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[摘 要]在生产过程中，背压式汽轮机的同步器电机多次出现高温跳停，虽能切换至手动控制而不影响正常生产，但依然存在安全生产隐患。本文针对该异常状况对同步器进行了详细分析、判断和实验，确认了同步器电机频繁出现高温跳停的原因，为今后排除故障隐患和处理类似问题积累了经验。
[关键词]背压式汽轮机；同步器电机；高温跳停；原因；
Failure Analysis of Back Pressure Steam Turbine Synchronizer
Zhang Ming
Zhuhai Cellulose Fibers，Zhuhai， Guangdong 519070， China
[Abstract]In the production process， the back pressure steam turbine synchronizer motor several times high temperature jump， although can switch to manual control without affecting the normal production， but there are still hidden production safety. In this paper， the synchronization of the synchronizer for a detailed analysis， judgments and experiments to confirm the synchronizer motor frequent high temperature jumping reasons for the future troubleshooting and dealing with similar problems accumulated experience.
[Key words]Back pressure turbine； synchronizer motor； high temperature jump； cause；
中圖分类号：T526 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）28-0286-03
一、背压式汽机同步器及故障介绍
公司的汽轮机为背压式汽轮机，其背压调节采用电液调节，调节系统主要由主油泵、压力变送器、同步器、错油门、油动机等部件组成。机组运行模式是“以热定电”，以保证背压稳定为目的的前提下调整电负荷。在背压调节系统中，当背压变化时，背压经压力传感器转换成同步器电机的动作，通过电机凸轮机构改变心杆升降，由于心杆直接作用在压力变换器滑阀的上端，因此导致压力变换器滑阀产生位移，从而改变了脉冲油压，最终促使油动机动作，改变调节气阀的开度。
汽轮机的运行状态由同步器控制，同步器根据出口蒸汽压力的反馈值来调节汽机汽门的开度，从而实现控制汽机的运行状态。图1为汽机排汽压力的控制回路图，其中，控制器：DCS系统；调节器：同步器；被控对象：汽机出口蒸汽；变送单元：排汽压力变送器。
同步器采用KOSO公司生产的3610系列角行程电子执行机构，驱动电压为220VAC，工作环境温度为-10～60℃，额定输出扭矩为200Nm，它由控制模块和同步电机两个重要的部件组成。图2为同步器的硬件原理图。
公司背压式汽轮机同步器从2005年投入使用后至12年9月一直平稳运行，12年9月26日背压式汽机同步器发生汽门调节心杆断裂故障，故障修复后，汽机同步器电机频繁出现电机温度高导致电机过热保护跳停的故障。由于当时无法确定故障的根本原因，没有找到有效的解决方案，该故障迟迟得不到彻底解决。
二、同步器电机温度高跳停原因理论分析
通过查阅同步器说明书，当电机温度在一段时间内持续超过60℃，电机会高温保护自动跳停。在同步器跳停故障统计中，均出现为温度升高，经过深入分析，同步器电机温度高跳停现象可能的原因如下：
1.同步器就地环境温度过高，在热传导作用下同步器内部电机受热升温；
2.与同步器控制器连接的DCS卡件不稳定，导致输出信号不稳定，造成同步器电机频繁动作并升温跳停；
3.DCS卡件至控制器之间的信号回路受外界信号干扰，导致电机频繁动作并升温跳停；
4.控制器不稳定，导致电机频繁动作并升温跳停；
5.电机负荷过大，导致电机长时间过载，并升温跳停；
三、为同步器加装测量装置
经过同步器跳停故障理论分析后，为了确认引起同步器跳停的具体原因，经过分析增加了测量措施，实时测量和记录同步器与同步器相关的参数，包括温度、控制电流值等。具体实施过程如下：
1.在同步器外部环境就近安装铂电阻，实时测量和记录同步器周围温度（图3）。
2.在同步器内部控制器、电机上安装贴片式铂电阻温度变送器，并设定报警温度值，实时测量和记录其温度（图4）。
3.在同步器电机接线端安装交流电流检测器，实时测量和记录电机的电流值，用以分析电机是否过载（图5）。
4.将上述安装的铂电阻、温度变送器、交流电流检测器信号接入DCS，利用DCS生成数据曲线，便于对比分析（图6）。
DCS画面中各颜色曲线的对应参数见表2 。
四、同步器电机温度高跳停原因确认
在完成同步器相关的测量装置安装投用后，通过分析同步器温度、电流值等曲线，可以很容易的确认同步器电机温度升高的原因。
1.同步器就地温度高
通过查看了DCS记录的温度数据曲线，见图7，在12：59左右上半部分坐标中的黄色曲线（电机温度）开始出现异常，逐渐升高，而红色曲线（同步器就地温度）并无太大波动，一直平稳且保持在36℃左右，因此同步器电机高温跳停并非由环境温度过高导致。 2.回路信号受干扰导致电机频繁动作
如果信号回路的线路屏蔽不好，信号会受外部干扰而失真，尤其是模拟量信号对外部干扰非常敏感。
为了验证同步器电机高温是否由回路信号受干扰引起，我们使用双绞线屏蔽电缆更换了DCS卡件到同步器的信号电缆，检查屏蔽网接地良好，电缆外表无破损。同时专门对同步器信号电缆进行了抗干扰测试，在电缆周边使用无线电设备，使用示波器查看电缆端头处的信号波形变化，结果各项参数均在正常范围之内。
将信号电缆更换为屏蔽电缆后，同步器电机仍然出现高温跳停现象，因此回路信号受干扰导不是同步器电机高温跳停的原因。
3.DCS卡件不稳定导致电机频繁动作。
将I/O板上原先的输出通道更换至同一输出卡上的备用通道，结果电机仍然出现发热跳停现象。接下来将整块I/O板更换，电机依然会出现发热跳停现象。
通过查看DCS数据曲线，如图8可知，DCS输出信号平稳，同步器反馈信号曲线也平顺，电机电流仅随排汽压力波动作必要变化。
综上可知DCS卡件输出信号稳定，未造成电机频繁动作。
4.控制器不穩定导致电机频繁动作。
为了确认控制器是否稳定，更换了新的控制器，但同步器电机在运行一段时间后仍然会出现高温跳停的现象，因此同步器高温跳停与控制器无关。
5.同步器电机过载导致温度升高。
在图9中，在16：06时，上半部分坐标白色曲线（电机电流开始）变化，且波动较大，这表明同步器电机收到控制器的信号开始动作。但电机电流持续保持在较大值而未恢复为0，直至16：08电机温度（黄色曲线）逐渐升高。
从时间的先后顺序和电机电流变化上可以确认电机确实在一段时间内存在过载，且温度在这段时间内不断上升。因此同步器电机温度升高跳停的原因是由于电机过载所致。
五、电机过载原因分析
为查明导致电机过载原因，更换了新的同型号的同步器电机，结果发现同步器在运行一段时间后仍然会出现高温跳停的现象，由此先排除了电机自身故障的可能性。
在图8中下部分坐标可以看出，同步器输出（黄色曲线）曾于16：08分前随排汽压力（白色曲线）变化而作出调整，而同步器反馈曲线（绿色曲线）却未随输出曲线变化而有明显波动，说明同步器电机在整个过程中并未转动。结合上部分坐标中电机电流长时间持续在高位，因此推断在发生故障时，电机因某原因被卡住无法转动，致使电机电流保持在高位，同步器无法动作其反馈自然不随输出变化而变化，由于电机长时间卡停，在电流作用下线圈温度逐渐升高，直至温度过高保护跳停。
电机卡停是导致电机过载的原因。造成电机卡停主要原因有电机转矩不足或同步器外部连接机构卡顿引起电机卡停。
为检验电机扭矩对同步器运行情况的影响，在研究了方案的可行性后，我们使用扭矩为300N.M的同步器更换原来200N.M的同步器，表3是新旧同步器的参数对比。
在使用扭矩为300N.M的同步器后，运行一段时间后电机仍会出现卡停现象，随后电机过载保护跳停，因此电机扭矩足够，并按生产要求恢复使用扭矩为300N.M的同步器。
如图10所示，原厂配置的同步器外观与原来的有所不同，但结构和工作原理相同。电机的轴上连接一个凸轮，当电机转动时，凸轮跟随转动，并带动连接滑阀的心杆，而滑阀则跟随心杆在套筒中作上下位移。原厂配置的同步器中无感温元件，只有检测电机电流的装置，因此无法查电机温度变化而只能查看电机电流变化。
换回原厂配置的同步器后，我们查看同步器电机运行情况，如图11，白色曲线（电机电流）前半部分有两个小突起为电机进行正常调节时的电流变化，而后面产生4个梯形状波形表示电机产生卡顿现象。综上，我们认为同步器电机的卡顿并非由电机自身引起，而是由于同步器外其他机构卡顿所致。
为分析同步器电机运动过程中的受力情况，我们观察图7和9，同步器电机不同时间的两次跳停均发生在汽机升负荷过程中。经机修人员分析，电机发生卡死，可能是由于油动机构的油中有杂质导致内部机械部件磨损。电机带动心杆动作时要克服因机械磨损额外生成的摩擦力，导致电机负荷骤增。
为验证分析，利用停机时间，机修人员对油动部分进行拆解，并发现滑阀出现了磨损的迹象，如图12，滑阀与套管接触面出现多处磨损划痕。
六、总结
经过本文的分析论证，并采取了相应的验证措施，确定了同步器电机升温跳停现象的原因为机械部件磨损致使同步器电机卡死后电机过载的保护保护跳停。经过机械维修人员更换更换机械油动机构部分零件后，彻底解决该了问题。
参考文献
[1] 杭州汽轮动力（集团）公司.汽轮机基本原理及安装、维护、检修[S]，1993；
[2] 杭州汽轮机厂.珠纤二期3#汽轮机技术资料[S]，2006.
[关键词]背压式汽轮机；同步器电机；高温跳停；原因；
Failure Analysis of Back Pressure Steam Turbine Synchronizer
Zhang Ming
Zhuhai Cellulose Fibers，Zhuhai， Guangdong 519070， China
[Abstract]In the production process， the back pressure steam turbine synchronizer motor several times high temperature jump， although can switch to manual control without affecting the normal production， but there are still hidden production safety. In this paper， the synchronization of the synchronizer for a detailed analysis， judgments and experiments to confirm the synchronizer motor frequent high temperature jumping reasons for the future troubleshooting and dealing with similar problems accumulated experience.
[Key words]Back pressure turbine； synchronizer motor； high temperature jump； cause；
中圖分类号：T526 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）28-0286-03
一、背压式汽机同步器及故障介绍
公司的汽轮机为背压式汽轮机，其背压调节采用电液调节，调节系统主要由主油泵、压力变送器、同步器、错油门、油动机等部件组成。机组运行模式是“以热定电”，以保证背压稳定为目的的前提下调整电负荷。在背压调节系统中，当背压变化时，背压经压力传感器转换成同步器电机的动作，通过电机凸轮机构改变心杆升降，由于心杆直接作用在压力变换器滑阀的上端，因此导致压力变换器滑阀产生位移，从而改变了脉冲油压，最终促使油动机动作，改变调节气阀的开度。
汽轮机的运行状态由同步器控制，同步器根据出口蒸汽压力的反馈值来调节汽机汽门的开度，从而实现控制汽机的运行状态。图1为汽机排汽压力的控制回路图，其中，控制器：DCS系统；调节器：同步器；被控对象：汽机出口蒸汽；变送单元：排汽压力变送器。
同步器采用KOSO公司生产的3610系列角行程电子执行机构，驱动电压为220VAC，工作环境温度为-10～60℃，额定输出扭矩为200Nm，它由控制模块和同步电机两个重要的部件组成。图2为同步器的硬件原理图。
公司背压式汽轮机同步器从2005年投入使用后至12年9月一直平稳运行，12年9月26日背压式汽机同步器发生汽门调节心杆断裂故障，故障修复后，汽机同步器电机频繁出现电机温度高导致电机过热保护跳停的故障。由于当时无法确定故障的根本原因，没有找到有效的解决方案，该故障迟迟得不到彻底解决。
二、同步器电机温度高跳停原因理论分析
通过查阅同步器说明书，当电机温度在一段时间内持续超过60℃，电机会高温保护自动跳停。在同步器跳停故障统计中，均出现为温度升高，经过深入分析，同步器电机温度高跳停现象可能的原因如下：
1.同步器就地环境温度过高，在热传导作用下同步器内部电机受热升温；
2.与同步器控制器连接的DCS卡件不稳定，导致输出信号不稳定，造成同步器电机频繁动作并升温跳停；
3.DCS卡件至控制器之间的信号回路受外界信号干扰，导致电机频繁动作并升温跳停；
4.控制器不稳定，导致电机频繁动作并升温跳停；
5.电机负荷过大，导致电机长时间过载，并升温跳停；
三、为同步器加装测量装置
经过同步器跳停故障理论分析后，为了确认引起同步器跳停的具体原因，经过分析增加了测量措施，实时测量和记录同步器与同步器相关的参数，包括温度、控制电流值等。具体实施过程如下：
1.在同步器外部环境就近安装铂电阻，实时测量和记录同步器周围温度（图3）。
2.在同步器内部控制器、电机上安装贴片式铂电阻温度变送器，并设定报警温度值，实时测量和记录其温度（图4）。
3.在同步器电机接线端安装交流电流检测器，实时测量和记录电机的电流值，用以分析电机是否过载（图5）。
4.将上述安装的铂电阻、温度变送器、交流电流检测器信号接入DCS，利用DCS生成数据曲线，便于对比分析（图6）。
DCS画面中各颜色曲线的对应参数见表2 。
四、同步器电机温度高跳停原因确认
在完成同步器相关的测量装置安装投用后，通过分析同步器温度、电流值等曲线，可以很容易的确认同步器电机温度升高的原因。
1.同步器就地温度高
通过查看了DCS记录的温度数据曲线，见图7，在12：59左右上半部分坐标中的黄色曲线（电机温度）开始出现异常，逐渐升高，而红色曲线（同步器就地温度）并无太大波动，一直平稳且保持在36℃左右，因此同步器电机高温跳停并非由环境温度过高导致。 2.回路信号受干扰导致电机频繁动作
如果信号回路的线路屏蔽不好，信号会受外部干扰而失真，尤其是模拟量信号对外部干扰非常敏感。
为了验证同步器电机高温是否由回路信号受干扰引起，我们使用双绞线屏蔽电缆更换了DCS卡件到同步器的信号电缆，检查屏蔽网接地良好，电缆外表无破损。同时专门对同步器信号电缆进行了抗干扰测试，在电缆周边使用无线电设备，使用示波器查看电缆端头处的信号波形变化，结果各项参数均在正常范围之内。
将信号电缆更换为屏蔽电缆后，同步器电机仍然出现高温跳停现象，因此回路信号受干扰导不是同步器电机高温跳停的原因。
3.DCS卡件不稳定导致电机频繁动作。
将I/O板上原先的输出通道更换至同一输出卡上的备用通道，结果电机仍然出现发热跳停现象。接下来将整块I/O板更换，电机依然会出现发热跳停现象。
通过查看DCS数据曲线，如图8可知，DCS输出信号平稳，同步器反馈信号曲线也平顺，电机电流仅随排汽压力波动作必要变化。
综上可知DCS卡件输出信号稳定，未造成电机频繁动作。
4.控制器不穩定导致电机频繁动作。
为了确认控制器是否稳定，更换了新的控制器，但同步器电机在运行一段时间后仍然会出现高温跳停的现象，因此同步器高温跳停与控制器无关。
5.同步器电机过载导致温度升高。
在图9中，在16：06时，上半部分坐标白色曲线（电机电流开始）变化，且波动较大，这表明同步器电机收到控制器的信号开始动作。但电机电流持续保持在较大值而未恢复为0，直至16：08电机温度（黄色曲线）逐渐升高。
从时间的先后顺序和电机电流变化上可以确认电机确实在一段时间内存在过载，且温度在这段时间内不断上升。因此同步器电机温度升高跳停的原因是由于电机过载所致。
五、电机过载原因分析
为查明导致电机过载原因，更换了新的同型号的同步器电机，结果发现同步器在运行一段时间后仍然会出现高温跳停的现象，由此先排除了电机自身故障的可能性。
在图8中下部分坐标可以看出，同步器输出（黄色曲线）曾于16：08分前随排汽压力（白色曲线）变化而作出调整，而同步器反馈曲线（绿色曲线）却未随输出曲线变化而有明显波动，说明同步器电机在整个过程中并未转动。结合上部分坐标中电机电流长时间持续在高位，因此推断在发生故障时，电机因某原因被卡住无法转动，致使电机电流保持在高位，同步器无法动作其反馈自然不随输出变化而变化，由于电机长时间卡停，在电流作用下线圈温度逐渐升高，直至温度过高保护跳停。
电机卡停是导致电机过载的原因。造成电机卡停主要原因有电机转矩不足或同步器外部连接机构卡顿引起电机卡停。
为检验电机扭矩对同步器运行情况的影响，在研究了方案的可行性后，我们使用扭矩为300N.M的同步器更换原来200N.M的同步器，表3是新旧同步器的参数对比。
在使用扭矩为300N.M的同步器后，运行一段时间后电机仍会出现卡停现象，随后电机过载保护跳停，因此电机扭矩足够，并按生产要求恢复使用扭矩为300N.M的同步器。
如图10所示，原厂配置的同步器外观与原来的有所不同，但结构和工作原理相同。电机的轴上连接一个凸轮，当电机转动时，凸轮跟随转动，并带动连接滑阀的心杆，而滑阀则跟随心杆在套筒中作上下位移。原厂配置的同步器中无感温元件，只有检测电机电流的装置，因此无法查电机温度变化而只能查看电机电流变化。
换回原厂配置的同步器后，我们查看同步器电机运行情况，如图11，白色曲线（电机电流）前半部分有两个小突起为电机进行正常调节时的电流变化，而后面产生4个梯形状波形表示电机产生卡顿现象。综上，我们认为同步器电机的卡顿并非由电机自身引起，而是由于同步器外其他机构卡顿所致。
为分析同步器电机运动过程中的受力情况，我们观察图7和9，同步器电机不同时间的两次跳停均发生在汽机升负荷过程中。经机修人员分析，电机发生卡死，可能是由于油动机构的油中有杂质导致内部机械部件磨损。电机带动心杆动作时要克服因机械磨损额外生成的摩擦力，导致电机负荷骤增。
为验证分析，利用停机时间，机修人员对油动部分进行拆解，并发现滑阀出现了磨损的迹象，如图12，滑阀与套管接触面出现多处磨损划痕。
六、总结
经过本文的分析论证，并采取了相应的验证措施，确定了同步器电机升温跳停现象的原因为机械部件磨损致使同步器电机卡死后电机过载的保护保护跳停。经过机械维修人员更换更换机械油动机构部分零件后，彻底解决该了问题。
参考文献
[1] 杭州汽轮动力（集团）公司.汽轮机基本原理及安装、维护、检修[S]，1993；
[2] 杭州汽轮机厂.珠纤二期3#汽轮机技术资料[S]，2006.