合理確定汽輪機調節閥開關時間的標準

張 寶，樊印龍，顧正皓

（國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

合理確定汽輪機調節閥開關時間的標準

張 寶，樊印龍，顧正皓

（國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

確立汽輪機調節閥開關時間的合格標準十分必要。介紹了影響汽輪機調節閥正常開關時間的因素，討論了調節閥正常關閉時間與汽輪機轉速飛升的定量關系，給出了合理確定汽輪機調節閥開關時間標準的方法，結合當前實際情況，確定了汽輪機調節閥開關時間的合格標準。

汽輪機；調節閥；伺服閥；開關時間；標準

0 引言

汽輪機調節閥是控制汽輪機轉速與機械功率的關健設備，其動作特性直接影響到機組的控制性能與安全性能。就其動作方式而言，可分為快速關閉動作與正常開關動作，前者是出于保護的目的，而后者是用于調節。國家標準GB/T 5578《固定式發電用汽輪機規范》明確指出，設計的調節器和蒸汽閥門的操動機構，應在額定參數或規定的非正常工況下，即使甩去能達到的最大負荷，也不應引起汽輪機瞬時超速。為了達到這一目標，不同型式的汽輪機根據自身情況分別采用了LDA（甩負荷預測）、PLU（功率-負荷不平衡）或KU（負荷瞬時中斷）等防超速控制功能，實現在甩負荷的瞬間，所有調節閥快關，從而抑制汽輪機轉速的飛升。

需要指出的是，上述各功能是通過汽輪機調節閥快關實現的，它們是否能達到抑制轉速飛升的目的，還取決于各調節閥快關過程的時間，為此，行業標準DL/T 824-2002《汽輪機電液調節系統性能驗收導則》根據機組容量的大小對汽輪機高、中壓調節閥的快關時間要求給出了相關建議，高、中壓調節閥油動機動作過程時間t為動作延遲時間t1和關閉時間t2之和，快速關閉動作過程時間建議值為：100 MW及以下機組，小于0.6 s；100～200 MW機組，小于0.5 s；200 MW以上機組，小于0.3 s。不同型式汽輪機的調節閥通過快關電磁閥或OPC（超速控制）電磁閥動作，使油動機快速泄油，實現快速關閉[1]。

汽輪機調節閥快關時間滿足上述要求、機組外部電網故障或甩負荷時，LDA功能、KU功能或PLU功能正常啟動的情況下，汽輪機的轉速飛升一般均能控制在3 300 r/min以下。但從實際情況看，因不同的原因，機組甩負荷時上述功能沒有正常啟動、調節閥沒有快速關閉、汽輪機的轉速只能靠轉速調節回路進行控制的情況偶有發生[2-3]，此時完全依靠調節閥的正常關閉來首先抑制汽輪機的轉速飛升，調節閥的正常關閉時間就顯得尤為重要。但遺憾的是，到目前為止，在相關標準中仍未看到對汽輪機調節閥正常開關時間的具體要求。

1 汽輪機調節閥正常開關時間的影響因素

一般說來，在無外界人為速率限制的情況下，汽輪機調節閥正常開關時間受以下幾方面的影響較為明顯：

（1）調節閥油動機的時間常數，表示在進油口開度最大時，油動機活塞在最大進油量走完工作行程所需的時間，綜合反映了油動機的滯后時間和關閉時間，一般在0.1～0.3 s左右。

（2）伺服閥的特性參數，其中額定流量、零偏、內漏等特性均會對調節閥的開關時間有顯著影響。

（3）DEH（汽輪機電液控制）系統伺服卡的控制參數設定，其中影響較大的為比例常數與積分時間。

（4）控制油的壓力與溫度，其中壓力會影響到伺服閥的流量，進而影響到調節閥的開關速度；壓力過低時，調節閥可能無法開啟。

上述因素中，伺服閥的特性參數與DEH系統伺服卡控制參數的設定對汽輪機調節閥開關時間的影響最大。表1是幾個典型汽輪機調節閥開關時間的實際測量結果。

表1 汽輪機調節閥開關時間 s

表1可見，不同汽輪機調節閥正常的開關時間差異很大，即使同一臺汽輪機，高調閥與中調閥之間也會存在著較大的差別。機組正常運行時，這種開關時間的差異會造成汽輪機功率響應快慢的差別，但異常工況時，調節閥關閉時間過長，就極可能導致汽輪機超速。

2 調節閥關閉時間與轉速飛升之間的關系

同一個汽輪機調節閥的開關時間基本一致，從抑制汽輪機轉子飛升的角度，調節閥關閉時間更值得研究。正如前所述，在防超速控制功能失效的情況下，調節閥的正常關閉時間決定了汽輪機轉速飛升的最終值。上汽-西門子超超臨界汽輪機廠家提供的說明書中明確要求調節閥的正常開關時間應在1.5～1.8 s之間，但其他類型的汽輪機對此并沒有具體要求。

行業標準DL/T 711-1999《汽輪機調節控制系統試驗導則》推薦，汽輪機在甩負荷時動態最大轉速飛升一般可用式（1）計算：

式中：n0為甩負荷前初始轉速；Ta為轉子飛升時間常數；φ為甩負荷瞬間的負荷率；Tv為蒸汽容積時間常數；αH為高壓缸功率份額；α1為中低壓缸功率份額；tH1為高壓調節閥關閉滯后時間；tH2為高壓調節閥純關閉時間；tI1為中壓調節閥關閉滯后時間；tI2為中壓調節閥純關閉時間。

結合行業標準 DL/T 711-1999所推薦的數據：1 000 MW機組Ta≈8 s，600 MW機組Ta≈9s，300 MW機組Ta≈10 s；Tv=0.25 s，αH=0.3，α1= 0.7，tH1=tI1=0.1 s，tH2與tI2取表1的平均值，負荷率按1計，表1中各機組的Δnmax則根據式（1）可計算得：

300 MW機組：Δnmax=927 r/min；

600 MW機組1：Δnmax=869 r/min；

600 MW機組2：Δnmax=1 771 r/min；

1 000 MW機組：Δnmax=449 r/min。

很顯然，在KU，LDA或PLU等防超速功能失效的情況下，單純依靠汽輪機調節閥調節，在甩負荷后汽輪機轉速將大幅度飛升，如果110%超速保護拒動，則后果會不堪設想。當然，上述計算是按調節閥全開進行的，實際運行時高壓調節閥一般是部分開啟，而中壓調節閥是完全開啟，實際結果會比上述計算值略小。

汽輪機調節閥一般使用伺服閥進行控制，如果使用大流量伺服閥，則會顯著提高調節閥的開關時間。在防超速功能失效的情況下，如單純使用伺服閥實現調節閥關閉來抑制轉速飛升小于300 r/min，則表1中各機組的調節閥關閉時間應滿足以下條件（簡化起見，高、中壓調節閥關閉時間取相同）：

300 MW機組：調節閥關閉時間小于1.5 s。

600 MW機組1：調節閥關閉時間小于1.3 s。

600 MW機組2：調節閥關閉時間小于1.3 s。

1 000 MW機組：調節閥關閉時間小于1.1 s。

當然，上述結果是在額定負荷、調節閥全開的情況下計算得到的，可以看作是汽輪機在最危險的情況下如單純依靠調節閥正常關閉來抑制轉速飛升時，對調節閥關閉時間的要求。很顯然，表1中的數據，除1 000 MW機組的調節閥關閉時間與這一要求接近外，其他幾臺機組相差甚遠。從另一方面，上述計算結果也說明，上汽-西門子超超臨界汽輪機之所以對調節閥開關時間有在1.5～1.8 s之間的要求，可能也充分地考慮到了這一點。其他幾種機型，如果發生了甩100%額定負荷時防超速功能失效的情況，則必超速無疑。

3 對調節閥正常開關時間要求的討論

目前大多數型式的汽輪機的調節閥正常開關時間，要達到1.5 s是很困難的。值得注意的是，以LDA功能為例，多數機組規定：在功率大于30%額定值、并網信號消失時，汽輪機所有調節閥要同時快關，以防止汽輪機超速[4]。那么，如果此時機組負荷稍小于30%額定負荷，比如正好為29%額定負荷，如何操作？此時調節閥快關條件不滿足，只能依靠調節閥正常關閉來抑制汽輪機的轉速飛升。此時如果依然使用前述參數來計算對表1中各汽輪機調節閥關閉時間的要求，在防超速功能失效的情況下，如單純使用伺服閥實現調節閥關閉來抑制轉速飛升小于300 r/min，簡化起見，高、中壓調節閥關閉時間取相同，結果如下：

300 MW機組：調節閥關閉時間小于5.0 s。

600 MW機組1：調節閥關閉時間小于4.3 s。

600 MW機組2：調節閥關閉時間小于4.3 s。

1 000 MW機組：調節閥關閉時間小于3.7 s。

此時，表1中只有600 MW機組2還無法滿足要求，其他3臺汽輪機基本可以做到略低于30%額定負荷、機組脫網后，單純依靠調節閥正常關閉就可以將汽輪機轉速飛升值抑制在300 r/min以下，不至于造成超速保護動作。

鑒于目前國內相關汽輪機標準中還沒有對調節閥的正常開關時間作出明確要求，結合上述討論結論，并考慮一定的安全裕量，建議如下：

（1）在汽輪機設備技術規范中增加對汽輪機調節閥開關時間的要求。

（2）在設備調試期間與檢修后，增加汽輪機調節閥的開關時間測試試驗，測試應在無速率限制的情況下進行；測試過程曲線應平滑、無卡澀現象。

（3）設備廠家無明確要求時，300 MW及以下容量機組，調節閥正常開關時間不宜大于5 s；300 MW到600 MW（包括600 MW）容量機組，調節閥正常開關時間不宜大于4 s；600 MW以上容量機組，調節汽門正常開關時間不宜大于3 s。

4 結語

建立汽輪機調節閥開關時間的標準，可以使汽輪機調節閥的設計、制造與運行有據可依，減少油動機在設計與制造過程中的隨意性，最大程度的避免汽輪機超速等惡性事故的發生。考慮到目前多數機組的實際情況，汽輪機調節閥開關時間的標準值不應過小；對于新建機組，可適當提高標準要求，以督促設備廠家選用動態性能好、流量大的伺服閥，在提高機組運行安全性的同時也使其控制性能得到提升。

[1]張寶.大型汽輪機汽門快速關閉過程測試[J].汽輪機技術，2010，52（4）∶309-311.

[2]張寶，徐熙瑾，沈全義.甩負荷預測功能失效時的甩負荷試驗[J].汽輪機技術，2006，48（2）∶124-126.

[3]王學根.某超超臨界660 MW燃煤機組FCB試驗不成功原因分析及改進[J].華東電力，2014，42（7）∶1503-1505.

[4]田豐.我國600 MW等級汽輪機甩負荷試驗現狀分析[J].汽輪機技術，2010，52（3）∶221-225.

（本文編輯：陸 瑩）

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

張 寶（1978），男，碩士，高級工程師，主要從事大型汽輪機控制與節能技術研究工作。