何冬輝， 葉振起， 趙奕州

(遼寧東科電力有限公司， 沈陽 110006)

主汽閥卡澀在機(jī)組啟動過程或正常運(yùn)行過程時有發(fā)生，可能引起機(jī)組超速飛車等重大事故。高壓主汽閥(TV)是保護(hù)汽輪發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行的重要設(shè)備，它的作用是當(dāng)機(jī)組緊急停運(yùn)或事故情況下，在高壓自動關(guān)閉器的操縱下，在0.3 s內(nèi)迅速關(guān)閉，切斷進(jìn)入汽輪機(jī)的新蒸汽，防止機(jī)組超速[1]。筆者介紹了機(jī)組的啟動流程，結(jié)合兩次切閥動態(tài)過程，從切閥控制邏輯角度出發(fā)，剖析了高壓調(diào)節(jié)汽閥(GV)的控制指令形成和主汽閥的結(jié)構(gòu)及原理，并提出了降低閥門前后壓差的有效方法，確保切閥成功。

1 機(jī)組及設(shè)備介紹

1.1 設(shè)備概況

某廠新投產(chǎn)的汽輪機(jī)為超臨界、單軸、一次中間再熱、雙缸雙排汽、凝汽式汽輪機(jī)，型號為N670-24.2/566/566。機(jī)組在啟動過程中采用高中壓缸聯(lián)合啟動方式。分布式控制系統(tǒng)(DCS)采用I/A分散控制系統(tǒng)控制，旁路采用高、低壓二級串聯(lián)液壓旁路系統(tǒng)。本機(jī)采用數(shù)字式電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)(DEH)，系統(tǒng)的控制油為14 MPa的高壓抗燃液，機(jī)械保安油為0.7 MPa的低壓透平油，執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分包含TV油動機(jī)、中壓再熱主汽閥(RSV)油動機(jī)各2臺，GV油動機(jī)4臺，中壓調(diào)節(jié)閥(IV)油動機(jī)4臺。其中，TV內(nèi)置預(yù)啟閥，IV為兩位式開關(guān)型閥門，其他為伺服型調(diào)節(jié)閥門。所有閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)均靠液壓力開啟閥門，彈簧力關(guān)閉閥門，通過油動機(jī)上油缸端部的可調(diào)針閥可調(diào)整閥門關(guān)閉速度，即具有“可調(diào)緩沖”功能。

1.2 機(jī)組啟動流程

機(jī)組啟動方式采用高中壓缸聯(lián)合啟動，在汽輪機(jī)啟動升速過程中，GV和RSV全開，轉(zhuǎn)速控制TV-IV聯(lián)合控制，目的是保持全周進(jìn)汽，使汽輪機(jī)溫度分布比較均勻，有利于減小熱應(yīng)力，當(dāng)轉(zhuǎn)速升至2 900 r/min時，轉(zhuǎn)速控制由TV切換至GV，隨后由GV控制轉(zhuǎn)速直至定速，并網(wǎng)帶負(fù)荷，可實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)后機(jī)組負(fù)荷精確調(diào)節(jié)(噴嘴調(diào)節(jié))，減少節(jié)流損失和負(fù)荷擺動[2]。

(1) DEH自動選擇帶旁路的高中壓缸聯(lián)合啟動方式。掛閘后，GV和RSV全開，TV和IV處于關(guān)閉狀態(tài)。

(2) 冷態(tài)啟動，目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)定為2 900 r/min，轉(zhuǎn)速由IV-TV聯(lián)合控制，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到2 900 r/min時，手動進(jìn)行TV→GV切換。GV由全開狀態(tài)逐漸關(guān)小，當(dāng)GV關(guān)至DEH計(jì)算的閥位時，GV具備節(jié)流能力，表明轉(zhuǎn)速受其影響，GV接受轉(zhuǎn)速PID控制回路的指令，與此同時TV逐漸快速開啟直至全開，GV開始控制轉(zhuǎn)速，閥切換完成。

(3) 閥切換后，設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min， GV-IV聯(lián)合控制轉(zhuǎn)速至3 000 r/min，并網(wǎng)帶負(fù)荷。

2 切閥失敗過程及現(xiàn)象

機(jī)組首次啟動過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速至2 900 r/min時，左右兩側(cè)TV開度為9%左右，4個GV處于全開狀態(tài)。TV→GV指令發(fā)出后，切閥過程見圖1，4個GV同時以設(shè)定速率逐漸關(guān)小。當(dāng)GV關(guān)小至12%時，TV在伺服閥指令的作用下逐漸開啟。由圖1可見：當(dāng)兩側(cè)TV開度至19%時，閥門開度一直保持原位不動。在TV轉(zhuǎn)速控制回路PID的作用下，兩側(cè)TV指令要求開度逐漸增大，直至全開指令100%，即TV指令大于19%，TV不受指令控制。此時TV→GV指示消失，TV→GV失敗。在此過程中，GV關(guān)至12%開度，并一直保持；IV為維持轉(zhuǎn)速，由15%逐漸關(guān)小至12%。表1為切閥前后的參數(shù)對比。

圖1 第一次切閥動態(tài)過程曲線

經(jīng)過與DEH廠家的初步分析，懷疑是主汽閥卡澀。為排除這一原因，機(jī)組在掛閘狀態(tài)下，強(qiáng)制GV關(guān)閉，單獨(dú)對兩側(cè)TV進(jìn)行拉閥試驗(yàn)，結(jié)果兩側(cè)TV都能正常開啟和關(guān)閉，并不存在卡澀。隨后汽輪機(jī)再次沖轉(zhuǎn)，進(jìn)行第二次切閥(見圖2)，當(dāng)GV關(guān)小至12%時，TV緩慢開啟至19%再也無法開啟，重現(xiàn)了第一次切閥現(xiàn)象。

圖2 第二次切閥過程過程曲線

3 原因分析及處理

針對兩次切閥失敗，仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)存在兩個同樣的現(xiàn)象：(1)兩次GV都關(guān)至12%后保持不動；(2)兩次TV均在19%左右開度保持而不再開啟，而且?guī)缀鮾蓚?cè)TV同時發(fā)生該現(xiàn)象，閥門并不存在卡澀。

3.1 GV動作指令

經(jīng)檢查DEH邏輯，為了防止切閥過程中轉(zhuǎn)速波動，TV→GV指令發(fā)出后，GV開始以1%/s的速率緩緩關(guān)小，其指令是根據(jù)當(dāng)前綜合閥位指令折算出GV閥位指令，折換函數(shù)見表2，當(dāng)GV關(guān)小至折算值后，表明GV已有節(jié)流能力，TV逐漸開啟至全開后，GV接受轉(zhuǎn)速PID回路的控制指令，GV開始控制轉(zhuǎn)速，閥切換完成。值得注意的是：兩次切閥前，綜合閥位指令折算出來的GV閥位指令都是12.6%。因此，兩次切閥GV都關(guān)至12%后保持不動。

表2 GV閥指令折算關(guān)系表 %

3.2 主汽閥結(jié)構(gòu)及動作原理

3.2.1 結(jié)構(gòu)

TV的機(jī)械結(jié)構(gòu)與其他調(diào)節(jié)性閥門有所不同，它帶有預(yù)啟閥，在主閥蝶上加工有通孔。預(yù)啟閥置于閥桿的端部，其閥芯直接連接在主汽閥閥桿上形成一體。主汽閥接受指令后，先開啟預(yù)啟閥，直至其行程全開后，主汽閥主閥體在閥桿的帶動下逐漸打開。為保證其關(guān)閉的嚴(yán)密性，預(yù)啟閥和主閥體壓縮彈簧的彈簧力和進(jìn)汽壓力作用在閥蝶上，通過閥桿把閥蝶緊壓在閥座上。因此，預(yù)啟閥的作用就是當(dāng)主閥體要開啟時，為減小主閥體前后壓差便于主閥體的順利開啟，預(yù)啟閥首先打開使少量蒸汽進(jìn)入主閥體后，同時預(yù)熱主閥體后管道和GV閥殼。另一方面，相對于主閥體，預(yù)啟閥的通徑小得多，在設(shè)計(jì)壓力下，預(yù)啟閥大約可通過25%的額定蒸汽流量。因此，在汽輪機(jī)啟動升速過程中，可以起到調(diào)節(jié)控制轉(zhuǎn)速的作用，便于用小流量蒸汽對汽輪機(jī)進(jìn)行沖轉(zhuǎn)并升速。

3.2.2 動作原理

在汽輪機(jī)掛閘沖轉(zhuǎn)、升速直到閥切換的整個過程中，汽輪機(jī)采用的主汽閥控制(DEH中實(shí)現(xiàn))，這時GV是全開的，汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速由主汽閥控制，而此時控制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)際上是預(yù)啟閥。因?yàn)槠啓C(jī)在沖轉(zhuǎn)、升速直至3 000 r/min(空轉(zhuǎn))時，所需的蒸汽量是很小的，而TV的閥芯截面要比GV大得多，即主汽閥通流能力比較大，此時，如果直接用主汽閥進(jìn)行升速并精確控制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速是很難實(shí)現(xiàn)的。因此，在汽輪機(jī)設(shè)計(jì)中就將汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)、升速直至3 000 r/min這一階段的功能巧妙地與預(yù)啟閥的設(shè)計(jì)融為一體。因?yàn)轭A(yù)啟閥閥芯截面積很小，即通流能力小，由這個小閥進(jìn)行汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制就很容易平穩(wěn)實(shí)現(xiàn)。TV設(shè)計(jì)時將預(yù)啟閥全開時的通流能力正好設(shè)計(jì)為可以將汽輪機(jī)升速至3 000 r/min(與開機(jī)時的進(jìn)汽參數(shù)有關(guān))，因此，在沖轉(zhuǎn)升速過程中，轉(zhuǎn)速全由預(yù)啟閥控制，主汽閥實(shí)際上都是關(guān)閉的。

兩次切閥過程中，TV均開至19%左右后拒動，且兩側(cè)TV同時拒動，但兩側(cè)閥不可能同時發(fā)生卡澀。查閱TV的設(shè)計(jì)資料發(fā)現(xiàn)：預(yù)啟閥的行程大約為17.7 mm，主汽閥的總行程大約為98.3 mm。當(dāng)預(yù)啟閥開至17.7 mm，主汽閥在液壓力的作用下向上開啟。通過計(jì)算，預(yù)啟閥最大行程占TV全行程的18%，與DEH閥位反饋相差約1%，這說明TV指令超過19%后，預(yù)啟閥全開而主閥體無法開啟始終處于全關(guān)狀態(tài)。而1%的誤差可能源于主閥體與預(yù)啟閥之間的行程或閥門的機(jī)械總行程(預(yù)啟閥及主閥體的行程)發(fā)生了變化或DEH在安裝調(diào)試過程中有微小的偏差，以及閥桿在運(yùn)行過程中不可避免的熱膨脹[3]，因此，可以排除主汽閥卡澀原因。當(dāng)時預(yù)啟閥已全開而主閥體在全關(guān)位置，由于閥前后壓差過大導(dǎo)致主閥體無法開啟的可能性較大。

3.2.3 受力分析

當(dāng)預(yù)啟閥處于全開且主閥體處于關(guān)閉位置時，其受力見圖3。

圖3 主汽閥受力分析圖

建立主閥閥桿受力方程，主閥閥桿受力F的公式為：

F=Fy-FT-Fp

(1)

Fp=k(pst-p1)S

式中：FT為主閥彈簧力；Fy為液壓缸提升力；Fp為主汽閥體前后壓差；p1為主汽閥后壓力；pst為主蒸汽壓力；k為主汽壓差分量系數(shù)；S為有效作用面積。

由式(1)可知：只有F大于零，即Fy>FT+k(pst-p1)S，主閥體才能開啟。

一般情況在沖轉(zhuǎn)過程中，p1較小，而FT與TV開度成正比例關(guān)系，閥位開度越大，F(xiàn)T越大。由于液壓系統(tǒng)油壓一定，即Fy一定的情況下，要想使TV越容易開啟，F(xiàn)T必須越小。這也是機(jī)組沖轉(zhuǎn)時要求滿足一定主蒸汽壓力的原因之一[4]。

3.3 處理措施

綜上所述，兩次切閥過程，TV開啟到預(yù)啟閥全開(19%)時，由于液壓缸的提升力小于TV前后壓差的力及彈簧力之和，TV無法繼續(xù)開啟，只能保持原有開度。只有當(dāng)GV開度盡可能減小，使TV前后蒸汽壓差減小到一定程度后，最終使Fy滿足要求時，TV才會開啟。GV的關(guān)小指令是由綜合閥位折算的，綜合閥位越小，GV對應(yīng)的指令越小，而綜合閥位是由主汽壓力和再熱壓力共同決定。因此，只有保證一定的主汽壓力和再熱壓力，才能減小GV開度，降低TV前后壓差，確保TV開啟。隨后，將主汽壓力提高至8.2 MPa，再熱壓力提高至1.0 MPa，再次進(jìn)行第三次切閥。此時，GV關(guān)至8.36%，雖然pst提高了，但由于GV開度的減小，p1提高得更多，主汽閥前后壓差(pst-p1)比提壓前減小得更多，根據(jù)式(1)，只要很小的液壓提升力就可以打開主汽閥。切閥過程動態(tài)曲線見圖4。

圖4 第三次切閥動態(tài)曲線

4 結(jié)語

(1) 結(jié)合機(jī)組兩次在轉(zhuǎn)速為2 900 r/min時，進(jìn)行TV→GV切換過程得到的數(shù)據(jù)，分析出由于主汽壓力和再熱壓力過低，折算出GV閥位指令過大，導(dǎo)致主汽閥前后壓差過大，液壓缸提升力無法克服彈簧力和TV前后壓差之和，主汽閥無法完全開啟。

(2) 機(jī)組在啟動升速時，運(yùn)行操作人員應(yīng)嚴(yán)格按照廠家說明書及啟動運(yùn)行規(guī)程合理選擇啟動參數(shù)，嚴(yán)密監(jiān)視主汽閥開度，防止由于主汽壓力低導(dǎo)致預(yù)啟閥全開后主閥體無法開啟。

(3) 在切閥的過程中，應(yīng)保持參數(shù)穩(wěn)定，避免主汽壓力或再熱壓力大幅變化導(dǎo)致閥位抖動或轉(zhuǎn)速波動。

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