瓦克夏L7042GSI 天然气发动机缸温低故障诊断

2023-10-27刘福刚李红旗王建鑫

设备管理与维修 2023年18期

刘福刚，李红旗，王建鑫，马云，张明，李斌

（1.吐哈油田公司油气生产服务中心，新疆吐鲁番 838202；2.吐哈油田公司鄯善采油管理区，新疆吐鲁番 838202）

0 引言

吐哈油田公司鄯善采油管理区5#增压压缩机组动力端采用美国瓦克夏公司生产的L7042GSI 型发动机，该发动机为12缸带涡轮增压器和中冷器的天然气发动机，机组额定功率1455 kW，转速范围700～1200 r/min，点火由CEC（Custom Engine Control unit，发动机控制单元）点火模块控制，转速控制由伍德沃德调速器控制，空燃比由Fisher 阀控制。自2021 年12月以来，5#机组在正常加载运行过程中出现意外停机故障，机组意外停机，严重影响了装置的正常运转。

1 故障分析

通过DCS（Distributed Control System，分布式控制系统）对发动机各参数历史数据查询，发现发动机故障停机前伴随着转速波动大且发动机运转缸温异常偏低现象，发动机缸温较低说明发动机燃气燃烧做功效率低下，表现为动力不足、转速波动大，最终造成机组意外停机。

发动机排气温度实质上是燃烧是否充分的反映。进入燃烧室的气体包含天然气和空气，天然气经调压后进入空燃比系统，而过滤后的空气经涡轮增压后同样进入空燃比系统，在空燃比系统内，燃气和空气按照设定比例混合进入调速系统节气门，按照调速系统设定的混合气量经过汇管进入燃烧室，在配气机构和点火系统的作用下，混合气经过吸气、压缩、做功、排气4 个过程实现燃烧的热能转化成机械能的过程（图1）。参与发动机燃烧的系统有点火系统、进气系统、空燃比系统、配气机构和转速控制系统等，参与燃烧的环节因素都有可能造成缸温异常。

图1 发动机燃烧流程

1.1 故障诊断模型

FAT（Fault Tree Analysis，故障树分析法）是安全系统工程的重要分析方法，建立FTD（Fault Tree Diagram，故障树图）是故障分析的基础，可以直观地表达对应的故障处理逻辑，并通过部分事件串联起来表达整体故障状态。为了准确记录故障表象与根本原因之间的逻辑关系，并提高诊断系统推理匹配速度，按照排气温度低故障产生规则构建知识库模型（图2）。

1.2 控制系统故障

（1）热电偶故障。热电偶传感器断裂或者存在虚接、磨皮都会使控制系统采集到的毫伏级电压信号失真，从而导致采集的温度信号异常。

（2）Modbus 采集模块故障。Modbus 采集模块为控制系统热电偶采集模块，信号经Anybus 模块和以太网网关转换后数据进入PLC 数据存储区。该模块接线端子虚接或配置选项按钮配置错误，都有可能将转换的模拟量信号误传到PLC。

1.3 点火系统故障

点火系统由CEC 点火控制模块、正时传感器、低压导线、高压线圈、火花塞、点火线束及接线盒构成。CEC 点火模块控制电路故障、CEC 接线盒接线端子虚接或断路、点火线束未接地、火花塞积碳或间隙不对、燃烧室进水、正时信号不良、高压线圈损坏等有可能出现个别缸缺火，从而造成缸温低故障。

1.4 进气系统故障

油田天然气场站建设在戈壁上，风沙较大，风沙天气很有可能使空气滤芯堵塞或老化、穿透，导致混合器的空燃比变小。而涡轮增压器效率的高低也会导致排气温度降低或升高。

此外，调压阀调压失败致使进入进气歧管的燃气量减少、造成各缸富氧燃烧，也是导致排气温度低的因素之一。

1.5 空气比系统故障

空燃比是空气与燃料之间的质量比例。一般用每克燃料燃烧时所消耗的空气的克数来表示。空燃比是发动机运转时的一个重要参数，它对尾气排放、发动机的动力性和经济性都有很大影响，过小或过大的空燃比对排气温度有着一定影响。空燃比低于理论最佳空燃比时，燃烧室火焰燃烧温度最高，发动机排气升温快、排气温度高。当空燃比大于发动机最佳空燃比时，发动机功率随着发动机空燃比的增大而下降，排气温度也随之降低。空燃比超过稀燃极限时会出现失火，发动机功率显著降低。

Fisher 调节阀是调整空燃比的核心部件，起到平衡燃气与空气压差的作用，膜片损坏或者管线堵塞都有可能使空燃比失调，有导致富氧燃烧的混合器进入燃烧室。Fisher 调节阀主要由计量阀、计量阀弹簧、膜片、调节器等构成，天然气积液、操作工误拧调节器、膜片损坏都有可能造成错误的空燃比。

1.6 配气机构

汽缸盖是发动机配气系统的关键部件，安装在缸体上方，汽缸盖和气缸构成燃烧室，汽缸盖经常与高温高压的燃气接触，承受了很大的热负荷和机械负荷。汽缸盖上的进气门、排气门是燃气混合器、废气的专用流通通道，气门间隙的过大或过小对发动机排气温度有着很大影响。

（1）汽缸盖气门烧蚀损坏或密封不严漏气，气门座圈损坏都会导致气门和气门座圈密封失效，造成燃烧效率降低，从而导致发动机排气温度过低。

（2）进排气门间隙调整不当。进气门间隙太大，则气门开度增小，进入燃烧室的燃气量减少，在功率不变的情况下燃烧能力减少、排气温度会降低。

1.7 进气温度过低

进气温度过低会导致机组各缸普遍温度偏低，因此各型发动机对进气温度有着严格的进气范围要求。

1.8 燃气热值影响

燃气热值是一定体积或质量的燃气所能放出的热量称为燃气的发热量，通过查阅手册得出L7042GSI 型发动机的天然气热值应在（3.26～3.46）×104kJ/m3，热值过高会造成燃烧不充分，燃烧能力降低，从而造成排气温度偏低。

1.9 点火提前角度不合适

点火提前角是天然气发动机从点火时刻起到活塞到达压缩上止点，这段时间内曲轴转过的角度称为点火提前角，能使发动机获得最佳动力性、经济性和最佳排放时的点火提前角称为最佳点火提前角。同工况下，增大点火提前角可减少燃烧趋势，点火提前角每增加1°排气温度降低3～8 ℃，表象为排气温度降低。减小点火提前角则可以减少燃烧室压力，但排气温度会升高。因此，合理的点火提前角是发动机正常燃烧的关键因素之一。

2 解决措施

2.1 检查控制系统

对热电偶传感器进行鉴定，具体方法是使用热温枪测量排气管的温度与显示的温度对比，如果温差较大则进行更换。温度采集主板可采用虚拟信号模拟的方式检测其工作是否正常，具体方式是：拆除热电偶，将信号线和FLUKE754 过程控制仪连接，使用FLUKE754 作为信号发生器检测温度变化情况，如果温度相差较大则更换问题采集主板。

2.2 定期点火系统检查

每800 h 的保养作业应拆除所有缸的火花塞，检查火花塞的积碳、中间级烧蚀以及火花塞级间间隙。

（1）修复时，使用砂纸及时清除积碳，更换烧蚀火花塞，火花塞间隙应调整至1.5～1.6 mm。

（2）使用多用表检测高压导线和高压线圈，电阻阻值应为2 Ω 以下。

（3）由于火花塞位于汽缸盖凹槽部位，下雨时容易积液，巡检时应及时清理火花塞外部的积水。

（4）此外，发动机运转过程中如果振动较大，则应定期紧固高压导线、高压线圈和火花塞等。

2.3 检查进气系统

空气滤芯是过滤空气杂质的零件，应使用高压空气定期吹扫滤芯中的尘土，而涡轮增压器每12 000 h 应开展大修作业。

2.4 检查空燃比系统

保养过程应检测空燃比，具体方法是在进气歧管和Fisher调压后的燃气管线安装U 形水管，在启动机组的过程中，观察液柱差是否为114.3～139.7 mm 或水柱高度差为7 cm。高度差过低或过高可通过调整螺钉调节。

Fisher 阀内壁和计量阀存在很小的间隙，计量阀在空燃比不变的情况下在燃气吹扫下做着往复运动，在这一过程中起导向作用的膜片有可能受到积液、杂质和回火而受力不均，或者运动过程中出现计量阀共振，此时计量阀受到径向力而向混合器内壁方向偏斜，偏斜过大会与混合器内壁摩擦，径向力过大很有可能使计量阀卡死。若计量阀卡死在自由状态下的位置时，燃气流量会出现紊乱现象，从而导致空燃比调节失效。

若调整高度差失败可拆除混合器所有部件。在拆除计量阀时，应检查计量阀抽出时有无卡阻现象，或观察计量阀和混合器内壁有无磨痕。正常情况下计量阀和混合器内壁存在间隙，无摩擦才能保证计量阀在燃气压力的作用下调节计量阀开度，如果存在磨痕说明燃气不能正常打开计量阀。

2.5 检查配气机构

配气机构主要检查气门间隙和检测缸压。

（1）对于12 缸发动机来说，首先将右一缸调整至压缩上冲程位置，检测并调整气门间隙，进气门、排气门间隙分别约0.4 mm、0.7 mm。其次按照点火顺序，依此检查和调整各缸气门间隙。

（2）缸压是评定燃烧室工作好坏的一项关键指标，每半年应检测一次发动机各缸的缸压。L7042GSI 型发动机的气缸缸压为1.07～1.20 MPa（最小不低于0.9 MPa），否则应检查活塞环、进气门密封情况。测量缸压时应先断开低压点火线接头盒或发动机燃气阀阀门，拆除所有缸的火花塞、装入缸压表，然后按照启机流程启动发动机，启动盘车时缸压表的最大数值即为气缸的缸压。如果缸压较小，则应检查发动机气门和活塞的密封性。

2.6 燃气组分的化验

定期对发动机燃气开展组分化验，可通过瓦克夏WKI 软件计算燃气热值。如果燃气热值不在3.26×104～3.46×104kJ/m3范围内，则应检查工艺参数并对其进行调整。

2.7 点火提前角检查和标定

按照手册要求，L7042GSI 型发动机点火提前角应调整至21°～23°，此时发动机的排气温度约580 ℃。点火提前角每两个月检查一次，检查时用正时灯感应夹夹住点火正极线，将正时灯正对飞轮上的正时刻度线，正时灯闪亮时显示的度数为点火提前角。点火提前角不正确时，应在机组停机状态下调整CEC 点火模块的正时旋钮。