張浩龍，張倍堯，楊明望，崔 燦，劉 威

(華能澠池?zé)犭娪邢挢?zé)任公司，河南 三門(mén)峽 472400)

近年來(lái)，隨著風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電等新能源裝機(jī)容量迅猛增長(zhǎng)，非化石能源的裝機(jī)容量比重占42.4%，風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)比重占22.8%[1]。預(yù)計(jì)到2050年，新能源發(fā)電裝機(jī)容量將超過(guò)50%[2]，火電機(jī)組全年利用小時(shí)數(shù)將至4293 h，突破新低。風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電的隨機(jī)性和間歇性較強(qiáng)，給電網(wǎng)安全帶來(lái)了極大的負(fù)面影響，為提供新能源消納能力，火電機(jī)組須承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)峰任務(wù)[3-4]。

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)，行業(yè)用熱量、居民供熱需求大幅增加，國(guó)家節(jié)能減排政策使小型熱鍋爐和小容量供熱機(jī)組逐步關(guān)停[5]，大容量火電機(jī)組成為主要熱力來(lái)源，但是隨著火電機(jī)組深度調(diào)峰運(yùn)行成為常態(tài)，如何解決供熱期參與調(diào)峰工作與滿(mǎn)足供熱需求之間的矛盾問(wèn)題成為供熱機(jī)組亟需解決的課題[6-7]。目前許多供熱機(jī)組通過(guò)抽汽改造和低壓缸切缸改造來(lái)提高機(jī)組深度調(diào)峰情況下的供熱能力。低壓缸切除技術(shù)調(diào)整負(fù)荷和供熱能力主要通過(guò)供熱蝶閥實(shí)現(xiàn)，供熱蝶閥作為供熱機(jī)組在深度調(diào)峰情況下調(diào)節(jié)機(jī)組功能的重要部件，起到調(diào)節(jié)抽汽流量和保證低壓缸安全的作用，其安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行和調(diào)節(jié)非常重要。但實(shí)際運(yùn)行中因?yàn)楣岬y故障影響機(jī)組供熱能力的事件頻頻發(fā)生[8]，如何在線(xiàn)解決供熱蝶閥故障和減少供熱蝶閥故障頻次成為供熱機(jī)組需要解決的重要課題。

本文針對(duì)某熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組汽輪機(jī)供熱蝶閥故障分析原因，根據(jù)在線(xiàn)處置故障的經(jīng)驗(yàn)，提出一種供熱蝶閥故障在線(xiàn)處置的方法和解決供熱蝶閥易故障的方案。

1 典型事故案例

某熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組汽輪機(jī)總體熱力系統(tǒng)如圖1所示，機(jī)組配備工業(yè)蒸汽調(diào)節(jié)閥、采暖調(diào)節(jié)閥和供熱蝶閥，根據(jù)熱負(fù)荷大小，機(jī)組可以靈活選擇純凝、抽凝2種運(yùn)行方式。每臺(tái)機(jī)組配置2臺(tái)并聯(lián)熱網(wǎng)加熱器，根據(jù)熱負(fù)荷大小調(diào)整采暖抽汽量。負(fù)荷降低時(shí)，通過(guò)增大采暖調(diào)節(jié)閥開(kāi)度和減小供熱蝶閥開(kāi)度來(lái)保證熱負(fù)荷。由于該機(jī)組未進(jìn)行低壓缸切除改造，為保證機(jī)組安全運(yùn)行，必須保留一定的低壓缸排汽量，當(dāng)?shù)蛪撼槠麎毫Α?.04 MPa時(shí)，供熱蝶閥保護(hù)全開(kāi)，切除供熱。

圖1 總體熱力系統(tǒng)

該機(jī)組負(fù)荷為175 MW，投入供熱，供熱蝶閥開(kāi)度為29.3%，低壓抽汽壓力為0.049 MPa，采暖調(diào)節(jié)閥開(kāi)度均為34%，采暖抽汽流量為215 t/h，供熱流量為7640 t/h。低壓抽汽壓力逐漸下降，運(yùn)行人員立即關(guān)小采暖調(diào)節(jié)閥，低壓抽汽壓力未上升，依然逐漸下降，最終達(dá)到0.04 MPa，觸發(fā)供熱切除保護(hù)，供熱蝶閥指令給至100%，但供熱蝶閥反饋依然在29.3%保持不動(dòng)，就地檢查供熱蝶閥實(shí)際已全開(kāi)，確認(rèn)反饋裝置故障。經(jīng)過(guò)對(duì)反饋裝置在線(xiàn)更換后恢復(fù)正常供熱。此事故造成供熱負(fù)荷低數(shù)小時(shí)，未造成其他后果。

2 原因分析

事故發(fā)生后，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)供熱蝶閥實(shí)際已全開(kāi)，開(kāi)關(guān)量反饋顯示全開(kāi)，模擬量反饋在30%開(kāi)度左右，與DCS反饋一致，如圖2所示。根據(jù)日常巡檢情況和DCS歷史數(shù)據(jù)分析，供熱蝶閥在30%開(kāi)度以下存在閥門(mén)振動(dòng)的情況，同時(shí)DCS顯示閥門(mén)反饋也存在波動(dòng)。供熱蝶閥設(shè)計(jì)1個(gè)開(kāi)關(guān)量反饋裝置和1個(gè)模擬量反饋裝置，反饋裝置通過(guò)連桿與閥門(mén)連接，其中模擬量反饋裝置通過(guò)卡銷(xiāo)與閥門(mén)連桿連接，而開(kāi)關(guān)量反饋裝置通過(guò)連桿拐臂連接。由于閥門(mén)長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)，造成模擬量反饋裝置連桿斷裂使反饋失準(zhǔn)為本次事故的直接原因。供熱蝶閥小開(kāi)度下前后差壓大，可能出現(xiàn)臨界流動(dòng)，甚至閥后繼續(xù)擴(kuò)容降壓加速流動(dòng)，是引起蝶閥振動(dòng)的原因，也是本次事故的根本原因。

圖2 供熱蝶閥反饋裝置

3 在線(xiàn)處置方法

由于機(jī)組深度調(diào)峰，若不采用供熱蝶閥調(diào)節(jié)采暖抽汽流量則無(wú)法滿(mǎn)足居民供暖需求。更換供熱蝶閥反饋裝置存在閥門(mén)不受控制，異常擺動(dòng)使汽輪機(jī)軸向位移和振動(dòng)大造成機(jī)組非正常停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。但若停機(jī)更換供熱蝶閥反饋裝置，需要費(fèi)用20萬(wàn)元以上，并且造成居民停止供暖24 h以上。

供熱蝶閥控制系統(tǒng)和各控制元件原理見(jiàn)圖3。由圖3可知，在系統(tǒng)電源正常，無(wú)故障信號(hào)的情況下，模擬式位置調(diào)節(jié)器對(duì)設(shè)定值和實(shí)際值進(jìn)行比較，將偏差發(fā)送給閥放大器，通過(guò)積分調(diào)節(jié)器輸出閥信號(hào)至伺服閥驅(qū)動(dòng)閥門(mén)動(dòng)作。當(dāng)信號(hào)電纜斷線(xiàn)或電源異常時(shí)發(fā)出故障信號(hào)，閥門(mén)故障或未啟動(dòng)信號(hào)存在時(shí)禁用調(diào)節(jié)器和閥門(mén)信號(hào)，保持閥門(mén)在原位置。

圖3 供熱蝶閥控制原理

根據(jù)原理分析可能造成的風(fēng)險(xiǎn)和防范措施，最終采取在線(xiàn)更換的方法解決供熱蝶閥反饋裝置故障的問(wèn)題。

打開(kāi)模擬量反饋裝置端蓋發(fā)現(xiàn)，模擬量反饋裝置連桿斷裂，可以隨意轉(zhuǎn)動(dòng)且模擬量反饋隨轉(zhuǎn)動(dòng)變化。為保證在線(xiàn)更換過(guò)程無(wú)意外情況進(jìn)行如下試驗(yàn)。

a.系統(tǒng)電源斷電試驗(yàn)。經(jīng)試驗(yàn)系統(tǒng)電源斷電后閥門(mén)不動(dòng)作，但送電過(guò)程中由于模擬式位置調(diào)節(jié)器初始化過(guò)程中檢測(cè)設(shè)定值與實(shí)際值有偏差，閥門(mén)會(huì)輕微擺動(dòng)，但不會(huì)造成機(jī)組軸向位移及振動(dòng)的變化，影響較小。

b.電纜斷線(xiàn)試驗(yàn)。因做此試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)較大，易造成誤動(dòng)，未進(jìn)行該項(xiàng)試驗(yàn)，擬在更換反饋裝置過(guò)程中進(jìn)行該試驗(yàn)。

c.設(shè)定值和實(shí)際值偏差試驗(yàn)。經(jīng)試驗(yàn)當(dāng)實(shí)際值大于設(shè)定值時(shí)，閥門(mén)關(guān)閉，模擬量反饋裝置顯示CLOSING；當(dāng)實(shí)際值小于設(shè)定值時(shí)，閥門(mén)打開(kāi)，模擬量反饋裝置顯示OPENING;當(dāng)實(shí)際值與設(shè)定值一致時(shí)閥門(mén)保持不動(dòng)，模擬量反饋裝置顯示STOPPED，如圖4所示。可利用此特性，轉(zhuǎn)動(dòng)故障模擬量反饋裝置連桿使閥門(mén)進(jìn)行動(dòng)作。

圖4 供熱蝶閥模擬量反饋裝置

d.模擬量反饋裝置定位試驗(yàn)。為確保模擬量反饋裝置能夠成功在線(xiàn)定位，采用外加24 V供電回路進(jìn)行模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)進(jìn)行全開(kāi)和全關(guān)2個(gè)位置定位即可完成整個(gè)行程的定位，保證模擬量反饋裝置輸出的反饋信號(hào)準(zhǔn)確平穩(wěn)。

經(jīng)過(guò)以上試驗(yàn)驗(yàn)證，采取可靠的防范措施和進(jìn)行正確的更換步驟可以實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)更換供熱蝶閥模擬量反饋裝置的目標(biāo)。決定采取以下方法在線(xiàn)更換供熱蝶閥模擬量反饋裝置。

a.更換前準(zhǔn)備工作:①將機(jī)組負(fù)荷降低至150 MW，并保持工況穩(wěn)定,機(jī)組負(fù)荷越低供熱蝶閥突開(kāi)、突關(guān)對(duì)軸向位移和振動(dòng)影響越小;②利用實(shí)際值小于設(shè)定值時(shí)閥門(mén)打開(kāi)的特性，轉(zhuǎn)動(dòng)故障模擬量反饋裝置連桿小于設(shè)定值，驅(qū)動(dòng)閥門(mén)至全開(kāi)位，斷開(kāi)供熱蝶閥控制回路電源;③強(qiáng)制閥門(mén)設(shè)定值為50%固定值。

b.更換供熱蝶閥模擬量反饋裝置:①拆除故障反饋裝置，檢查反饋裝置連桿損壞情況，并更換新的反饋裝置;②安裝新的反饋裝置時(shí)調(diào)整連桿安裝角度，確認(rèn)內(nèi)環(huán)盤(pán)上的紅點(diǎn)在外環(huán)紅色死區(qū)外，并固定安裝牢固;③通過(guò)外加24 V供電回路確保故障模擬量反饋實(shí)際值與設(shè)定值一致后，將故障模擬量反饋裝置依然連接至控制回路;④供熱蝶閥控制回路電源送電，調(diào)整故障模擬量反饋裝置轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)閥門(mén)緩慢至全關(guān)位。

c.新的模擬量反饋裝置整定：①新的模擬量反饋裝置外加24 V供電回路，進(jìn)行2點(diǎn)順時(shí)針局部校準(zhǔn)，確認(rèn)閥門(mén)在全關(guān)位，存儲(chǔ)零位，零位整定完成；②調(diào)整故障模擬量反饋裝置轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)閥門(mén)緩慢至全開(kāi)位，確認(rèn)閥門(mén)在全開(kāi)位，儲(chǔ)存滿(mǎn)位，顯示閥門(mén)定位成功；③新的模擬量反饋裝置串入萬(wàn)用表，調(diào)整故障模擬量反饋裝置轉(zhuǎn)軸，驅(qū)動(dòng)閥門(mén)緩慢至全關(guān)位，檢查反饋裝置電流應(yīng)從20 mA緩慢降至4 mA，整個(gè)過(guò)程電流連續(xù)穩(wěn)定變化，電流與實(shí)際閥門(mén)位置對(duì)應(yīng)；④調(diào)整故障模擬量反饋裝置轉(zhuǎn)軸，驅(qū)動(dòng)閥門(mén)緩慢至全開(kāi)位，檢查反饋裝置電流應(yīng)從4 mA緩慢升至20 mA，整個(gè)過(guò)程電流連續(xù)穩(wěn)定變化，電流與實(shí)際閥門(mén)位置對(duì)應(yīng)。閥門(mén)在緩慢關(guān)閉和開(kāi)啟過(guò)程中新的模擬量反饋裝置輸出電流變化平穩(wěn)且與閥門(mén)實(shí)際位置對(duì)應(yīng)，表明閥門(mén)定位成功。

d.閥門(mén)傳動(dòng)試驗(yàn):①整定完成后驅(qū)動(dòng)閥門(mén)至全開(kāi)位，斷開(kāi)供熱蝶閥控制回路電源，拆除外加信號(hào)回路，同時(shí)將新的模擬量反饋裝置接入供熱蝶閥控制回路;②強(qiáng)制供熱蝶閥設(shè)定值為100%，供熱蝶閥控制回路送電；③通過(guò)強(qiáng)制供熱蝶閥設(shè)定值進(jìn)行全行程傳動(dòng)試驗(yàn)，檢查設(shè)定值、實(shí)際值、閥門(mén)實(shí)際開(kāi)度是否一致，若不一致再次進(jìn)行調(diào)整。傳動(dòng)試驗(yàn)正常后表明模擬量反饋裝置在線(xiàn)更換整定成功。

通過(guò)以上方法，成功在線(xiàn)更換供熱蝶閥模擬量反饋裝置，后期整個(gè)供熱季供熱蝶閥使用過(guò)程中無(wú)任何異常，調(diào)節(jié)良好。

4 解決方案

a.采用雙作用大扭矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)解決供熱蝶閥振動(dòng)大的問(wèn)題。當(dāng)閥門(mén)處于小開(kāi)度時(shí)，閥門(mén)前后差壓較大，流體產(chǎn)生渦旋，渦旋使閥門(mén)扭矩發(fā)生變化。解決此問(wèn)題的方法是保證執(zhí)行器輸出足夠大扭矩，同時(shí)為避免閥門(mén)嚴(yán)重卡澀時(shí)閥門(mén)閥桿和法蘭無(wú)法承受較大扭矩，更換單作用執(zhí)行器為雙作用大扭矩執(zhí)行器。

b.采用新型角位移反饋裝置和改造安裝方式解決反饋裝置因振動(dòng)大易故障的問(wèn)題。新型角位移反饋裝置具有很強(qiáng)的抗振性能，且為雙位移反饋裝置，1個(gè)反饋裝置故障時(shí)自動(dòng)切換到另外1個(gè)反饋裝置工作，確保供熱蝶閥長(zhǎng)周期安全運(yùn)行；改造反饋裝置安裝方式，使閥門(mén)連桿直接通過(guò)鉚接方式與反饋裝置連接，保證轉(zhuǎn)軸的同心度和強(qiáng)度，減少因振動(dòng)大等因素造成連桿磨損斷裂的問(wèn)題發(fā)生。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)某熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組汽輪機(jī)供熱蝶閥的故障原因進(jìn)行分析，提出一種在線(xiàn)處置供熱蝶閥故障的方法，同時(shí)提出解決供熱蝶閥振動(dòng)大、不穩(wěn)定的方案，可為同類(lèi)型機(jī)組提供參考。