EM35-3103燃料气计量阀控制及故障分析
1 燃料气计量阀概括
燃料气的供应量直接影响着机组的转速, 在LM2500燃气轮机机组中, 设定转速就是通过对燃料气流量的调节来实现的。在燃气轮机运行过程中, 燃料气计量阀作为燃气轮机的油门, 实时调节着进入燃气轮机燃烧室的燃料气量, 从而改变燃气轮机的转速及透平温度。通过数字驱动控制器, EM35/3103阀能精确的控制燃料气的流量, 从而使燃气轮机平稳运行, 最终驱动动力涡轮旋转, 带动压缩机做功。
2 燃料气计量阀的结构
2.1 机械结构
该阀的设计原理是一个旋转计量套筒和靴式节流阀。阀靴内有弹簧并且负荷压力压住计量孔, 以减少泄漏并自动清洁计量孔。通过由执行器输入轴定位决定计量孔区域。阀有一个内部弹簧以便一旦执行器失去动力使阀返回到最小燃料位置。EM35/3103燃料气阀时一种不锈钢阀门, 能够计量气体流量的范围在23至18144kg/h之间。
2.2 旋转变压器控制结构
EM35MR驱动器是一个用于工业燃气轮机控制的全电动执行器。执行器由一个高性能无刷伺服电机, 电机离合器和齿轮头装置。所有定子绕组完全密封, 使用一个高效变速箱提升高伺服系统的带宽。电动机通过自身旋转变压器提供电机转子位置的反馈, 而另一个旋转变压器提供精确的输出轴的位置反馈。转子位置传感器通过采用无刷场指示器, 电机速度输入通过无刷计数器。
位置反馈是利用高度精确的无刷旋变来实现的。该旋变接收来自EM驱动的激励。EM驱动器采用旋变给数字变频器传信号, 采用旋变的两个二次线圈输出电压测定阀位置, 旋转变压器精度为±0.05°。
阀体的回转时间为125毫秒开启阀门和120毫秒关闭阀 (内部弹簧力) , 在28 Vdc的额定线电压下。该3103气体阀额定行程为0~60°。停滞时间不超过40毫秒, 其中包括所有的因素, 如通信, 处理时间, 机械时间等。
3 燃料气计量阀的控制原理
3.1 电机信号控制
电机的控制信号来自一个外部电机驱动器。驱动器控制电机换相, 以及闭环位置控制。位置反馈直接来自耦合在阀内的精确旋变。这种结构防止在探测到任何错误位置, 通过位置连接和齿轮来调整, 实现阀位精确控制。
执行器输出轴的运动定位阀开度和旋转变压器。气流通过阀内的旋转开度被计量。气体进入入口端口 (P1) , P1在通过入口导向管到定向旋转计量端口。计量的燃料是在出口排出。燃气流量通过阀位, 进气压力 (P1) , 出口压力 (P2) , 气体温度和气体组成所决定。
一旦有效面积被确定后, 有效面积表有阀的百分度行程, 毫安信号量和阀的角度在有效面积表中列出, 压比 (P2/P1) 为0.05~0.95.确定了所用阀的有效面积流动点, 在压比和需求量之间进行插补计算, 最终通过百分比, 毫安, 阀开角度确定流量。
3.2 计量阀门开度计算
正常运行过程中, MARKⅥe程序将会对动力涡轮设定转速和转速测量值进行对比、使用PS3和P2测量值参与数据校正过程, 最终得到一个燃料气流量目标值, 在燃料气流量目标值的计算过程中程序多次应用了线性插值计算, 这个目标值和燃料气上游压力PIT228、下游压力PIT229、供应温度TT221一起计算出两个实时数值, 程序根据这两个数值进行二元线性插补运算, 最终就得到了FCV331开度命令。
MARK6e控制器通过计算输出4~20 m A电流信号, 作为驱动控制器的输入, 在驱动控制器作用下驱动执行器旋转, 调节阀门开关度, 实现气体流量控制。
3.3 驱动控制器控制
此阀使用模拟量输入模式, 可以允许超出2%的超程设置, 在两个行程结束时驱动器停止驱动。这使得3.68m A提供-2%的位置, 并20.32m A提供102%的行程。如果信号输入低于2m A或超过22m A, 或极性相反, 该驱动器因为命令错误会停止运行。
如果使用Servlink接口, 模拟量输入方式在驱动控制器接口程序中被选择, 以确定4到20 m A的信号输入控制执行器的位置。模拟量信号输入命令可以指定为首选的命令输入方式, 在首选输入命令方式的故障时, 会使用冗余的其他输入信号方式。
4~20m A信号输出与执行器轴位反馈传感器的输出成正比, 当4m A输出时, 执行器在0%位置, 当20m A输出时, 执行器在100%位置。如果模拟量输出没有使用, 需要加入一个10.6千欧的电阻, 以防止提示模拟报警。
4 燃料气计量阀的故障分析及解决方法
4.1 燃料气计量阀电源故障
此驱动控制器供电电压为28V, 供电范围为18-32V, 不得超过此电压范围。电源输入电压有安全接地和工作接地故障检测, 电源可以是负极接地, 正极接地, 或中性点接地。由于DCP电源供电模块故障, 主要表现为上位机监控画面ZZ331为0, ZT331为0, 当机组启动点火时, 阀门无法打开。此时需要检查电源模块工作是否正常, 电源模块为110V直流转24V直流, 当测得驱动控制器电源为24V时, 还需要确定电源正负极对地电压, 确认为正极对地24V。当ZT331为-25%时, 可能由于电源模块断电造成, 确认电源模块故障及线路是否断路。
4.2 驱动控制器故障
当ZT331为-25%, 且供电电压正常时, 需要对现场控制设备进行检查, 打开现场控制器接线箱, 查看驱动控制板供电是否正常, 若供电正常, 查看控制板上2个发光二极管状态指示, 重新上电后发光二极管会闪亮, 然后熄灭。控制板断电重新上电后仍闪烁, 表明控制板上接线有断路或信号未接入, 如果信号接线都正常, 则可能控制板损坏, 需要返厂维修或更换。
4.3 计量阀反馈故障
如果ZT331出现负值, 如-4%, 检查现场驱动控制器均正常, 现场阀位指示为0°, 则需要对计量阀进行重新校验, 用计算机校验方式, 在控制板上有一个RS232接口, 与计算机相连接, 使用Servlink Server软件与驱动控制器连接, 连接后即可看到计量阀所有控制程序信息, 包括运行状态, 报警信息, Shutdowm信息, 阀体参数设定, 量程校验:阀体回路测试, 及偏移量校验。
首先查看报警状态指示灯, 如果为红色表示有报警, 在报警信息中查看具体报警, 如果显示为阀位报警, 可根据阀体铭牌上OFFSET值, 在偏移量校验中适当修改偏移量, 使得反馈偏差小于0.5%。随后复位报警, 报警消失。然后对阀进行量程的校验, 确定阀门实际动作与反馈一致。
4.4 计量阀体故障
如果对阀位校验后, 阀体不动作, 或者偏移量设定无效时导致shutdown时, 可确定阀体故障。在机组正常运行, 阀门开度正常时, 突然出现命令ZZ331为0%, ZT331仍然为运行时阀门开度, 观察现场阀门实际反馈, 阀门仍然有开度。此时可能是由于阀门卡塞导致命令与反馈偏差大于1%导致机组停机。此时对驱动器电源断电重新上电后阀门回到0位。但此阀需处理卡塞问题以免下次继续遇到此类问题导致机组停机。
阀门拆解时注意执行器与阀体之间是齿轮杆耦合装置, 需要将耦合销螺丝拆除后, 再将阀体与执行器分开。
摘要：在西气东输压缩机组中, LM2500燃气轮机由航空发动机改型的工业燃机, 通过加装动力涡轮, 驱动天然气压缩机。为了提高燃气轮机的效率, 降低燃料消耗, 燃气轮机燃料系统采用了美国伍德沃德EM35/3103燃料气计量阀及驱动控制器, 采用智能化、数字化的控制技术, 能精确的控制燃料气的流量, 最终实现燃气轮机转速的准确控制, 同时控制阀门在紧急情况下快速关断, 保证了人员及设备的安全。
关键词：燃料气计量阀,驱动控制器,燃气轮机,流量控制
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