L5794GSI发动机故障诊断及处理剖析.pdf

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1、1 图 1 ESM 控制器 L5794GSI发动机的故障诊断及处理 李彩霞 （设备物资科） 摘要：天然气发动机的故障诊断及处理是其运行管理的一项重要工作，为了方便快捷地解决发动机 运行中的故障，大型发动机生产厂家都为发动机配备了ESM （engine system manager）系统。 ESM 系统融合了点火控制，速度控制，爆燃检测，启、停控制，故障诊断，故障记录存储和发动机停机 保护功能。 ESM的故障诊断模块可以帮助我们解决大部分发动机故障，但不能解决所有故障，而且 故障诊断系统也只是告诉我们查找问题的方向，有些故障是故障诊断系统编码中没有的，具体原因 还需要技术人员分析。本文就天然气发

2、动机故障编码中的故障和故障编码中没有的常见故障原因及 解决方法进行了阐述。 主题词：发动机 ESM系统故障诊断 天然气发动机是石油化工生产中常用的动力设备，结构复杂，运行中常常会出现一 些故障，如不及时发现和排除往往会影响生产或造成机器损坏，因此其故障诊断及处理 是其运行管理的一项重要工作。发动机结构的复杂性、自动化程度的日益提高，使其故 障判断也成为了运行管理中的难点。柴油发动机、天然气发动机在结构和工作原理上虽 然有共同之处，但也有一定差别，不同发动机，故障判断又有不同之处。下面就冀东油 田高尚堡油气处理厂L5794GSI发动机的常见故障进行分析。 1 发动机性能及控制系统 冀东油田高尚堡

3、油气处理厂的L5794GSI 天然气发动机，是美国WAUKESHA公司生产的 四冲程12 缸 V 型涡轮增压发动机，功率为 858KW, 采用了 ESM 系统管理器。 ESM （Engine System Manager ）发动 机系统管理器，负责整个发动机的系统管理， 融合了点火控制，速度控制，爆燃检测，启、 停控制，故障诊断，故障记录存储和发动机停 机保护功能。其 ESP （发动机系统程序，为英 文界面）包括： F2 发动机主控制画面， F3 2 启-停控制画面， F4 发动机调速画面， F5 点火画面， F6 空燃比主画面， F8 空燃 比设置画面， F10 发动机状态画面， F11 高

4、级画面及故障日志。 ESM 使发动机更容易操作， 运行更加平稳， 效率更高，为发动机提供了更好的保护， 还可以使我们更加方便快捷地找到问题的原因。但ESM 并不能解决所有故障，有些故障 还需要技术人员来分析。 2 发动机故障报警和故障停机 2.1 故障报警和停机的检查方法 当发动机出现故障报警， ESM 的黄灯就会亮，如果出现故障停机红灯就会亮。我们 可以把装有 ESP程序的笔记本电脑通过数据线与ESM控制器连上，通过 F11 画面查看 故障代码和故障原因。 ESM故障模块一共有 40 个报警代码， 17 个停机代码。这些故障 中，只有 17 项与发动机本身点火系统、燃气控制、调速调节系统、油

5、温高、水温高有 关，占故障的1/3 ，其余的为ESM模块、传感器、接线和程序设置故障，占2/3 。ESM 报警表及停机故障代码表见表1 和表 2。 表-1 ESM 系统报警表 报警故障代码报警项原因描述 ALM211 油压油压传感器 / 接线故障 ALM212 左排进气压力左排进气歧管压力传感器/ 接线故障 ALM213 油温油温传感器 / 接线故障 ALM214 右排进气压力右排进气歧管压力传感器/ 接线故障 ALM221 空气进气汇管空气汇管进气温度传感器/ 接线故障 ALM222 主燃气阀燃气阀泄漏 / 发动机不能成功及时停机（或停不下来） ALM223 爆燃某缸点火提前角过大（超过允许

6、的最大提前角）。 ALM225 爆燃传感器爆燃传感器 #（#是缸号）在点火时开路或短路 ALM231311 #缸点火#缸点火时点火系统故障 ALM312 过载发动机过载 ALM313 点火信号错误ECU（控制单元）收到的点火信号超正常范围 ALM314 速度远传接线故障 ALM315 进气温度高进气汇管温度高 ALM322 调速执行器调速执行器故障 ALM323 拉杆被卡死汽化器喉部蝶阀拉杆被卡住 3 ALM332 点火通迅故障IPM-D 点火模块和ECU 之间存在通讯错误 ALM333 夹套水温度高发动机夹套水温度太高 ALM335 油温高发动机润滑油温度太高 ALM341 步进电机 (st

7、epper) 左排步进电机在零位/ 未接线 ALM342 步进电机 (stepper) 右排步进电机在零位/ 未接线 ALM343 左排氧传感器左排氧传感器/ 接线故障 ALM344 左排气温度高左排排气温度传感器/ 接线故障 ALM345 右排氧传感器右排氧传感器/ 接线故障 ALM351 右排气温度高右排排气温度传感器/ 接线故障 ALM353 点火能量点火能量水平达到了二级（最高水平），至少一个火花 塞需要更换。 ALM413 燃气贫到极点左排步进电机位置燃气贫到极点 ALM415 燃气富到极点左排步进电机位置燃气富到极点 ALM422 冷却水温度传感器/ 接线故障 ALM423 燃气贫

8、到极点右排步进电机位置燃气贫到极点 ALM425 燃气富到极点右排步进电机位置燃气富到极点 ALM432 步进电机通讯故障步进电机通讯故障 ALM441 汽化器喉部蝶阀执行器 / 接线故障 ALM451 远传速度远传速度模拟输入量超出了正常范围/ 线路故障 ALM454 24V 电源（或蓄电池） 电压 24V 电源（或蓄电池）电压超出范围 ALM455 ECU 模块温度高ECU 模块温度超出了允许正常工作温度的最高值 ALM523 交流磁电机交流磁电机 / 接线故障 ALM541 用户 DIP 用户注册码发生了改变 ALM542 启动转速 0 当发动机运行时，启动信号被关掉；否则发动机一停机

9、就会立即启动 ALM552 发动机被反推发动机被驱动机反推转动；火花塞故障被ECU 模块停 止 ALM555 内部故障ECU 内部故障，联系厂家 表-2 停机故障代码表 4 停机故障代码停机项故障描述 ESD212 曲轴磁信号拾取（曲 轴速度传感器） ECU（电子控制单元）检测到的曲轴脉冲信号比在凸轮 轴间检测的预期脉冲信号要少。 ESD214 凸轮磁信号拾取（凸 轮轮轴速度传感器） 在磁拾取器之间， 太多的曲轴脉冲信号被辨认出来，（或 没信号被检测到） ESD221 发动机超速发动机超速；发动机运行超过允许速度 ESD222 紧急关断被用户配备的紧急关断系统关断 ESD223 润滑油压力低压

10、力传感器检测到的油压信号低于设定的最低停机值 ESD224 爆燃某缸点火提前角超过了引起爆燃的最大值，发动机爆 燃。 ESD231 盘车超时发动机盘车时超过了最大盘车时间 ESD232 发动机突然停止发动机没有收到来自ECU 控制模块停机信号而停机； 可能是按了紧急停机按钮；ECU 模块故障或失电 ESD251 超速超过了用户设定的最高速度限，检查混合气喉部控制阀 执行器和拉杆 ESD312 超负荷发动机超负荷 ESD313 紧急停机 / 点火问题紧急停机按钮被按下，或 IPM-D 模块电源故障 （可能是 模块失电或内部保险烧断） ESD315 空气进气汇管温度高空气进气汇管温度高 ESD33

11、3 冷却水温度高发动机冷却水温度太高，达到了设定的停机值 ESD335 爆燃超限爆燃传感器输出值超过了ECU 最高极限 ESD551 ECU 程序需更新ECU 程序需更新 ESD553 违反安全保证发动机型号与ESM 程序不符 ESD555 内部故障ECU 内部故障 2.2 故障具体原因分析 ESM 可以告诉我们查找故障的方向，但有些具体原因还需要进一步分析查找。上述 故障表中的 ALM315 、 ESD315 空气进气汇管温度高；ALM333 、 ESD333 夹套水温度高；ALM335 油温高； ESD221发动机超速； ESD312 发动机超负荷； ESD231 盘车超时这 6 项就没有

12、给 出具体原因，要想排除故障，就要分析出具体原因，并根据具体原因与以纠正。其具体 原因分析如下： 2.2.1 ALM315 、ESD315 空气进气汇管温度高报警、停机 5 空气进入发动机的流程是： 从空气的流程可分析出得出空气进气汇管温度高的可能原因有： A辅助水泵故障，中冷器冷却水量不足。 B中冷器结垢严重，冷却效果差。 2.2.2 ALM333 、ESD333 夹套水温度高报警、停机 夹套水是给缸头、缸套、活塞冷却的，由主水泵供水。如果水温高会损坏发动机， 严重的可能使发动机报废。其流程为： 故夹套水温高的可能原因有： A.膨胀罐液位低。 B.夹套水泵故障或主水泵皮带松、脱落、断裂。 C

13、.夹套水泵机封损坏或冷却水管路破裂冷却液大量泄漏。 D.空冷器管束太脏、百叶窗开度太小或风机故障使空冷器冷却效果不好。 E.冷却水管路堵塞或温控器故障。 2.2.3 ALM335 油温高 根据润滑油系统分析，可能原因有： A.发动机轴瓦间隙小，不在规定值范围。这个我们可以通过机组控制面板上各缸的 轴瓦温度来判断。 B.发动机气缸冷却不好，缸头、缸套水道堵塞。 C.所用的润滑油牌号不对或油质有问题。 D.油冷器冷却效果不好（如果发动机使用非软化水，容易出现这个问题，使用防冻 液或软化水一般不会出现这个问题） 。 E.油系统温控器故障。 空气滤清器 废气涡轮的增 压端 中冷器 空气汇管 膨胀罐夹套

14、水泵缸头、缸套 空冷器 6 F.辅助水泵故障 2.2.4 ESD221 发动机超速 根据发动机调速控制系统分析，可能原因有： A.发动机运转速度确实超过了最高允许转速。 每种型号的发动机都有它的最高允许转速。我们在速度控制模块设置发动机的最高 空载转速不能超过它的最高允许转速、我们在机组控制面版调整发动机的运行速度时， 也不能超过发动机设定的最高空载转速，超过了就会停机。 B.可能是调速执行机构故障。 2.2.5 ESD312 超负荷 可能原因有： A.发动机实际负载超过了发动机的最大负载。 B.点火系统、燃料系统故障。 C.发动机进排气门漏气、气门间隙调整的不合适或液压挺杆有问题。 D.发动

15、机气缸、活塞磨损严重，功率下降。 对于点火系统故障，气门漏气、气缸、活塞环磨损，目前比较先进、快捷的诊断方 法可以借助于往复式设备状态监测仪，通过检测发动机工作时的点火电压、缸压来进一 步判断。 2.2.6 ESD231 发动机盘车超时 可能原因有： A.启动风压力低。 B.润滑油温度低。 C.启动马达故障。 3 无报警的常见故障及处理 从前面的 ESM 报警和停机故障编码表中可以发现，大部分都是与点火系统、调速系 统和 ESM 模块本身、传感器、接线和程序设定有关的，可以帮助我们排除大部分故障。 但还有一些故障编码中是没有的，具体原因还需要技术人员根据发动机的情况来分析。 这类问题原因也是比

16、较难查找的。 3.1 按启动按钮后发动机不转 A. 查看F10 状态画面（图 2） ，观察系统停机状态。 7 图 2 F10ESM 状态画面 F10 顶部 6 个状态栏，都应该是灰的，这代表ESM 系统是好的，或没有故障停机。 如果有故障停机，消除故障。 B. 如果F10 状态画面没有故障停机，查看F3 启动- 停止画面（图 3） 。 8 图 3 F3 启动、停止画面 当按下启动按钮，观察启动信号有没有变绿。如果启动信号没有变绿，查看接线。 C. 核实 24V电源至 ESD和启/ 停控制面版接线是否正确。 如果需要，整改电源接线。 D. 察看 ESD设定值。紧急停机后，发动机转速到零后，ESD

17、输入值应提高到ESM 设定的高值。 ESD输入的值如果保持低值的话，ESM 复位将被延时，并且发动机将1 分 钟以上不启动。 3.2 发动机转了，但没启动起来 A. 用正时灯检查是否有火花塞不点火。 B. 如果火花塞全部点火，检查燃料气阀是否打开，如果燃料气阀是打开的，感觉 一下当启动按钮按下时，燃料气阀是否动作，当发动机启动按钮被按下时，如果感觉没 有动作，检查燃料器阀执行机构接线盒，检查24V电源接线盒到 ECU接线。 C. 观察F3( 图 3) 启动- 停止画面，确认编程的清除时间是0-15 秒。尽管清除时间 可以被编程为 0-1800 秒，清除时间超过 16 秒，将会阻碍发动机的启动，

18、因为要越过的 停机错误是 16 秒。如果清除时间太长，编辑清除时间在0-15 秒。 D.检查启动气压力及启动马达。调整启动风压力0. 8MPa, 使盘车转速升至100 9 125r/ min 。 F.检查机旁急停按钮是否在拔出位置，开关或接线是否存故障。 3.3 发动机不在期望的转速运行 A. 观察 ESP中的F2 画面（图 4） ，核实发动机的“速度设定值” （“Eng Setpoint RPM ”）与发动机转速是否一致。 图 4 F2 速度控制画面 如果 “速度设定值” （“Eng Setpoint RPM ”） 与发动机实际转速（“Eng Speed RPM ”） 一致，是电方面的问题，

19、按照B查电方面的问题。 如果“速度设定值”（“Eng Setpoint RPM ”） ，发动机转速（“ Eng Speed RPM ”） 不一致，是发动机方面的问题，按照C查发动机方面的问题。 B. 电方面问题 发动机 ESM 系统的速度控制采用固定速度模式和可变速度控制模式。一般情况下， 发动机在可变速度模式运行，用户可以根据工艺或负载需要，在机组PLC控制面板上调 整发动机转速。如果ESM收到 PLC的毫安信号低于2mA ，或高于 22 mA，发动机就按固 定模式运行，即在空载高速或空载低速下运行，速度取决于输入的高/ 低空载转速数据。 10 固定速度模式 1） 核实输入的高 / 低和空载

20、数值情况， The GOVHL IDL 在高速空载下应是额定的24V， 必需输入正确。 2）核实 F4 控制画面上的空载高速值是否设定正确。空载高速值必须设定正确。 可变速度模式 1）远程速度输入的数字是额定电压24V，看F4 控制画面， 核实输入的远程速度数 据。输入必须正确。 2）在F4 控制画面（图 5）上，核实远程速度设定的毫安（mA ）值。如果你用远程 控制速度，输入电压或电流值， 在 ESP上应显示相等的 mA值或电压值（4-20mA或 0.875 4.0 volt ） 。如果电流值低于2mA或高于 22mA ，很可能是 ESM 系统线路问题，这时要 检查线路。 图 5 F4主控制

21、画面 3）发动机运行时如果不能达到设定的最低转速，在F4 控制盘上修改最低转速至 50RPM 。 11 C.发动机问题 1）如果发动机转速比设定的慢，可能存在点火、废气涡轮、燃料问题或发动机过 载。根据具体情况纠正。 2）如果发动机运行转速比设定的高，气化器蝶阀拉杆可能有故障，使气化器蝶阀 不能关闭。 3.4 发动机空气入口汇管压力波动过大 GSI 发动机超过 0.5 in-Hg(1.69 kPa) 或 LT 发动机超过 1.0 in-Hg(3.39 kPa) A.查看发动机控制盘 F2 （图 6） ，核实进气空气汇管压力设定值，是否超过了可接 受范围， GSI 发动机超过0.5 in-Hg(

22、1.69 kPa) 或 LT发动机超过1.0 in-Hg(3.39 kPa)。 图 6 F2 速度控制画面 B . 如果这个值没超过范围，发动机就存在问题，如气化器喉部蝶阀不同步；废气 涡轮工作不正常；各缸的空燃比不平衡。 1）查气化器喉部蝶阀执行机构。 2）查燃料气调节机构。 12 3）查废气涡轮。 4）检查空气滤清器、中冷器。 3.5 发动机振动超标 可能的原因有： A.发动机爆燃（可以检查ESM 故障报警是否存在爆燃） 。 B.发动机与压缩机联轴器对中不合格。 C.地角螺栓松动。 D.发动机主轴瓦、连杆瓦间隙，活塞销子与销套间隙过大（这时发动机的振动和噪 声都非常大）。 3.6 发动机油

23、压低 可能的原因有： A.机油过滤器脏。 B.油泵定压设得太低。 C.轴瓦间隙过大。 3.7 曲轴箱压力高 可能的原因有： A.曲轴箱呼吸器堵塞。 B.活塞环漏气。这时我们会发现发动曲轴箱润滑油很容易发黑变质。 3.8 发动机机油损耗大，烟囱冒蓝烟。 可能的原因是：发动机活塞上的油环漏油。 4 结论 综上所述，天然气发动机ESM 系统管理器的应用，提高了发动机燃烧性能，发动机 的效率，还为我们提供了故障诊断系统， 为发动机的安全平稳运行提供了强有力的保护， 特别是可以提早发现点火系统的故障。ESM 系统的故障诊断模块，可以帮助我们判断大 部分故障，但不能解决所有故障，尤其是发动机本身机械方面的故障。还需要我们根据 经验和采用其他检测手段来帮助判断。上述故障判断及处理其它类似天然气发动机也可 参考。 参考文献： 1 王忠礼 . 天然气发动机燃烧故障的判断与排除J 设备维修与管理，2005(4)