张 宝，樊印龙，顾正皓

（国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014）

合理确定汽轮机调节阀开关时间的标准

张 宝，樊印龙，顾正皓

（国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014）

确立汽轮机调节阀开关时间的合格标准十分必要。介绍了影响汽轮机调节阀正常开关时间的因素，讨论了调节阀正常关闭时间与汽轮机转速飞升的定量关系，给出了合理确定汽轮机调节阀开关时间标准的方法，结合当前实际情况，确定了汽轮机调节阀开关时间的合格标准。

汽轮机；调节阀；伺服阀；开关时间；标准

0 引言

汽轮机调节阀是控制汽轮机转速与机械功率的关健设备，其动作特性直接影响到机组的控制性能与安全性能。就其动作方式而言，可分为快速关闭动作与正常开关动作，前者是出于保护的目的，而后者是用于调节。国家标准GB/T 5578《固定式发电用汽轮机规范》明确指出，设计的调节器和蒸汽阀门的操动机构，应在额定参数或规定的非正常工况下，即使甩去能达到的最大负荷，也不应引起汽轮机瞬时超速。为了达到这一目标，不同型式的汽轮机根据自身情况分别采用了LDA（甩负荷预测）、PLU（功率-负荷不平衡）或KU（负荷瞬时中断）等防超速控制功能，实现在甩负荷的瞬间，所有调节阀快关，从而抑制汽轮机转速的飞升。

需要指出的是，上述各功能是通过汽轮机调节阀快关实现的，它们是否能达到抑制转速飞升的目的，还取决于各调节阀快关过程的时间，为此，行业标准DL/T 824-2002《汽轮机电液调节系统性能验收导则》根据机组容量的大小对汽轮机高、中压调节阀的快关时间要求给出了相关建议，高、中压调节阀油动机动作过程时间t为动作延迟时间t1和关闭时间t2之和，快速关闭动作过程时间建议值为：100 MW及以下机组，小于0.6 s；100～200 MW机组，小于0.5 s；200 MW以上机组，小于0.3 s。不同型式汽轮机的调节阀通过快关电磁阀或OPC（超速控制）电磁阀动作，使油动机快速泄油，实现快速关闭[1]。

汽轮机调节阀快关时间满足上述要求、机组外部电网故障或甩负荷时，LDA功能、KU功能或PLU功能正常启动的情况下，汽轮机的转速飞升一般均能控制在3 300 r/min以下。但从实际情况看，因不同的原因，机组甩负荷时上述功能没有正常启动、调节阀没有快速关闭、汽轮机的转速只能靠转速调节回路进行控制的情况偶有发生[2-3]，此时完全依靠调节阀的正常关闭来首先抑制汽轮机的转速飞升，调节阀的正常关闭时间就显得尤为重要。但遗憾的是，到目前为止，在相关标准中仍未看到对汽轮机调节阀正常开关时间的具体要求。

1 汽轮机调节阀正常开关时间的影响因素

一般说来，在无外界人为速率限制的情况下，汽轮机调节阀正常开关时间受以下几方面的影响较为明显：

（1）调节阀油动机的时间常数，表示在进油口开度最大时，油动机活塞在最大进油量走完工作行程所需的时间，综合反映了油动机的滞后时间和关闭时间，一般在0.1～0.3 s左右。

（2）伺服阀的特性参数，其中额定流量、零偏、内漏等特性均会对调节阀的开关时间有显著影响。

（3）DEH（汽轮机电液控制）系统伺服卡的控制参数设定，其中影响较大的为比例常数与积分时间。

（4）控制油的压力与温度，其中压力会影响到伺服阀的流量，进而影响到调节阀的开关速度；压力过低时，调节阀可能无法开启。

上述因素中，伺服阀的特性参数与DEH系统伺服卡控制参数的设定对汽轮机调节阀开关时间的影响最大。表1是几个典型汽轮机调节阀开关时间的实际测量结果。

表1 汽轮机调节阀开关时间 s

表1可见，不同汽轮机调节阀正常的开关时间差异很大，即使同一台汽轮机，高调阀与中调阀之间也会存在着较大的差别。机组正常运行时，这种开关时间的差异会造成汽轮机功率响应快慢的差别，但异常工况时，调节阀关闭时间过长，就极可能导致汽轮机超速。

2 调节阀关闭时间与转速飞升之间的关系

同一个汽轮机调节阀的开关时间基本一致，从抑制汽轮机转子飞升的角度，调节阀关闭时间更值得研究。正如前所述，在防超速控制功能失效的情况下，调节阀的正常关闭时间决定了汽轮机转速飞升的最终值。上汽-西门子超超临界汽轮机厂家提供的说明书中明确要求调节阀的正常开关时间应在1.5～1.8 s之间，但其他类型的汽轮机对此并没有具体要求。

行业标准DL/T 711-1999《汽轮机调节控制系统试验导则》推荐，汽轮机在甩负荷时动态最大转速飞升一般可用式（1）计算：

式中：n0为甩负荷前初始转速；Ta为转子飞升时间常数；φ为甩负荷瞬间的负荷率；Tv为蒸汽容积时间常数；αH为高压缸功率份额；α1为中低压缸功率份额；tH1为高压调节阀关闭滞后时间；tH2为高压调节阀纯关闭时间；tI1为中压调节阀关闭滞后时间；tI2为中压调节阀纯关闭时间。

结合行业标准 DL/T 711-1999所推荐的数据：1 000 MW机组Ta≈8 s，600 MW机组Ta≈9s，300 MW机组Ta≈10 s；Tv=0.25 s，αH=0.3，α1= 0.7，tH1=tI1=0.1 s，tH2与tI2取表1的平均值，负荷率按1计，表1中各机组的Δnmax则根据式（1）可计算得：

300 MW机组：Δnmax=927 r/min；

600 MW机组1：Δnmax=869 r/min；

600 MW机组2：Δnmax=1 771 r/min；

1 000 MW机组：Δnmax=449 r/min。

很显然，在KU，LDA或PLU等防超速功能失效的情况下，单纯依靠汽轮机调节阀调节，在甩负荷后汽轮机转速将大幅度飞升，如果110%超速保护拒动，则后果会不堪设想。当然，上述计算是按调节阀全开进行的，实际运行时高压调节阀一般是部分开启，而中压调节阀是完全开启，实际结果会比上述计算值略小。

汽轮机调节阀一般使用伺服阀进行控制，如果使用大流量伺服阀，则会显著提高调节阀的开关时间。在防超速功能失效的情况下，如单纯使用伺服阀实现调节阀关闭来抑制转速飞升小于300 r/min，则表1中各机组的调节阀关闭时间应满足以下条件（简化起见，高、中压调节阀关闭时间取相同）：

300 MW机组：调节阀关闭时间小于1.5 s。

600 MW机组1：调节阀关闭时间小于1.3 s。

600 MW机组2：调节阀关闭时间小于1.3 s。

1 000 MW机组：调节阀关闭时间小于1.1 s。

当然，上述结果是在额定负荷、调节阀全开的情况下计算得到的，可以看作是汽轮机在最危险的情况下如单纯依靠调节阀正常关闭来抑制转速飞升时，对调节阀关闭时间的要求。很显然，表1中的数据，除1 000 MW机组的调节阀关闭时间与这一要求接近外，其他几台机组相差甚远。从另一方面，上述计算结果也说明，上汽-西门子超超临界汽轮机之所以对调节阀开关时间有在1.5～1.8 s之间的要求，可能也充分地考虑到了这一点。其他几种机型，如果发生了甩100%额定负荷时防超速功能失效的情况，则必超速无疑。

3 对调节阀正常开关时间要求的讨论

目前大多数型式的汽轮机的调节阀正常开关时间，要达到1.5 s是很困难的。值得注意的是，以LDA功能为例，多数机组规定：在功率大于30%额定值、并网信号消失时，汽轮机所有调节阀要同时快关，以防止汽轮机超速[4]。那么，如果此时机组负荷稍小于30%额定负荷，比如正好为29%额定负荷，如何操作？此时调节阀快关条件不满足，只能依靠调节阀正常关闭来抑制汽轮机的转速飞升。此时如果依然使用前述参数来计算对表1中各汽轮机调节阀关闭时间的要求，在防超速功能失效的情况下，如单纯使用伺服阀实现调节阀关闭来抑制转速飞升小于300 r/min，简化起见，高、中压调节阀关闭时间取相同，结果如下：

300 MW机组：调节阀关闭时间小于5.0 s。

600 MW机组1：调节阀关闭时间小于4.3 s。

600 MW机组2：调节阀关闭时间小于4.3 s。

1 000 MW机组：调节阀关闭时间小于3.7 s。

此时，表1中只有600 MW机组2还无法满足要求，其他3台汽轮机基本可以做到略低于30%额定负荷、机组脱网后，单纯依靠调节阀正常关闭就可以将汽轮机转速飞升值抑制在300 r/min以下，不至于造成超速保护动作。

鉴于目前国内相关汽轮机标准中还没有对调节阀的正常开关时间作出明确要求，结合上述讨论结论，并考虑一定的安全裕量，建议如下：

（1）在汽轮机设备技术规范中增加对汽轮机调节阀开关时间的要求。

（2）在设备调试期间与检修后，增加汽轮机调节阀的开关时间测试试验，测试应在无速率限制的情况下进行；测试过程曲线应平滑、无卡涩现象。

（3）设备厂家无明确要求时，300 MW及以下容量机组，调节阀正常开关时间不宜大于5 s；300 MW到600 MW（包括600 MW）容量机组，调节阀正常开关时间不宜大于4 s；600 MW以上容量机组，调节汽门正常开关时间不宜大于3 s。

4 结语

建立汽轮机调节阀开关时间的标准，可以使汽轮机调节阀的设计、制造与运行有据可依，减少油动机在设计与制造过程中的随意性，最大程度的避免汽轮机超速等恶性事故的发生。考虑到目前多数机组的实际情况，汽轮机调节阀开关时间的标准值不应过小；对于新建机组，可适当提高标准要求，以督促设备厂家选用动态性能好、流量大的伺服阀，在提高机组运行安全性的同时也使其控制性能得到提升。

[1]张宝.大型汽轮机汽门快速关闭过程测试[J].汽轮机技术，2010，52（4）∶309-311.

[2]张宝，徐熙瑾，沈全义.甩负荷预测功能失效时的甩负荷试验[J].汽轮机技术，2006，48（2）∶124-126.

[3]王学根.某超超临界660 MW燃煤机组FCB试验不成功原因分析及改进[J].华东电力，2014，42（7）∶1503-1505.

[4]田丰.我国600 MW等级汽轮机甩负荷试验现状分析[J].汽轮机技术，2010，52（3）∶221-225.

（本文编辑：陆 莹）

Reasonable Determination of Standards for Switching Time of Steam Turbine Governing Valve

ZHANG Bao，FAN Yinlong，GU Zhenghao
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

It is quite necessary to determine approval standards for switching time of steam turbine steam turbine governing valve.The paper introduces factors that influence normal switching time of steam turbine governing valve and discusses quantitative relationship between normal closing time of governing valve and rocketing rotation speed of steam turbine.Furthermore,the paper gives way to determine standards for switching time of steam turbine governing valve and decides approval standards for switching time of steam turbine governing valve.

steam turbine；governing valve；servo valve；switching time；standard

TK264.2

B

1007-1881（2015）09-0013-04

2015-07-15

张 宝（1978），男，硕士，高级工程师，主要从事大型汽轮机控制与节能技术研究工作。