本机的PLC系统进行优化改进，增加了数据上传功能，并在控制中心DCS中对相关运行参数进行了分析，发现了引起事故的原因，并进行了实际验证，最终找到了真正引起机组振动的真因并解决。
2 负荷控制原理
TA9000离心式空压机是一种无油空气透平机，控制系统采用就地PLC控制，控制器的主要组件安装在压缩机的一个控制箱内。分二个主要部分：用户显示操作界面和内部主控PLC模板，该系统是空压机整体的标准配备，就地控制可以实现快速的反应时间、更精确的可靠性以及减低能耗。该型号压缩机有四种负荷控制模式，本机的负荷控制模式采用自动离线控制方式。
2.1 控制方式
使用自动离线控制模式时，压缩机对进口阀进行调节，以满足压缩机到达系统压力设置点.使电机负载在最大负载设定值以内，如果需求量较低，控制系统将进行节流使压缩机运行点到达喘振控制偏移线.到达此点后，控制系统将调整进口阀以压缩机实际的系统压力增加到系统压力偏移点。
如果压缩机输出仍然超过其需求，控制系统将开始进行放空控制，回路控制放空阀，如果放空增大到出口逆止阀关闭，压缩机将会卸载，一旦系统压力降到初始系统压力设置值，压缩机将自动重新加载。
自动离线控制模式设定点有：自动离线控制模式设定点；最大电机电流或功率；需要的系统运行压力；在给定的压力下的最大可节流点；放空控制时的系统压力值。
2.2 控制步骤（见图1）
在加载程序中，进口阀打开，使之在最大的流量和功率（点1）下，以达到系统压力设置值。如果压缩机输出超过需求，进口系统压力控制回路，调节进口阀至喘振控制偏移线.（点2）。如果压缩机输出仍然超过需要，进口喘振回路调整进口阀允许系统压力增大到系统压力偏移点（点3）。
在此点（点3），控制切换至放空系统压力控制回路.此控制回路开始调节压缩机放空阀，如果放空阀打开至放空逆止阀关闭，离线控制首先全开放空阀后关闭进口阀来实现卸载。（点4）当系统压力下降至最初系统压力设置时，压缩机自动重新加载。
2.3 进口阀控制
PLC控制系统通过5个独立的回路进行有载控制，每一个回路调节压缩机进口阀或者是放空阀并对相关设置点作出反应，本系统采用压力控制模式。电机电流的大小表示压缩机负载，进口导叶打开时电流将增大，最大负载设定点限制了进口导叶的开度以避免电机过电流运行，进口导叶由此回路的调节参数控制.根据控制设置点和控制回路的值来调节压缩机进口阀.每一个控制回路不断的监测压缩机的状态和与其相关的设置点，PLC给进口阀发送开与关的信号，保证维持系统要求压力，同时防止压缩机喘振.进口阀的动作由每个控制回路的可调整的调节参数控制.每个控制回路自动转换，以保证特定时间只有一个控制回路起作用.
2.4 进口最大负载控制回路
电机电流的大小表示压缩机负载，进口导叶打开时电流将增大，最大负载设定点限制了进口导叶的开度以避免电机过电流运行，进口导叶由此回路的调节参数控制.进口系统压力控制回路此控制回路会尽力保持系统压力与系统压力设定点一致，进口阀将依已在此控制回路建好的参数进行调节（如表1）。
3 跳机原因分析及制定方案
3.1 原因分析
（1）机械系统，轴承或者轴瓦磨损，机体和管路的连接产生应力，底座基础不牢固，产生松动而发生共振现象；（2）工艺系统，入口空气过滤器压差大，或者不稳定造成气流的冲击，过滤效果不好，造成叶轮脏污产生转子不平衡振动；（3）测控系统，振动探头性能差，接头松动，振动传感器信号异常，PLC模块测量通道软故障，系统电源电压波动。
3.2 方案制订
机械系统方面，首先在机体查找，管路连接检查，消除管道安装的应力，应用专业测振仪对机体的各个部位进行测量分析频谱，在工艺方面，检查入口空气过滤器滤筒的使用情况，有无损坏，运行时的差压大小，或者不稳定造成气流的冲击，打开入口管路，查看一级叶轮的污染情况进行清理；测控方面，测量系统输入电源电压波，DC电源的电压，更换振动探头，检查接头的牢固情况，测量探头直流阻抗和间隙电压是否偏离，调换测量通道，是否存在通道的软性故障，PLC数据上传DCS系统，进行各参数趋势的记录，对变化趋势进行分析对比，是否存在关联。
4 计划实施过程
4.1 过程的措施与效果观察
（1）机械系统，消除安装不当造成的应力，以及机体底座连接不牢固造成的共振现象，在正常开机期间，采用应用专业测振仪对机体的各个部位进行测量分析频谱，未发现异常震动的现象，然后在机体管路连接检查，不存在管道安装的应力，最后打开一级瓦盖，检查轴瓦和轴承的磨损情况，均正常良好。（2）工艺系统，首先检查了入口空气过滤器滤筒的使用情况，未发生损坏和局部漏气的现象，正常运行时的差压保持在450Pa在正常范围内，基本不会造成气流的冲击的可能，打开一级入口管路，查看一级叶轮的污染情况比较清洁，没有沉积物造成消除叶轮污染造成的不平衡力产生的振动。（3）测控系统，测量系统输入电源电压在235V没有异常波动，DC供电电源的电压在24.1V满足使用，检查接头的紧固情况良好；测量探头间隙电压在-10V，调换振动探头，调换测量通道，均显示正常；排除测量通道的软性故障，测量接地线，消除干扰信号影响。为了分析数据趋势变化，加装远程数据上传系统，将本机的测控数据上传到中控DCS系统，在操作站进行各参数趋势的记录，具备变化趋势进行相关性分析对比。
4.2 数据分析
4.22日下午17时15分一空高压机停机，时值运行人员在2#TRT控制盘进行巡检，发现高压供电仪表指示从10.5KV降低到9.5KV，随即向车间反映此情况，经现场分析对高压机历史趋势记录进行分析，认为电压波动对高压机的运行产生影响，然后在空压机DCS操作站调取最近3次停机参数趋势，并读取数据，最终筛选了以下主要参数进行了对比分析：电机电流，一级振动、入口导叶开度，综合如表1所示：
从上表1可以看出，当高压电网电压发生波动时，2#高压机电机电流的随之波动，突升6～7个安培，并同时导致一级振动发生一个小幅波动上升4个微米，最大8个微米负荷的突变对轴承振动产生影响。此时空压机入口导叶开始自动调整，根据空压机负荷调整原理，当电机电流超过设定值时，负荷控制回路动作，开始减小入口导叶开度降低负荷，使电机电流回到设定值范围。在此调整过程中发生空压机一级振动超出TRIP值，空压机跳机。对空压机其他参数进行检查未发现异常。参数表（如表2）。
结论：该空压机在高压10KV供电段02-046，该段所带的负荷包括炼铁的大功率风机等设备，风机需要经常的倒机运行，在启动过程中大电流冲击电网造成电压的短时降低，透平机在供电电压降低后为了维持负荷电流发生向上的波动。在电流发生突变后，入口导叶根据控制回路对负荷的限制进行调节，调节过程中导叶动作幅度和速度较大，空压机的负荷发生波动，一级叶轮受气流冲击后有局部喘振现象，造成一级轴承振动突升超出TRIP值。
4.3 改进措施
4.3.1 拟采取措施
（1）更换供电网段。空压站高压输电供电网段为02-021和02-046 两段10KV供电。本机供电段为02-046，此段带大负荷设备较多，其中的炼铁厂大功率风机启停比较频繁，对电网的冲击较大，可以从10.5KV降低到9.7KV，空压机受电压降的影响，负载电流增大保证系统送风负荷，约4～8个安培，形成一个快速的波峰。为避免受电网的冲击，可以采取转移高压电网段的方法，现场对高压受电柜排查，如果要更换网段必须要增加100米的大功率电缆，系统运行方面要等高炉休风检修约48小时，实施难度较大，受季节的生产节奏影响，此项改造此时几乎不可能完成。（2）信号预处理。对电机电流的采样信号进行处理，采取多次采样值进行平均的算法，进行平峰的办法，避免出现电流的尖峰段，电流的变化率降低，波峰比较平滑，对PLC内部运算监视冲击。比例运算的输出值不会出现突升的跳变值，入口导叶开度上升幅度小，避免机组进入喘振区造成的轴承振动停机。（3）入口导叶控制阀门的PID系数修正。在机组的入口导叶负荷调整动作方面，控制阀门对输入参数的灵敏反应，当出现一个阶跃干扰信号后，通过PID计算后，控制输出变化率降低幅度，阀门动作减缓，负荷以较低的速度调整，（4）一级轴振动停机时间的延迟设计。在保证机组安全运行情况下，对逻辑设计进行改进，轴振动幅值适度提高，当振动值超出TRIP设定值后，延迟5秒的时间后触发逻辑，向发出停机逻辑回路发出逻辑指令。改动的时间间隔5秒的选取是在振动发生的幅值T宽度范围。如果持续发生高于TRIP的振动发生将继续执行停机动作，完成对机组的常规保护功能。
4.3.2 根据现场的情况对以上方案进行讨论分析
电网供电段的的改进比较困难，在当前的生产形势下，需要高炉的较长时间的休风，此种方案可能要等待较长时间，此时间段内同样类型的故障可能要连续发生，影响压缩空气用户；对电机电流的采样计算进行数学处理，效果不明显，电流对导叶的控制灵敏度较高，防止出现喘振对机组的破坏，对控制参数的修改可以，但是考虑到在运行过程中负荷的变化对导叶的负荷调节需求，在管网的压力变化中，需要入口导叶的灵敏调节，避免由于压力的波动对用户的影响。延迟的设计可以对由于异常的信号变化造成的停机，但是在发生了真正的振动如何应对，例如轴承的受以外的破坏造成振动高，延迟停机是否对机组的运行造成影响。进行反复的平衡，最终讨论后，决定先采用振动延时停机的办法，延时的时间先采取3秒，如果不能避免停机的发生再进行修改延长，逐步调试直到达到预期目的。
5 效果
采取振动高延时停机的措施后，随后的2个月中，在DCS参数趋势记录中观测到电机电流发生过3次变化，一级轴振两次超出TRIP值，峰值时间在3秒内，未造成透平机的跳车，此次改进达到了预期的目的。