PGT25+燃?xì)廨啓C(jī)用GS16燃調(diào)閥的運(yùn)行及維護(hù)技術(shù)

沈登海, 鄧丹輝, 田永文

(國家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司西部管道有限責(zé)任公司，烏魯木齊 830011)

PGT25+燃?xì)廨啓C(jī)是美國通用電氣公司于上世紀(jì)60年代以TF39渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)為樣本研制的航改型燃?xì)廨啓C(jī)。該系列燃?xì)廨啓C(jī)有著非常廣泛的用途，具有體積小、功率大、啟動(dòng)靈活等優(yōu)勢(shì)[1]，可應(yīng)用于船舶動(dòng)力、發(fā)電、石油開采、油氣儲(chǔ)運(yùn)等行業(yè)，運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)和裝機(jī)數(shù)量在全球范圍內(nèi)名列前茅。燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)的主要控制功能包括：?jiǎn)?dòng)控制、轉(zhuǎn)速控制、負(fù)荷控制、排氣溫度控制、進(jìn)口可調(diào)導(dǎo)葉控制、燃料控制等[2]。其中燃料控制采用的燃調(diào)閥大多為伍德沃德公司生產(chǎn)的GS16燃調(diào)閥，由電子位置控制器驅(qū)動(dòng)，精準(zhǔn)控制球形閥芯V字型流量口的位置，使其有效流通面積與流量在一定壓差下成線性比例，具有自清潔功能。解碼器對(duì)位置反饋，解碼器、無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子與燃調(diào)閥閥芯轉(zhuǎn)子通過鍵直連，省去了聯(lián)軸器和齒輪組，消除了調(diào)控精度不準(zhǔn)確問題。文章通過闡述GS16燃調(diào)閥自主維修與測(cè)試方法，為自主國產(chǎn)化維修和制造提供了可行的依據(jù)，同時(shí)掌握了GS16燃調(diào)閥常見故障的診斷方法，形成了GS16燃調(diào)閥拆卸、安裝檢修工藝和GS16燃調(diào)閥修復(fù)后實(shí)驗(yàn)室、現(xiàn)場(chǎng)零點(diǎn)位置調(diào)整校準(zhǔn)的方法。

1 GS16燃調(diào)閥的特性

1.1 GS16燃調(diào)閥電流控制特性

GS16燃調(diào)閥具有先進(jìn)功能，定期發(fā)起位置脈沖，使執(zhí)行器重新分配，保證控制的平穩(wěn)性。脈沖發(fā)起周期為60 min，脈沖半波期為10 ms，位置步進(jìn)1%，以此檢驗(yàn)燃調(diào)閥是否卡滯等機(jī)械缺陷[3]。

通常控制器易造成動(dòng)力輸入電源存在瞬態(tài)干擾，需在正負(fù)極間并聯(lián)一個(gè)100 V、1 000 μF的電容，消除干擾。GS16燃調(diào)閥通過4～20 mA模擬信號(hào)控制，4 mA對(duì)應(yīng)0%的閥位開度，20 mA對(duì)應(yīng)100%閥位開度。在此范圍內(nèi)，閥位與輸入電流成線性，如果輸入電流小于2 mA或大于22 mA，供電電壓小于17 V或大于33 V，燃調(diào)閥將被關(guān)至0%位置，閥位輸出設(shè)定在0 mA。

運(yùn)行過程中，燃調(diào)閥持續(xù)檢測(cè)，閥位命令與反饋偏差大于1%，且延遲500 ms，若出現(xiàn)供電電壓錯(cuò)誤、模擬和數(shù)字轉(zhuǎn)換器錯(cuò)誤、軟件看門狗錯(cuò)誤、工廠校驗(yàn)和參數(shù)錯(cuò)誤，則閥門關(guān)閉，需要更換燃調(diào)閥。

1.2 GS16燃調(diào)閥機(jī)械特性

燃調(diào)閥[2]幾何流通可用面積968 mm2,質(zhì)量48 kg，燃料氣過濾精度25 μm，介質(zhì)為天然氣，防護(hù)等級(jí)IP56。入口操作壓力范圍為690～5 171 kPa，耐壓試驗(yàn)壓力為7 757 kPa，爆破壓力為25 856 kPa，名義管徑尺寸為50.8 mm，閥門泄漏排放背壓為69 kPa。環(huán)境溫度、燃料氣溫度范圍為-40～93 ℃。在345 kPa入口壓力、0 kPa出口壓力條件下，燃調(diào)閥泄漏量小于最大額定流量的0.1%。

全開或全關(guān)時(shí)間：小于100 ms。位置回路帶寬：在24 V DC、40 rad/s條件下，功率衰減6 dB(分貝)。燃調(diào)閥配對(duì)法蘭：50.8 mm RF法蘭，ANSI B16.5 Class600。

1.3 GS16燃調(diào)閥流量特性

非特性精度：在室溫條件下，運(yùn)行點(diǎn)的流量精度高于5%，或高于全流量范圍的名義校準(zhǔn)表的2%，特別是在2%～100%流量范圍精度更高[3]。

溫度漂移：每攝氏度，模擬位置精度的最大漂移量為全輸入命令(4～20 mA)的0.005%。共模抑制比：在每伏特條件下，模擬位置精度的最大共模偏差為全范圍輸入命令的0.025%。

1.4 GS16燃調(diào)閥位置控制特性

旋轉(zhuǎn)變壓器用于運(yùn)動(dòng)伺服控制系統(tǒng)中，作為角度位置的傳感和測(cè)量用。旋轉(zhuǎn)變壓器是目前國內(nèi)的專業(yè)名稱，簡(jiǎn)稱“旋變”，英文名稱“resolver”，人們把它稱作“解算器”或“分解器”。旋轉(zhuǎn)變壓器在同步隨動(dòng)系統(tǒng)及數(shù)字隨動(dòng)系統(tǒng)中可用于傳遞轉(zhuǎn)角或電信號(hào)；在解算裝置中可作為函數(shù)的解算之用，故又稱為解算器。其輸出隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角作某種函數(shù)變化的電氣信號(hào)，通常是正弦、余弦、線性等。上世紀(jì)60年代起，旋轉(zhuǎn)變壓器逐漸用于伺服系統(tǒng)，作為角度信號(hào)的產(chǎn)生和檢測(cè)元件。GS16主要采用三相旋轉(zhuǎn)變壓器，用于燃調(diào)閥角度位置伺服控制，達(dá)到命令與閥門開度的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。一旦有效面積被確定，有效面積對(duì)應(yīng)閥的百分度行程，毫安信號(hào)量和閥的角度在有效面積中列出，壓比(P2/P1)為0.05～0.95，確定了所用閥的有效面積流動(dòng)點(diǎn)，在壓比和需求之間進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算，最終通過百分比、毫安、閥門角度確定流量[4]。

2 GS16燃調(diào)閥的選擇依據(jù)

為了選擇適當(dāng)尺寸的燃調(diào)閥，應(yīng)用至PGT25+燃?xì)廨啓C(jī)，有效面積首先需要滿足最大流量，臨界壓比R7、有效面積A由下列公式計(jì)算[3]：

5）PCIE接口：用于和存儲(chǔ)陣列控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；PCIE作為第三代I/O互聯(lián)總線，采用數(shù)據(jù)串行傳輸、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)互連，同時(shí)可以擴(kuò)展基于PCIE總線接口的接收頻率和發(fā)射頻率[8][9]，因此可以高效利用數(shù)據(jù)線從而達(dá)到使用少量數(shù)據(jù)傳輸線達(dá)到數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)哪康摹?/p>

(1)

(2)

(3)

式中：A為有效面積,mm2；W為質(zhì)量流量,kg/h；R7為臨界壓比；P1為燃調(diào)閥入口壓力,Pa；P2為燃調(diào)閥出口壓力，Pa；K為比熱(在15.56 ℃時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)天然氣為1.30)；S為天然氣相對(duì)空氣的比重(標(biāo)準(zhǔn)天然氣為0.6)；T為絕對(duì)氣體溫度；Z為氣體壓縮機(jī)因子(其對(duì)方程的影響較小，壓縮因子近似為1.0)。

為了使選擇的燃調(diào)閥有余量，燃調(diào)閥的有效面積至少比方程計(jì)算值高10%，包括即使在最惡劣的工況(最小的入口壓力，最大的出口壓力，最大流量和最高溫度)條件下，燃調(diào)閥尺寸須有10%的余量。

針對(duì)PGT25+燃?xì)廨啓C(jī)，通過GS16燃調(diào)閥的有效面積的壓力降必須小于最大允許的差壓，見圖1。一旦燃調(diào)閥有效面積被確定，以及10%的余量被添加，燃調(diào)閥位與有效面積的關(guān)系如圖2。

圖1 GS16有效面積為967.74 mm2燃調(diào)閥的閥位與最大差壓關(guān)系

圖2 GS16燃調(diào)閥的閥位與有效面積的關(guān)系

流通面積為645.16 mm2(1.0開口)、967.74 mm2(1.5開口)的燃調(diào)閥在PGT25+燃?xì)廨啓C(jī)上均有應(yīng)用，在相同的閥前、閥后壓力條件下，需要相同的流通面積。前者的閥位開度較大，由于閥芯流通面積是球面V字型，流通面積和閥位是指數(shù)關(guān)系。

3 GS16燃調(diào)閥的故障處理

GS16燃調(diào)閥主要故障表現(xiàn)為：1) 電纜故障、輸入電壓故障、輸入命令信號(hào)(4～20 mA)及極性故障；2) 控制器、執(zhí)行器、旋轉(zhuǎn)變壓器故障；3) 機(jī)械故障包括閥芯在零點(diǎn)或100%位置邊界卡滯，密封泄漏、軸承磨損等。其中第一類故障主要檢查供電、輸入命令電纜、元器件，故障易排除。第二類故障中執(zhí)行器、旋轉(zhuǎn)變壓器類問題為線圈損壞、繞阻阻值超限等，電阻范圍見表1，若出現(xiàn)上述問題，則需要更換備件。若控制器出現(xiàn)故障，主要表現(xiàn)為控制器驅(qū)動(dòng)電路存在故障，負(fù)載過高，供電單元等電氣元件損壞，超過驅(qū)動(dòng)電路正常工作的電流，燒壞AD629、MBRS100T3、HCPL0701、Capacitor 0.1 UF、VR2、VR3等元件，需要返廠檢修控制器，返廠前須使燃調(diào)閥機(jī)械部分完好。GS16燃調(diào)閥采用三極線圈旋轉(zhuǎn)變壓器，檢查過程需要測(cè)量三組線圈的阻值以及執(zhí)行器線圈的阻值。第三類故障為機(jī)械故障，運(yùn)行過程中較常見，為閥芯卡滯、閥座偏斜、軸承內(nèi)潤(rùn)滑脂失效導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活、密封磨損泄漏等。通常伍德沃德燃調(diào)閥是免維護(hù)的，維修周期按現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用條件決定，若燃?xì)廨啓C(jī)在低負(fù)荷工況下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，維修周期會(huì)縮短。若燃調(diào)閥故障為卡澀，則可以進(jìn)行清洗。清洗時(shí)，拆卸燃調(diào)閥的控制器，盤動(dòng)燃調(diào)閥上端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量盤，使用石油基的溶劑清洗或刷洗閥門，禁止使用酮基溶劑，有可能損壞VITON成型O形圈或特氟龍密封材料，防止使用高壓沖洗閥門及帶尖角的工具刮擦閥門，可能導(dǎo)致閥門精度下降。沖洗閥芯入口球面，然后使用儀表風(fēng)清潔閥門。若清洗無法解決上述問題，則需要解體檢查GS16燃調(diào)閥。

表1 解算器及執(zhí)行器線圈的阻值范圍

3.1 拆卸GS16燃調(diào)閥

拆卸控制器、轉(zhuǎn)動(dòng)盤、旋轉(zhuǎn)變壓器、上部軸承座、軸承及減振彈簧片，拆卸電機(jī)轉(zhuǎn)子錐形銷與限位座、電機(jī)靜子繞阻件、電機(jī)轉(zhuǎn)子、下部閥座，壓縮閥門進(jìn)口閥座彈簧，拆卸閥芯及進(jìn)口閥座，拆卸閥芯上下部軸承座及密封。此閥拆卸的關(guān)鍵點(diǎn)是需要專用工具壓縮閥座彈簧。

3.2 檢修GS16燃調(diào)閥

此閥座背后的靜密封是易損件，為VITON材質(zhì)O型圈與聚四氟材料圓環(huán)兩者組合的復(fù)合件，配合使用見圖3，保證閥座外徑處的密封。閥桿上部的兩級(jí)串聯(lián)和閥桿下部單級(jí)指狀密封是另外的易損件，見圖4。閥座彈簧有較強(qiáng)的彈簧力，使閥座與閥芯在閥腔中緊密貼合，見圖5、圖6。若閥座與閥芯接觸面有劃痕，則需要研磨處理，軸承分別采用6202D、R8系列。在檢修過程，分別測(cè)繪加工4套閥桿指狀密封、1套閥座復(fù)合密封，并更換原密封，以4套6202-2RSH、1套R(shí)8-2RS軸承替代原軸承。拆卸后的閥門主要部件見圖7，清洗、研磨閥芯、閥座，更換損壞的螺絲鋼套，測(cè)試電機(jī)線圈、解算器線圈電阻，然后組裝燃調(diào)閥。若測(cè)試閥門0%位置時(shí)，閥前壓力穩(wěn)定在429.56 kPa，閥后為大氣壓，閥門泄漏狀況為0 kg/h，見圖8。同時(shí)對(duì)閥桿泄漏檢測(cè)，包括OBVD(閥桿上部密封泄漏檢測(cè))和閥桿下部密封檢測(cè)，閥門上下游法蘭打盲板，使用專用帶閥充壓工具，介質(zhì)采用儀表風(fēng)或氮?dú)?，壓?.1 MPa，測(cè)量泄漏量均小于13.5 mL/min。

圖3 GS16燃調(diào)閥閥座復(fù)合密封

圖4 GS16燃調(diào)閥閥芯上、下部指狀密封

圖5 GS16燃調(diào)閥閥腔示意圖

圖6 GS16燃調(diào)閥閥座、閥芯示意圖

圖7 GS16燃調(diào)閥拆卸至零件狀態(tài)示意圖

圖8 GS16燃調(diào)閥泄漏量測(cè)試

3.3 VPC(閥位控制)軟件診斷及標(biāo)定GS16零點(diǎn)

GS16燃調(diào)閥組裝后，測(cè)試閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩≯2 N·m，使用RS232電纜連接VPC程序，上電，閥門有正常的嗡嗡聲，軟件執(zhí)行數(shù)字通訊診斷、I/O診斷、位置控制器診斷、位置傳感器診斷、內(nèi)部診斷，狀態(tài)無異常，說明檢修的閥門可控。進(jìn)行零位調(diào)整或開關(guān)行程測(cè)試，若確定零位，在VPC程序中測(cè)試閥門0%位置、100%位置參數(shù)，讀取解碼器計(jì)數(shù)值分別為10 000或50 000左右，并且閥門開度的反饋趨勢(shì)平滑，無毛刺，與經(jīng)驗(yàn)值對(duì)比相符。

3.4 GS16燃調(diào)閥的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與處理

燃?xì)廨啓C(jī)的啟停和功率的變化是通過調(diào)節(jié)閥開度的變化，從而改變進(jìn)入透平的氣體流量及氣體參數(shù)來實(shí)現(xiàn)的，所以調(diào)節(jié)閥內(nèi)的流動(dòng)特性和工作可靠性對(duì)整個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有重要的影響[5]。GS16燃調(diào)閥即起調(diào)節(jié)閥功能，修復(fù)后安裝至PGT25+燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行測(cè)試。正常狀況燃?xì)廨啓C(jī)吹掃結(jié)束后，開始執(zhí)行點(diǎn)火進(jìn)程。在燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速升至1 700 r/m時(shí)，IGNTACTIVE和GAS_IGNITN變成TRUE，Mark VIe系統(tǒng)[6]將燃料氣請(qǐng)求命令下發(fā)至SIS安全系統(tǒng)，SIS安全系統(tǒng)配合打開燃料氣截?cái)嚅yXV224和XV226閥門，Mark VIe系統(tǒng)將燃調(diào)閥打開至10%，與此同時(shí)下發(fā)10 s燃燒室點(diǎn)火命令進(jìn)行點(diǎn)火，如果10 s內(nèi)燃燒室仍未檢測(cè)到火焰信號(hào)，則執(zhí)行燃?xì)廨啓C(jī)清吹進(jìn)程并停機(jī)，見圖9、圖10。

圖9 燃調(diào)閥點(diǎn)火進(jìn)程邏輯一

圖10 燃調(diào)閥點(diǎn)火進(jìn)程邏輯二

正常啟機(jī)點(diǎn)火進(jìn)程開啟，燃調(diào)閥打開至10%，燃調(diào)閥閥后壓力GP2數(shù)值為111.52 kPa，點(diǎn)火命令I(lǐng)GN_CMD_S同時(shí)下發(fā)，一般在5 s左右燃燒室檢測(cè)到火焰信號(hào)，點(diǎn)火成功。

一旦點(diǎn)火成功，燃調(diào)閥開始開大，燃?xì)廨啓C(jī)一般在65 s左右升速至怠速6 800 r/m左右。從開始點(diǎn)火到燃?xì)廨啓C(jī)到達(dá)怠速，期間燃調(diào)閥開度從10%增大至16.917%，見圖11，GP2壓力上升至366.93 kPa。由于燃料氣調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)迅速，燃料量迅速增加，提高渦輪進(jìn)氣溫度[7],使燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速迅速增加。

圖11 PGT25+點(diǎn)火至怠速過程的趨勢(shì)變化

燃調(diào)閥進(jìn)行維修后，2019年05月17 日第一次啟機(jī)點(diǎn)火測(cè)試，發(fā)現(xiàn)未成功點(diǎn)火，主要是閥門的零點(diǎn)位置較正常閥門偏小15%左右，處于零點(diǎn)余量的死點(diǎn)位置。當(dāng)點(diǎn)火進(jìn)程開啟，燃調(diào)閥打開至10%，閥后壓力數(shù)值為82.092 kPa，與大氣表壓幾乎一致，點(diǎn)火命令I(lǐng)GN_CMD_S同時(shí)下發(fā)進(jìn)行點(diǎn)火，同時(shí)燃調(diào)閥開始增大開度配合點(diǎn)火，但直到10 s點(diǎn)火命令執(zhí)

行完畢，燃調(diào)閥開到15.086%，閥后壓力為85.105 kPa，與大氣表壓基本一致，燃燒室仍未檢測(cè)到火焰信號(hào)，點(diǎn)火失敗燃?xì)廨啓C(jī)執(zhí)行清吹程序停機(jī)，見圖12。

圖12 第一次維修后的GS16燃調(diào)閥點(diǎn)火趨勢(shì)變化

將燃調(diào)閥返回實(shí)驗(yàn)室，重新校正零點(diǎn)的位置，按照閥門開度1.4%時(shí)，能檢測(cè)到光線。2019年5月19日第二次啟機(jī)點(diǎn)火測(cè)試，點(diǎn)火啟機(jī)成功，但點(diǎn)火后至怠速轉(zhuǎn)速6 800 r/min用時(shí)近118 s，見圖13。后續(xù)三次啟機(jī)過程中，燃調(diào)閥均能正常點(diǎn)火啟機(jī)至運(yùn)行轉(zhuǎn)速。

圖13 第二次維修后的GS16燃調(diào)閥點(diǎn)火失敗趨勢(shì)

2019年7月20日啟機(jī)過程中，點(diǎn)火正常，但燃?xì)廨啓C(jī)在隨后的升速至怠速過程中，時(shí)間超過120 s，觸發(fā)GGIDLEFLT(燃?xì)廨啓C(jī)到達(dá)怠速失敗)，隨后停機(jī)，啟機(jī)失敗，見圖14。說明燃調(diào)閥運(yùn)行時(shí)，相同閥位開度下，其燃料氣流量與燃料氣溫度、大氣壓、環(huán)境溫度有一定的關(guān)系，其中與閥門零點(diǎn)開度位置有極大的關(guān)系，否則不可能出現(xiàn)三次點(diǎn)火運(yùn)行成功，而后一次發(fā)生點(diǎn)火至怠速超時(shí)的現(xiàn)象。

觀察趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)，燃調(diào)閥打開至10%，燃調(diào)閥閥后壓力GP2數(shù)值為102.67 kPa，點(diǎn)火命令I(lǐng)GN_CMD_S同時(shí)下發(fā)進(jìn)行點(diǎn)火，4 s后燃燒室檢測(cè)到火焰信號(hào)，點(diǎn)火成功。燃調(diào)閥開始緩慢開大以配合燃?xì)廨啓C(jī)升速，燃?xì)廨啓C(jī)在120 s內(nèi)未升速至怠速6 800 r/min，觸發(fā)GGIDLEFLT停機(jī)(燃?xì)廨啓C(jī)到達(dá)怠速失敗)。從開始點(diǎn)火到燃?xì)廨啓C(jī)升速的120 s期間，燃調(diào)閥開度從10%增大至16.408%。相關(guān)的邏輯解釋[6]見圖14。

根據(jù)邏輯分析，維修的閥門可能零點(diǎn)位置較閥門開度偏大，即在怠速過程，閥門給定開度，實(shí)際的燃料氣流量不足以在120 s內(nèi)將燃?xì)廨啓C(jī)拖轉(zhuǎn)至6 800 r/min，燃料氣量偏??；同時(shí)使用光束檢測(cè)新購買的GS16燃調(diào)閥的零點(diǎn)位置，發(fā)現(xiàn)閥位一般在0.6%～0.9%時(shí)是關(guān)閉狀態(tài)，在0.7%～1.0%時(shí)是打開狀態(tài)。按照上述參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整解算器定子的旋轉(zhuǎn)角度，閥門開度跟隨其位置。當(dāng)閥門開度在1.0%位置，有光線通過，較第二次調(diào)整零點(diǎn)位置，提高了0.4%，雖然僅僅是微弱的提高，但當(dāng)閥門開度達(dá)到16.5%時(shí)，其燃料氣的流量及實(shí)際閥門開度均增加，燃調(diào)閥維修前后各參數(shù)見表2。

表2 GS16燃調(diào)閥維修前后各參數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化

調(diào)整后，燃調(diào)閥正常點(diǎn)火，并在62 s內(nèi)升速至6 800 r/min，符合PGT25+燃?xì)廨啓C(jī)的控制要求，并對(duì)維修前后燃調(diào)閥的趨勢(shì)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)曲線趨勢(shì)基本吻合，說明修復(fù)的燃調(diào)閥點(diǎn)火、怠速、穩(wěn)定運(yùn)行的控制命令與反饋能夠達(dá)到同步，滿足機(jī)組控制要求。

4 結(jié)語

經(jīng)過近兩年的實(shí)踐與探索，用于PGT25+燃?xì)廨啓C(jī)的核心部件GS16燃調(diào)閥，已實(shí)現(xiàn)了完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的維護(hù)和檢修。在缺少技術(shù)資料、專用工具、維修方案的條件下，自主設(shè)計(jì)專用工具，創(chuàng)新了維護(hù)和檢修方法，突破了外方的技術(shù)封鎖，為PGT25+燃調(diào)閥國產(chǎn)化工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。