M701F型聯合循環機組汽輪機旁路閥執行器改造淺析

李 東

（深圳能源集團股份有限公司東部電廠，廣東 深圳 518120）

M701F型聯合循環機組汽輪機旁路閥執行器改造淺析

李 東

（深圳能源集團股份有限公司東部電廠，廣東 深圳 518120）

本文對汽輪機旁路閥的常發性故障作了簡要分析和總結，針對故障原因提出了旁路閥執行器的改造方案，并對改造過程中所遇到的問題及處理方法進行了詳細地闡述。

燃氣輪機；汽輪機旁路系統；智能執行器；鍋爐水位

燃氣輪機聯合循環電廠余熱鍋爐系統有高、中、低壓3個系統，對應于這3個壓力級別的主蒸汽，汽輪機旁路系統分別設置有高、中、低壓旁路閥門各一個，均按100%冬季工況下最大蒸汽流量設計。汽輪機旁路系統的作用是在機組啟停和甩負荷時，保證鍋爐最小負荷的蒸發量，防止余熱鍋爐再熱器、過熱器干燒，保護再熱器和過熱器；在甩負荷和緊急停機時，旁路閥快速打開，排出鍋爐內蒸汽防止鍋爐超壓；另外在起動過程中通過旁路系統可以加快起動速度，改善起動條件，使蒸汽參數與汽缸金屬溫度相匹配，從而提高機組運行的安全性和靈活性；在機組異常情況下為了保護凝汽器，旁路閥配有快關功能。

1 閥門故障及其原因分析

1.1 閥門易出故障種類

汽輪機系統的高、中、低壓旁路閥均采用美國CCI公司的DRAG閥，配備同廠家的STI電位器式閥門位置反饋裝置和帶I/P氣動放大器的閥門定位調節部套。機組投運至今，旁路閥門經常出現故障，這主要表現在以下幾個方面：

1）如果閥門長時間保持同一位置不變，當對閥門進行操作時，就經常會發生閥門拒動故障。

2）偶爾出現誤動現象。

3）位置反饋經常出現漂移。

1.2 閥門拒動原因檢查分析

1）檢查執行器管路，氣體管路無明顯漏氣，儲氣罐壓力正常。

2）檢查儀用空氣供氣壓力，供氣壓力為0.6MPa，正常。

3）檢查閥門開度指令信號。通過操作員站的手操器發出閥門開度指令，就地用萬用表對信號指令回路電流進行測量，結果顯示正常。

4）檢查閥門閥蓋緊度正常，閥桿無明顯拉傷，用手輪對閥門進行開關操作，沒有發現明顯卡澀現象。

5）執行器校準不當。閥門關閉時，執行器上氣口壓力側的滿壓力，下氣口側的為零壓，執行器校準正常。

6）檢查氣動放大器動作，正常。

7）檢查執行器及I/P模塊內部密封件。拆卸執行器模塊，檢查內部密封圈完好，內部無水，無雜物，無明顯結垢。但是發現內部一針閥由于彈簧失效，無法正常動作。對該針閥模塊進行更換后，旁路閥動作恢復正常。

旁路閥執行器各個功能模塊為串聯組合結構，如果某單個模塊出現問題，就會導致執行器控制氣氣路不暢，從而出現閥門拒動的故障。在對旁路閥拒動和誤動的缺陷進行統計后，發現所有拒動和誤動故障基本上都是由于針閥模塊內彈簧失效引起的。由于執行器模塊備件為整體化結構，無單獨針閥模塊備件，故障排除時需對模塊整體進行更換，因此每次維護成本較大，浪費較為嚴重。

1.3 閥門位置反饋漂移故障

電廠機組屬于調峰機組，晝起夜停，閥門動作較為頻繁，由于閥門振動等原因使得反饋信號經常出現漂移現象。另外，機械式執行器和其I/P模塊普遍采用滑閥、噴嘴或者活塞等結構進行信號轉換和定位，由于機械部件配合和性能等因素，機械式執行器的定位精度相對較低，且受環境因素如氣源品質、管道和閥門的震動影響較大，容易產生漂移，存在死區較大等問題，因此給運行人員對閥門狀態的監視和判斷帶來了較大干擾。

汽輪機旁路閥門的作用在機組整個工藝過程中的作用十分關鍵，旁路閥故障已成為機組安全生產的嚴重隱患，為此，在對故障原因進行了仔細分析總結后，決定對旁路閥的定位及反饋裝置進行換型改造。

2 閥門執行器及其I/P升級改造

2.1 智能執行器TZIDC介紹

經過技術研究，決定將汽輪機旁路閥門現有的機械式執行器換型為ABB廠家智能型執行器TZIDC。該智能型執行器主要為解決傳統控制器調試時間長、體積大、控制精度不高設計的，可以較好的解決以上問題；同時，智能執行器配有模塊化的閥位反饋變送器和行程開關，便于后續的調試和維護。

TZIDC執行器是一種具備通信能力、可進行電子配置參數的執行器，設計小巧緊湊，采用模塊化結構，能通過終端控制元件相匹配的控制參數由智能執行器自動確定，節省原來大量的調試時間并達到最優化控制。

TZIDC執行器具有良好的氣動性能，帶有后置氣動放大器的I/P模塊來控制氣動執行機構，執行機構增壓或減壓是連續的，可以達到良好的控制效果。

采用智能控制系統，執行器內置操作面板，便于調試和運行監控，取代了過去機械式定位，增加了執行器的穩定性和精確度。

TZIDC執行器輸出控制氣量較小，不易控制需氣量大的氣動執行機構，需在控制氣路中加裝VolumeBooster來保證控制時間。

2.2 改造方案

高壓旁路閥原執行器型號是SA/CL-1/EPDN1/4，閥門采用了滑軌式凸輪和Motion Converter（MC）-角行程轉換器將閥門直行程轉換為執行器和閥位反饋變送器的角行程。TZID-C執行器本身可以包含模塊化的閥位反饋變送器，所以只需要一個安裝位置，執行器的接口標準和原來閥門所用的閥位反饋裝置2030的接口相同，改造盡量避免對執行機構和原有氣路作大的改動，盡量保持原來的氣管路位置不變。接口處如圖1所示（圖中尺寸單位為毫米）。

圖1 執行器剖面接口圖

如果根據閥門行程和連桿長度計算得出的實際行程造成的轉動角度可以滿足新的執行器的要求，改造過程中就將盡量保留原有的反饋連接件和角行程轉換器，拆除原有執行器IP和反饋變送器2030，在2030位置上固定安裝新的執行器；視現場情況，在原有MC的位置安裝新的角行程轉換器和新的凸輪。考慮到兩種定位器輸出氣流量大小的區別，為了保證足夠的空氣流量，不影響閥門動作速度，建議在原有氣路的基礎上增加VolumeBooster，用執行器的較小流量控制較大的氣流保證閥門的動作時間。執行器和原有反饋連接桿之間需要加工延長軸進行連接。同時，要對執行器進出口和VolumeBooster的進出口用合適的轉接頭和不銹鋼氣源管進行重新配接。安裝過程要注意調整轉動角度，保證執行器順利接入管路。圖2、圖3將改造前后氣路作以對比。

圖2 改造前的氣路圖

圖3 改造后的氣路圖

中低旁壓力調節閥采用和高旁壓力調節閥同樣的方案，因為中低壓旁路原來已經設計VolumeBooster，所以不需要如高旁一樣對氣路作較大改動，只需要安裝執行器和適當的轉換器、連接新的氣源管路就可以了。

2.3 改造過程中出現的問題及其解決方法

電廠采用的是杭州鍋爐廠的NG-M701F-R三壓、一次中間再熱、臥式、無補燃、自然循環燃氣輪機余熱鍋爐，與M701F型燃氣輪機相匹配。其汽包尺寸見表1。

表1 鍋爐汽包參數

由表1可知，中壓汽包體積比高壓，低壓汽包要小很多，在機組運行中工作水位限定范圍較窄，特別是在機組啟停的變工況條件下，對中壓汽包水位的控制要求比較高，由于燃氣輪機輪機機組為調峰機組，每天日起停，所以中壓水位的控制顯得尤為重要。

燃機電廠為高、中、低三壓鍋爐，中壓蒸汽系統受高壓旁路和中壓過熱蒸汽兩個系統的影響，工藝過程復雜。汽輪機旁路閥開度的變化直接會影響到中壓汽包水位，所以旁路閥響應的快速性和動作的準確性對中壓汽包水位的穩定控制有著極其重要的作用。

旁路閥改造的同時，該廠對鍋爐汽包水位測量系統也進行了優化改造。水位測量系統的改造，使得汽包測量水位的變化更準確，更靈敏。而這也就對旁路閥動作響應的快速性和準確性提出了更高的要求。為保證中壓汽包水位的穩定，機組的安全運行，對此進行了分析，具體采用以下優化方法。

提高閥門的動作響應速度。按照ABB廠家資料，CCI旁路閥全開時間在10s以內，都為正常。安裝執行器后動作時間與改造前相差在2s以內，且在10s以內，為正常狀態.為使閥門動作更快，同比例增加智能執行器的PID參數，已使閥門開快，但是在參數改變的范圍不大，效果不是非常明顯，P參數過大使閥門在動作過程中出現在一個位置反復振蕩的情況。為進一步加快閥門相應時間，但同時不出現振蕩情況，在執行器的氣缸前增加一組氣動放大器，來增大回路中的氣量，從而達到提高閥門響應速度的目的。

控制邏輯優化。在對旁路閥的控制邏輯進行分析時發現旁路閥開度控制PID參數（SG模塊TBP15SG007）的下限設置為-5%（如圖4所示）。每當旁路閥由關至開時，PID輸出總是從-5%開始向正向進行積分，當PID輸出大于0%時，閥門才開始開啟。據實際觀察，PID輸出從-5%開始正向積分至0%，平均耗時大概15s，而在15s的這段時間里，中壓汽包水位由于系統憋壓造成的虛假水位下降幅度可以達到150mm左右。因此，可以適當提高此下限值，縮短PID正向積分時間，從而提高閥門響應速度，減小虛假水位帶來的不利影響。

圖4 中壓旁路控制邏輯圖

圖5 中壓旁路控制邏輯圖

如圖5所示，控制邏輯中在旁路閥的輸入，輸出指令增加了函數功能F（X）模塊。因為原機械式執行器定位不準確，實際閥位動作值與指令有偏差，所以引入了F（X）模塊對閥位指令和閥位反饋進行修正。安裝智能執行器后，就地閥門定位準確，閥位指令、就地閥門開度位置和閥位反饋基本一致，所以將F（X）設定恢復為線性。為加快旁路閥從零位的開啟時間（從運行經驗得知，旁路閥從零位開啟時間對水位的影響很大），可以對F（X）進行適當修正，即在輸入為大于0的小信號時，略微加大輸出信號指令，使旁路閥盡快開啟，在動作到1%左右時，再恢復線性控制。實際效果也需要起停機時進行實際驗證。

2.4 改造效果

電廠先后對1號、2號機組旁路閥執行器及I/P，氣體部套實施了升級改造。改造后，又通過進一步改進就地設備，同時對汽包水位邏輯進行優化很好地解決了以下問題：

1）旁路閥門動作指令與閥位反饋非線性的問題。

2）旁路閥誤動和拒動的問題。

3）優化旁路閥門動作特性，較好地配合了機組啟停過程中鍋爐水位的變化，提高了機組運行的可靠性。

4）解決了閥位反饋經常出現漂移的問題。

3 結論

從對上述問題的分析不難看出，要使旁路閥動作準確，且能很好地配合機組起動過程中水位的變化，是一件困難的事。但是通過對旁路閥執行器及I/P，氣體部套升級改造和后續的控制控制邏輯優化，保證了旁路閥在機組起停過程中正常動作，并減少了旁路閥動作對鍋爐汽包水位變化的影響，保障了機組安全運行和順利起停，防止了機組跳閘的嚴重后果，給電廠帶來了直接經濟效益。

[1] ABB. ABB定位器使用手冊[Z]. 2009.

[2] 三菱重工業有限公司. 三菱Diasys控制邏輯手冊[Z]. 2003.

Analysis of Steam Turbine Bypass Valve Actuator in M701F Combine Cycle Power Plant

Li Dong
(Shenzhen Energy Group Co., Ltd, Dongbu Power Plant, Shenzhen, Guangdong 51812)

Turbine bypass valve is an important part of Steam Turbine playing an important role when the units start and stop. For the gas turbine combined cycle unit that is particularly important fully automatic bypass system. This article analyzes and concludes the hazards of turbine bypass valve and proposing an optimization program. The problems encountered in the process of transformation and the treatment methods are described in detail.

gas turbine; bypass system of steam turbine; intelligent actuator; boiler level

李 東（1981-），男，技術工程師，現從事燃氣輪機發電廠檢修安全管理工作。