劉 朋，梁 緒

（華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州）

前言

某火電廠300 MW 汽輪機為東方汽輪機廠生產(chǎn)的一次中間再熱兩缸兩排汽凝汽式汽輪機，型號為N300-16.7/537/537-8，共設(shè)有八段抽汽分別供給三臺高壓加熱器、一臺除氧器和四臺低壓加熱器。為防止汽輪機超速和進水，除七、八段抽汽管道外，其余管道上均設(shè)有氣動逆止門和電動隔離門。一段、二段、三段、五段及七段抽汽管道均設(shè)置一個氣動逆止門，布置在電動隔離門后，四段抽汽管道由于所接設(shè)備較多，在總管上設(shè)置兩個同口徑氣動逆止門，布置在電動隔離門前。

該機組采用上海新華分散控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由諸多DPU 控制器單元組成，各DPU 控制器通過網(wǎng)絡(luò)、硬接線等方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)DCS 控制策略，完成數(shù)據(jù)采集、模擬調(diào)節(jié)、順序控制等功能。DPU 控制器內(nèi)部包含許多邏輯頁，每個邏輯頁有相應(yīng)的功能塊用于控制不同的設(shè)備，各抽汽逆止門開關(guān)邏輯依靠邏輯頁中功能塊完成，而同一個DPU 中的邏輯頁具有相同執(zhí)行周期，本機組所有DPU 邏輯頁的執(zhí)行周期均設(shè)計為0.20 s。

1 抽汽逆止門功能與結(jié)構(gòu)

抽汽供熱機組的抽汽逆止門關(guān)閉應(yīng)迅速、嚴(yán)密，連鎖動作應(yīng)可靠[1]，當(dāng)汽輪機突發(fā)故障跳閘、汽輪機超速、發(fā)電機跳閘時可防止抽汽管道蒸汽回流造成汽輪機超速，同時抽汽逆止門作為二級保護可防止加熱器（或除氧器）水位過高進入汽輪機，造成汽輪機水沖擊、大軸彎曲等惡性事故。相關(guān)電力規(guī)程[2]明確規(guī)定與汽輪機缸體直接相連的抽汽逆止門總關(guān)閉時間應(yīng)小1 s，通過調(diào)研同類型機組閥門關(guān)閉時間試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)該類型300 MW 汽輪機抽汽逆止門關(guān)閉時間超標(biāo)問題普遍存在，對汽輪機安全穩(wěn)定運行造成較大安全隱患。抽汽逆止門作為汽輪機安全運行的重要保障設(shè)備之一，火電企業(yè)應(yīng)重視其關(guān)閉時間超標(biāo)的問題，采取合理有效的措施保證其關(guān)閉時間滿足規(guī)程[2]要求。

該類型汽輪機各段抽汽逆止門內(nèi)部結(jié)構(gòu)相似，主要由閥體、閥板、轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)臂、重錘等部件組成，一段至三段抽汽逆止門未配置重錘，四至六抽汽逆止門配有重錘以減小閥板開關(guān)所需力矩。逆止門開關(guān)控制部分主要有氣缸、三通電磁閥、濾網(wǎng)、試驗三通閥、限位開關(guān)等組成，主要利用三通電磁閥控制壓縮空氣進出氣缸帶動活塞桿上下運動實現(xiàn)逆止門開關(guān)，當(dāng)抽汽逆止門滿足開條件，運行人員通過控制系統(tǒng)發(fā)出開指令，三通電磁閥動作，壓縮空氣進入氣缸下部克服氣缸上部彈簧彈力，推動氣缸活塞桿上移，帶動逆止門操作桿上移至自由位，機組啟動后依靠各段抽汽管道蒸汽作用力頂開逆止門；當(dāng)汽輪機跳閘或加熱器水位高Ⅲ值發(fā)出或發(fā)電機跳閘，控制系統(tǒng)發(fā)出抽汽逆止門關(guān)閉指令，三通電磁閥動作，氣缸下部與大氣相通泄掉壓縮空氣，氣缸活塞桿帶動逆止門操作桿落下，強制關(guān)閉抽汽逆止門。各段抽汽逆止門的壓縮空氣直接來源于儀用空氣母管，未設(shè)置空氣引導(dǎo)閥，壓縮空氣只能通過各抽汽逆止門的三通電磁閥排大氣。

2 試驗結(jié)果介紹

規(guī)程[2]要求逆止門關(guān)閉時間測試在機組冷態(tài)下進行，有試驗結(jié)果[3]表明，機組冷、熱態(tài)時，汽門關(guān)閉時間存在差異，機組運行狀態(tài)下，各級抽汽管道充滿蒸汽，在蒸汽壓力作用下，熱態(tài)下逆止門關(guān)閉時間大于冷態(tài)測試結(jié)果。本次試驗為機組冷態(tài)下進行，各抽汽逆止門的行程信號為限位開關(guān)信號，測試前確認(rèn)EH 油質(zhì)合格，油溫油壓接近正常運行工況。試驗前將汽輪機手動打閘信號、各段抽汽逆止門開到位信號及關(guān)到位信號接入示波記錄儀，采樣頻率為50 kHZ。汽輪機掛閘，將所有抽汽逆止門開啟，確認(rèn)所有信號正常后，利用硬手操按鈕跳閘汽輪機，使各段抽汽逆止門以最快速度關(guān)閉，用示波記錄儀記錄各段抽汽逆止門關(guān)閉過程曲線。按照規(guī)程[2]要求測取各段抽汽逆止門從打閘指令發(fā)出到閥門開始動作的延遲時間t1、閥門開始動作至完全關(guān)閉的時間t2、閥門總關(guān)閉時間t=t1+t2。

表1 為該火電廠300 MW 汽輪機抽汽逆止門關(guān)閉時間測試結(jié)果，一至六段抽汽逆止門總關(guān)閉時間介于1.4 s 至2.1 s，不符合規(guī)程[2]要求，對機組安全穩(wěn)定運行存在一定威脅。

表1 閥門關(guān)閉時間測試結(jié)果

為直觀的觀察抽汽逆止門關(guān)閉時間過程，圖1、圖2 分別列舉了某火電廠300 MW 汽輪機組二段抽汽逆止門、三段抽汽逆止門關(guān)閉時間測試曲線。綜合試驗數(shù)據(jù)分析可知各段抽汽逆止門關(guān)閉延遲時間t1介于為1.2 s 至1.9 s，即打閘指令發(fā)出到閥門開始動作時間t1超過1 s，而閥門凈關(guān)閉時間t2約為0.11 s 至0.34 s，即排除逆止門自身機械存在問題，各抽汽逆止門總關(guān)閉時間超標(biāo)的主要原因為延遲時間過長。

圖1 二段抽汽逆止門關(guān)閉時間過程曲線

圖2 三段抽汽逆止門關(guān)閉時間過程曲線

3 原因分析

抽汽逆止門總關(guān)閉時間主要受機械和熱工邏輯兩個因素影響，根據(jù)表1 的試驗結(jié)果分析，各抽汽逆止門自身機械關(guān)閉動作迅速，但DCS 系統(tǒng)組態(tài)延遲時間過長。通過對控制系統(tǒng)熱工邏輯進行梳理，一抽、二抽、三抽、四抽逆止門由DPU17 控制器控制，五抽、六抽逆止門由DPU18 控制器控制。基本動作原理如下：手動打閘后，AST 電磁閥泄油，ETS 發(fā)出汽輪機跳閘信號并通過硬接線傳輸至DPU3，再通過網(wǎng)絡(luò)跨DPU傳輸至DPU17 和DPU18，數(shù)據(jù)通過DPU 內(nèi)部頁間引用至相應(yīng)的邏輯頁，最后由邏輯頁內(nèi)功能塊驅(qū)動逆止門關(guān)閉。各段抽汽逆止門動作邏輯如圖3 所示。

圖3 抽汽逆止門動作邏輯

經(jīng)過對熱工系統(tǒng)邏輯和組態(tài)梳理、分析，造成閥門關(guān)閉延遲時間過長的原因有以下五個方面：

（1） 手動打閘后，ETS發(fā)出汽輪機跳閘信號存在延遲時間。該機組觸發(fā)汽輪機跳閘信號的條件是“高壓主汽閥關(guān)閉（二取一）且中壓主汽閥關(guān)閉（二取一）”，即手動打閘后，ETS 未立即發(fā)出汽輪機跳閘信號，須判定高、中壓主汽門關(guān)閉后發(fā)出汽輪機跳閘信號，而表1的試驗數(shù)據(jù)顯示，汽輪機跳閘信號發(fā)出需要約0.23 s。

（2） 汽輪機跳閘信號在DCS 網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中存在跨DPU 網(wǎng)絡(luò)引用，為主要延遲時間。DPU17 和DPU18 為SCS 系統(tǒng)控制器，用于輔助設(shè)備連鎖保護，ETS 發(fā)出汽輪機跳閘信號通過硬接線傳輸至DPU3，再通過網(wǎng)絡(luò)跨DPU 傳輸至DPU17 和DPU18，而跨DPU 網(wǎng)絡(luò)引用的時間無法準(zhǔn)確測量，通過測試結(jié)果和各邏輯頁的執(zhí)行周期可計算出該延遲時間約為0.8 s至1 s。

（3） 信號在DPU 控制器內(nèi)頁間引用存在延遲時間，頁間引用次數(shù)越多，延遲時間越長。由邏輯關(guān)系（圖1）和試驗結(jié)果（表1）可知，頁間引用次數(shù)相同的四抽逆止門和五抽逆止門延遲關(guān)閉時間較為接近，約為1.3 s；一抽、二抽、三抽、六抽逆止門頁間引用次數(shù)相同，測試的延遲關(guān)閉時間接近，約為1.7 s 至1.9 s；三抽逆止門比四抽逆止門多1 次頁間引用，延遲時間增加約0.6 s。

（4） DPU 控制器內(nèi)邏輯頁和功能塊具有執(zhí)行序號，DPU 控制器內(nèi)執(zhí)行序號較小的邏輯頁和功能塊優(yōu)先執(zhí)行[4]，即命名序號小的邏輯頁延遲時間短。如表1試驗數(shù)據(jù)所示，同一控制器DPU17 的一抽、二抽、三抽、四抽逆止門關(guān)閉延遲時間對比，四抽逆止門1（P150）＜四抽逆止門2（P151）＜一抽逆止門（P161）＜二抽逆止門（P163）＜三抽逆止門（P165）。

（5） DPU 控制器邏輯頁執(zhí)行周期設(shè)置不合理，增加了逆止門關(guān)閉延遲時間。該機組逆止門相關(guān)邏輯頁的執(zhí)行周期均為0.2 s，汽輪機跳閘信號經(jīng)歷了2～3次邏輯頁執(zhí)行后發(fā)出逆止門關(guān)閉指令，理論延遲時間最長可增加0.4 s 至0.6 s。邏輯頁執(zhí)行周期通常可取0.05 s、0.1 s、0.2 s、0.5 s、1 s 等，適當(dāng)減小邏輯頁的執(zhí)行周期，可減小閥門關(guān)閉延遲時間。但邏輯頁執(zhí)行周期越短，DPU 承受的負(fù)荷越大，容易造成數(shù)據(jù)堵塞，嚴(yán)重時DPU 過載損壞，因此邏輯頁的執(zhí)行周期設(shè)置應(yīng)充分考慮硬件本身性能，可咨詢廠家后修改。

4 優(yōu)化建議

（1） 優(yōu)化汽輪機跳閘判定條件，將汽輪機跳閘信號定為“汽輪機安全油壓失去”，延遲時間縮短約0.23 s。目前該汽輪機跳閘判定條件為“高壓主汽閥關(guān)閉（二取一）且中壓主汽閥關(guān)閉（二取一）”，若遇到汽閥氧化皮脫落卡澀、汽閥彈簧緊力偏小、EH 油系統(tǒng)堵塞等問題造成汽輪機汽閥無法關(guān)閉或關(guān)閉時間過長，則汽輪機跳閘信號發(fā)出時間存在一定延遲，抽汽逆止門無法及時接收關(guān)閉指令出現(xiàn)無法關(guān)閉或關(guān)閉時間嚴(yán)重超時的情況，嚴(yán)重威脅汽輪機安全，因此將“汽輪機安全油壓失去”作為汽輪機跳閘信號，可快速關(guān)閉抽汽逆止門，保障機組安全。

（2） 利用ETS 備用接點將汽輪機跳閘信號通過硬接線直接傳輸至DCS 系統(tǒng)各段抽汽逆止門邏輯控制器，汽機跳閘信號的傳輸將跳過跨DPU 網(wǎng)絡(luò)引用環(huán)節(jié)，可縮短延遲時間約0.8 s。

（3） 優(yōu)化邏輯組態(tài)，提高控制各抽汽逆止門的邏輯頁和功能塊的執(zhí)行優(yōu)先級，同時減少邏輯頁間數(shù)據(jù)引用次數(shù)，較目前邏輯組態(tài)最大可縮短延遲時間約0.5 s。

（4） 適當(dāng)減小控制器內(nèi)邏輯頁執(zhí)行周期，具體數(shù)值可咨詢廠家后設(shè)置，在控制器性能允許的條件下，可一定程度上縮短延遲時間。

（5） 將手動打閘信號通過硬接線直接傳輸至抽汽逆止門邏輯控制器，通過控制器內(nèi)邏輯關(guān)閉抽汽逆止門。手動打閘信號跳過汽機跳閘信號和跨DPU 網(wǎng)絡(luò)引用環(huán)節(jié)直接關(guān)閉抽汽逆止門，可縮短延遲時間約1.1 s，效果明顯。但在鍋爐或發(fā)電機發(fā)出跳閘信號后，抽汽逆止門的動作邏輯過程仍然按照圖1 執(zhí)行，各抽汽逆止門關(guān)閉時間仍然存在超時的問題。

5 結(jié)論

通過對某300 MW 汽輪機抽汽逆止門關(guān)閉延遲時間過長原因進行分析，針對控制系統(tǒng)的邏輯提出優(yōu)化建議，能夠有效縮短各段抽汽逆止門關(guān)閉延遲時間，保障機組安全運行，對同類型汽輪機抽汽逆止門關(guān)閉時間超標(biāo)的原因分析和處理具有借鑒意義。