高中压缸联合启动机组切阀过程主汽阀拒动原因分析与处理

2018-06-04何冬辉叶振起赵奕州

发电设备 2018年3期

何冬辉，叶振起，赵奕州

(辽宁东科电力有限公司，沈阳 110006)

主汽阀卡涩在机组启动过程或正常运行过程时有发生，可能引起机组超速飞车等重大事故。高压主汽阀(TV)是保护汽轮发电机组安全运行的重要设备，它的作用是当机组紧急停运或事故情况下，在高压自动关闭器的操纵下，在0.3 s内迅速关闭，切断进入汽轮机的新蒸汽，防止机组超速[1]。笔者介绍了机组的启动流程，结合两次切阀动态过程，从切阀控制逻辑角度出发，剖析了高压调节汽阀(GV)的控制指令形成和主汽阀的结构及原理，并提出了降低阀门前后压差的有效方法，确保切阀成功。

1 机组及设备介绍

1.1 设备概况

某厂新投产的汽轮机为超临界、单轴、一次中间再热、双缸双排汽、凝汽式汽轮机，型号为N670-24.2/566/566。机组在启动过程中采用高中压缸联合启动方式。分布式控制系统(DCS)采用I/A分散控制系统控制，旁路采用高、低压二级串联液压旁路系统。本机采用数字式电液调节系统(DEH)，系统的控制油为14 MPa的高压抗燃液，机械保安油为0.7 MPa的低压透平油，执行机构部分包含TV油动机、中压再热主汽阀(RSV)油动机各2台，GV油动机4台，中压调节阀(IV)油动机4台。其中，TV内置预启阀，IV为两位式开关型阀门，其他为伺服型调节阀门。所有阀门执行机构均靠液压力开启阀门，弹簧力关闭阀门，通过油动机上油缸端部的可调针阀可调整阀门关闭速度，即具有“可调缓冲”功能。

1.2 机组启动流程

机组启动方式采用高中压缸联合启动，在汽轮机启动升速过程中，GV和RSV全开，转速控制TV-IV联合控制，目的是保持全周进汽，使汽轮机温度分布比较均匀，有利于减小热应力，当转速升至2 900 r/min时，转速控制由TV切换至GV，随后由GV控制转速直至定速，并网带负荷，可实现并网后机组负荷精确调节(喷嘴调节)，减少节流损失和负荷摆动[2]。

(1) DEH自动选择带旁路的高中压缸联合启动方式。挂闸后，GV和RSV全开，TV和IV处于关闭状态。

(2) 冷态启动，目标转速设定为2 900 r/min，转速由IV-TV联合控制，当转速达到2 900 r/min时，手动进行TV→GV切换。GV由全开状态逐渐关小，当GV关至DEH计算的阀位时，GV具备节流能力，表明转速受其影响，GV接受转速PID控制回路的指令，与此同时TV逐渐快速开启直至全开，GV开始控制转速，阀切换完成。

(3) 阀切换后，设定目标转速为3 000 r/min， GV-IV联合控制转速至3 000 r/min，并网带负荷。

2 切阀失败过程及现象

机组首次启动过程中，当转速至2 900 r/min时，左右两侧TV开度为9%左右，4个GV处于全开状态。TV→GV指令发出后，切阀过程见图1，4个GV同时以设定速率逐渐关小。当GV关小至12%时，TV在伺服阀指令的作用下逐渐开启。由图1可见：当两侧TV开度至19%时，阀门开度一直保持原位不动。在TV转速控制回路PID的作用下，两侧TV指令要求开度逐渐增大，直至全开指令100%，即TV指令大于19%，TV不受指令控制。此时TV→GV指示消失，TV→GV失败。在此过程中，GV关至12%开度，并一直保持；IV为维持转速，由15%逐渐关小至12%。表1为切阀前后的参数对比。

图1 第一次切阀动态过程曲线

经过与DEH厂家的初步分析，怀疑是主汽阀卡涩。为排除这一原因，机组在挂闸状态下，强制GV关闭，单独对两侧TV进行拉阀试验，结果两侧TV都能正常开启和关闭，并不存在卡涩。随后汽轮机再次冲转，进行第二次切阀(见图2)，当GV关小至12%时，TV缓慢开启至19%再也无法开启，重现了第一次切阀现象。

图2 第二次切阀过程过程曲线

3 原因分析及处理

针对两次切阀失败，仔细分析发现存在两个同样的现象：(1)两次GV都关至12%后保持不动；(2)两次TV均在19%左右开度保持而不再开启，而且几乎两侧TV同时发生该现象，阀门并不存在卡涩。

3.1 GV动作指令

经检查DEH逻辑，为了防止切阀过程中转速波动，TV→GV指令发出后，GV开始以1%/s的速率缓缓关小，其指令是根据当前综合阀位指令折算出GV阀位指令，折换函数见表2，当GV关小至折算值后，表明GV已有节流能力，TV逐渐开启至全开后，GV接受转速PID回路的控制指令，GV开始控制转速，阀切换完成。值得注意的是：两次切阀前，综合阀位指令折算出来的GV阀位指令都是12.6%。因此，两次切阀GV都关至12%后保持不动。

表2 GV阀指令折算关系表 %

3.2 主汽阀结构及动作原理

3.2.1 结构

TV的机械结构与其他调节性阀门有所不同，它带有预启阀，在主阀蝶上加工有通孔。预启阀置于阀杆的端部，其阀芯直接连接在主汽阀阀杆上形成一体。主汽阀接受指令后，先开启预启阀，直至其行程全开后，主汽阀主阀体在阀杆的带动下逐渐打开。为保证其关闭的严密性，预启阀和主阀体压缩弹簧的弹簧力和进汽压力作用在阀蝶上，通过阀杆把阀蝶紧压在阀座上。因此，预启阀的作用就是当主阀体要开启时，为减小主阀体前后压差便于主阀体的顺利开启，预启阀首先打开使少量蒸汽进入主阀体后，同时预热主阀体后管道和GV阀壳。另一方面，相对于主阀体，预启阀的通径小得多，在设计压力下，预启阀大约可通过25%的额定蒸汽流量。因此，在汽轮机启动升速过程中，可以起到调节控制转速的作用，便于用小流量蒸汽对汽轮机进行冲转并升速。

3.2.2 动作原理

在汽轮机挂闸冲转、升速直到阀切换的整个过程中，汽轮机采用的主汽阀控制(DEH中实现)，这时GV是全开的，汽轮机的转速由主汽阀控制，而此时控制汽轮机转速的实际上是预启阀。因为汽轮机在冲转、升速直至3 000 r/min(空转)时，所需的蒸汽量是很小的，而TV的阀芯截面要比GV大得多，即主汽阀通流能力比较大，此时，如果直接用主汽阀进行升速并精确控制汽轮机转速是很难实现的。因此，在汽轮机设计中就将汽轮机冲转、升速直至3 000 r/min这一阶段的功能巧妙地与预启阀的设计融为一体。因为预启阀阀芯截面积很小，即通流能力小，由这个小阀进行汽轮机转速控制就很容易平稳实现。TV设计时将预启阀全开时的通流能力正好设计为可以将汽轮机升速至3 000 r/min(与开机时的进汽参数有关)，因此，在冲转升速过程中，转速全由预启阀控制，主汽阀实际上都是关闭的。

两次切阀过程中，TV均开至19%左右后拒动，且两侧TV同时拒动，但两侧阀不可能同时发生卡涩。查阅TV的设计资料发现：预启阀的行程大约为17.7 mm，主汽阀的总行程大约为98.3 mm。当预启阀开至17.7 mm，主汽阀在液压力的作用下向上开启。通过计算，预启阀最大行程占TV全行程的18%，与DEH阀位反馈相差约1%，这说明TV指令超过19%后，预启阀全开而主阀体无法开启始终处于全关状态。而1%的误差可能源于主阀体与预启阀之间的行程或阀门的机械总行程(预启阀及主阀体的行程)发生了变化或DEH在安装调试过程中有微小的偏差，以及阀杆在运行过程中不可避免的热膨胀[3]，因此，可以排除主汽阀卡涩原因。当时预启阀已全开而主阀体在全关位置，由于阀前后压差过大导致主阀体无法开启的可能性较大。

3.2.3 受力分析

当预启阀处于全开且主阀体处于关闭位置时，其受力见图3。

图3 主汽阀受力分析图

建立主阀阀杆受力方程，主阀阀杆受力F的公式为：

F=Fy-FT-Fp

(1)

Fp=k(pst-p1)S

式中：FT为主阀弹簧力；Fy为液压缸提升力；Fp为主汽阀体前后压差；p1为主汽阀后压力；pst为主蒸汽压力；k为主汽压差分量系数；S为有效作用面积。

由式(1)可知：只有F大于零，即Fy>FT+k(pst-p1)S，主阀体才能开启。

一般情况在冲转过程中，p1较小，而FT与TV开度成正比例关系，阀位开度越大，FT越大。由于液压系统油压一定，即Fy一定的情况下，要想使TV越容易开启，FT必须越小。这也是机组冲转时要求满足一定主蒸汽压力的原因之一[4]。

3.3 处理措施

综上所述，两次切阀过程，TV开启到预启阀全开(19%)时，由于液压缸的提升力小于TV前后压差的力及弹簧力之和，TV无法继续开启，只能保持原有开度。只有当GV开度尽可能减小，使TV前后蒸汽压差减小到一定程度后，最终使Fy满足要求时，TV才会开启。GV的关小指令是由综合阀位折算的，综合阀位越小，GV对应的指令越小，而综合阀位是由主汽压力和再热压力共同决定。因此，只有保证一定的主汽压力和再热压力，才能减小GV开度，降低TV前后压差，确保TV开启。随后，将主汽压力提高至8.2 MPa，再热压力提高至1.0 MPa，再次进行第三次切阀。此时，GV关至8.36%，虽然pst提高了，但由于GV开度的减小，p1提高得更多，主汽阀前后压差(pst-p1)比提压前减小得更多，根据式(1)，只要很小的液压提升力就可以打开主汽阀。切阀过程动态曲线见图4。