原料气压缩机汽轮机电液执行机构关键技术及升级改造

摘 要 原料气压缩机汽轮机原采用TM25/200LP型电液转换器，运行过程中转速波动量达到了100～140 r/min，甚至出现汽轮机无法调速和转速失控的情况，危及机组安全、稳定运行。基于TM25/200LP电液转换器的结构、工作原理、关键技术指标和运行故障案例，分析出TM25/200LP电液转换器对油质适应性不好、输出杆推力小及自身稳定性不高是造成原料气压缩机运行不稳定的关键因素。基于SMR-A14002型电液执行机构的结构、工作原理、技术指标等关键技术，总结出该电液执行机构具有输出杆推力大、对润滑油不敏感、控制精度高、工作稳定及油缸活塞回位快等技术特点。用SMR-A14002型电液执行机构对原料气压缩机汽轮机调速系统进行改造，效果满意，在调速阀阀杆振动影响下，汽轮机转速波动量仅20 r/min左右，保证了调速系统的安全、稳定运行。

关键词 电液执行机构 汽轮机 油质适应性 输出杆推力 自身稳定性 升级改造

中图分类号 TH4 " 文献标志码 B " 文章编号 1000-3932（2024）04-0735-07

石化企业大型压缩机一般由汽轮机驱动，为了保证汽轮机稳定运行，同时又能便捷、高效运行机组，汽轮机都设置有转速控制系统，在该系统中有一个核心部件是电液转换器（也称电液执行机构），它的稳定性、灵敏性、可靠性和对控制油的适应性直接关系到机组的安全、稳定运行和石化装置的平稳生产。

中国石油独山子石化塔里木石化分公司原料气压缩机为多级离心式压缩机，由汽轮机驱动，由美国埃里奥特公司制造，机组用于年产45万吨合成氨生产装置，为一段转化炉提供所需的转化天然气，汽轮机转速控制系统中的电液转换器原采用TM-25/200LP型，由于该电液转换器稳定性较差，对润滑油的精度要求较高，近年来多次造成汽轮机转速大幅波动，导致装置停车甚至汽轮机转速失控的情况，给机组带来严重的安全隐患。为消除这一制约机组和大化肥安全运行的技术“瓶颈”，在对各种新型电液执行机构进行分析研究的基础上，最终选用德国福伊特生产的三位一体电液执行机构进行升级改造，使隐患得以消除。

1 汽轮机相关情况

汽轮机为中压冷凝式透平，由冲动级和反动级组成，冲动级为1组叶片，反动级为4组叶片，径向轴承为可倾瓦轴承，承受径向载荷；推力轴承采用金斯伯雷轴承，承受轴向载荷，汽轮机转速由单调速阀开度控制，汽轮机型号SVKJPE5。汽轮机的相关参数见表1。

1.1 汽轮机转速控制系统

汽轮机转速控制系统由电子控制器（ITCC）、电液转换器（电液执行机构）、操作员站、测速探头、前置放大器及调速阀等组成［1］，如图1所示。

通过测速探头和前置放大器将测得的汽轮机转速转换成电信号，由导线传输到电子控制器中，与控制器中给定转速值进行对比，经过比例、积分、微分放大器运算，输出纠正电流控制信号，电信号到达电液转换器后，在电液转换器中经过液压放大，被转换成输出杆位移，来推动调速阀阀杆运动，改变调速阀开度，对汽轮机转速进行控制［2，3］。

1.2 调速阀驱动方式

原料气汽轮机调速机构未设置错油门、油动机、外置执行和反馈机构，由电液转换器输出轴直接与调速阀阀杆相连，通过螺母进行刚性连接，如图2所示。

这种连接方式是将控制电信号在电液转换器中直接转换成机械位移信号，来推动调速阀阀芯，由于未设置错油门、油动机等放大机构，一般输出的机械推力较小，往往无法推动阀芯或造成控制延时。

2 电液执行机构TM-25/200LP

原电液执行机构（电液转换器）型号为TM-25/200LP，由美国伍德沃德生产，主要部件包括力矩马达、挡板、喷嘴、水平调节弹簧、对中弹簧、二级线性滑阀、反馈弹簧及伺服活塞等。它将电子控制器输送来的控制信号（电流20～160 mA），进行三级放大：

第1级 喷嘴与挡板之间的距离由伺服力矩马达的电流来控制，将输送来的电信号转换为油压控制信号；

第2级 二级线性滑阀两侧的油压差控制二级滑阀活塞的运动；

第3级 二级滑阀活塞移动控制伺服活塞的运动，经过3级放大，控制电流信号转换为输出杆位移，控制调速阀开度［4，5］。

2.1 工作原理

如图3所示，控制电流信号增加，力矩马达线圈产生磁力增大，原有平衡被打破，磁力推动挡板向下移动，经过挡板下部喷嘴的泄油量将减小，而上部喷嘴的泄油量将增加，二级线性滑阀两侧油压力随之发生变化（pa2＞pa1），推动滑阀活塞向上移动，压力油进入伺服活塞下腔，上腔排油，导致伺服活塞两侧油压变化（pb2＞pb1），伺服活塞上移，调速阀开度增大，而此时反馈弹簧力增加，导致挡板向上移动，水平调节弹簧力和反馈弹簧力形成合力与线圈磁力相平衡，挡板又移动到平衡位置，二级滑阀活塞堵住伺服活塞上下油孔，伺服活塞停止运动，完成一次调节，控制电流信号减小，电液转换器工作过程反向［6～8］。

关键技术指标如下：

输入电流 20～200 mA

实际电流 20～160 mA

最大输出位移 25.4 mm

供油量 3.8～18.9 L/min

油缸内径 45 mm

活塞杆直径 14.7 mm

供油压力 552～2 586 kPa

实际供油压力 563～1 056 kPa

滞后性 ±1%

过滤精度要求 10 μm

油压552 kPa时输出轴驱动力 605 N

油压1 000kPa时输出轴驱动力 1 300 N

最大油压2 826 kPa时输出轴驱动力 2 833 N

运行时平衡电流 110 mA

最大承受电流 250 mA

2.2 存在的技术缺陷

2.2.1 电液转换器对油质适应性不好

TM-25/200LP型电液转换器对油品的要求较高。首先，据其说明书中介绍，在电液转换器前安装40 μm过滤网便能满足要求。而实际情况不是这样，油泵出口已设计10 μm油滤芯，且控制油管线上又增设10 μm过滤芯，但电液转换器仍出现工作异常；其次，每月对润滑油都进行机杂、水分、粘度等指标化验，结果均合格，但电液转换器仍然受到影响，出现工作异常，主要表现为执行信号滞后、调速阀动作迟缓、汽轮机转速波动［9，10］。

2.2.2 电液转换器输出杆推力较小

电液转换器输出杆直接与调速阀阀杆相连，中间没有错油门、油动机等放大机构，其推力较小，当调速阀填料过紧、阀杆对中不好、阀头与滑道轻微卡涩，就会造成电液转换器无法推动调速阀阀杆，造成汽轮机无法调速甚至转速失控的情况［4，11］。

TM-25/200LP型电液转换器的驱动力较小，说明书中介绍最大油压2 826 kPa时输出轴驱动力为2 833 N，而汽轮机实际控制油压为850 kPa，输出轴推动力为931.6 N。

2.2.3 电液转换器自身稳定性不好

从工作原理可知，来自电子控制器的控制电流信号在电液转换器中经过三级放大，输出机械位移对调速阀进行控制，理论上任何一级放大部位出现故障都会造成汽轮机转速异常。

针对TM-25/200LP型电液转换器存在的故障，咨询国外公司，因该电液转换器故障多，对油的适应能力差，已在采购目录中将其列入淘汰产品，在新机型中已不再采用，同时已开始对该电液转换器机组进行升级改造。

同时，向国内厂商进行咨询，许多使用TM-25/200LP型电液转换器的汽轮机也存在同样故障，这些电液转换器也在进行升级改造。

2.3 事故案例

近十年，塔里木石化公司的汽轮机因使用TM-25/200LP型电液转换器，调速系统经常出现故障，制约着机组安全、长周期运行，如调速阀卡涩导致汽轮机转速无法升降，甚至汽轮机转速失控、调速阀阀杆不动导致转速无法调节、电液转换器接收电信号不动作及输出杆晃动等造成汽轮机工作异常［12，13］。

2017年3月12日，原料气压缩机在启动过程中汽轮机的转速出现大幅度波动，其波动值高达2 800 r/min，主控室紧急停车，经静态调试检查，电液转换器输出轴运行异常，左右摆动且摆幅很大，拆检电液转换器，发现伺服活塞杆磨损发生泄油。

3 电液执行机构升级改造

因汽轮机电液执行机构稳定性不好，对油品适应性差及输出杆推力小，近年来多次造成汽轮机转速波动甚至调速失效，给化肥装置及机组运行带来严重的安全隐患，公司决定对电液执行机构进行升级改造。

向国内化工厂和汽轮机厂商咨询，最终选择德国福伊特公司设计的SMR-A14002型电液执行机构，该电液执行机构工作稳定、对润滑油不敏感且推力大。

3.1 工作原理

SMR-A14002型电液执行机构由油缸、换向阀、电磁线圈及电子控制模块等组成［14］，其逻辑控制结构如图4所示。

电子控制器发出控制电流信号4～20 mA，SMR-A14002型电液执行机构控制模块接到信号后改变电磁力，使换向阀阀芯运动，改变电液执行机构油缸内的油量，对汽轮机调速阀开度进行控制［15，16］。

关键技术数据如下：

输入电流 4～20 mA

正常输出位移 30 mm

最大输出位移 33 mm

供油量 30 L/min

油缸内径 100 mm

活塞杆直径 30 mm

活塞杆侧油压面积 71.5 cm2

油压1 000 kPa时输出轴驱动力 6 000～6 800 N

供油压力 500～2 500 kPa

实际供油压力 563～1 056 kPa

行程0时弹簧回座力 1 900 N±190 N

行程30 mm时弹簧回座力 2 500 N±200 N

滞后性 小于0.2 s

从4 mA到20 mA行程时间 小于2 s

从20 mA到4 mA行程时间 小于0.2 s

过滤精度要求 10 μm

3.2 升级改造内容

利用冬季停工机会，对原料气压缩机汽轮机电液转换器进行升级改造，更换为SMR-A14002型电液执行器，接收电子控制电信号4～20 mA指令。具体改造内容如下：

a. 将原机电液转换器TM25/200LP拆除；

b. 换新型电液执行机构SMR-A14002；

c. 对机械部分进行相应改造，包括电液执行机构SMR-A14002与调速阀阀杆连接件、万向节等（图5）；

d. 对油管路进行相应改造，将电液执行机构进油管和回油管改大，进油管和回油管从？准15 mm改为？准20 mm；

e. 部分线路改造，增设电缆及防爆箱，两根信号线利旧，新增4根10 m2电源线，24 V电源线接入防爆接线箱，从接线箱出来的信号线和电源线接至电液执行机构（图6）；

f. 调速系统进行静态调试和组态，具体数据见表2。

3.3 技术特点及运行效果

通过分析总结，SMR-A14002型电液执行机构技术特点如下：输出杆推力大，是电液执行机构TM25的4～5倍；电液转换器工作稳定；对润滑油不敏感；控制精度高；由内置弹簧回位，油缸活塞回位快。

电液执行机构升级改造完毕且静态调试合格后，于2020年3月投入装置运行，汽轮机在满负荷11 460 r/min运行，转速波动量20 r/min左右；而改造前转速波动量为100～140 r/min。改造效果非常明显，分析认为调速阀阀杆振动对转速波动有一定影响，到目前为止，汽轮机已运行近两年，未出现电液转换器不动作、输出杆晃动、汽轮机转速大幅度波动及失控等故障，改造成功。

4 结束语

对电液执行机构TM25/200LP和电液执行机构SMR-A14002进行关键技术性能对比，选用电液执行机构SMR-A14002对原料气压缩机调速系统进行改造，SMR-A14002型电液执行机构输出杆推力大，可有效克服调速阀在运行中的摩擦阻力，避免汽轮机调速失控或无法调速；且其结构简单、故障少、工作稳定性高，有利于汽轮机稳定运行；对润滑油不敏感、控制精度高，原料气压缩机转速波动量约为20 r/min；SMR-A14002型电液执行机构因内设大弹簧，调速阀关闭时间极短，解决了汽轮机转速波动大、潜在转速不能调节甚至转速失控的重大安全隐患，明显提高了机组运行的安全可靠性。

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（收稿日期：2023-08-14）