670 MW超臨界機組切閥失敗原因分析與處理

何冬輝，葉振起，丁永允

(遼寧東科電力有限公司，沈陽 110006)

670 MW超臨界機組切閥失敗原因分析與處理

何冬輝，葉振起，丁永允

(遼寧東科電力有限公司，沈陽 110006)

某電廠670 MW超臨界機組啟動階段，汽輪機轉速達2 900 r/min時高壓主汽閥(TV)-高壓調節(jié)汽閥(GV)切閥過程中TV無法全開，導致切閥失敗。通過分析高中壓缸聯(lián)合啟動轉速和切閥控制邏輯，剖析主汽閥內部結構及動作原理，對比切閥前后參數(shù)并分析主汽閥開啟時的受力，得出主蒸汽壓力和再熱蒸汽壓力過低導致切閥失敗的結論。提出在切閥前調整主蒸汽壓力和再熱蒸汽壓力，盡可能減小GV開度，以降低閥前后差壓，確保了切閥成功并縮短了切閥時間。

高中壓缸聯(lián)合啟動；控制邏輯；高壓主汽閥；高壓調節(jié)汽閥；切閥；差壓

0 引言

主汽閥卡澀在組啟動或正常運行過程中時有發(fā)生，可能引起機組超速飛車的重大事故。高壓主汽閥是保護汽輪發(fā)電機組安全運行的重要設備，它的作用是機組緊急停運或發(fā)生事故時，可在高壓自動關閉器的操縱下迅速關閉，切斷進入汽輪機的新蒸汽，防止機組超速[1]。

1 機組及設備介紹

1.1 設備概況

某電廠新投產(chǎn)的汽輪機系哈爾濱汽輪機廠制造的N670-24.2/566/566型超臨界、單軸、一次中間再熱、雙缸雙排汽、凝汽式汽輪機。控制系統(tǒng)采用汽輪機數(shù)字式電液控制 (DEH) 系統(tǒng)與ABB公司的I/A分散控制系統(tǒng)，旁路采用德國霍拉設備有限公司提供的容量為60%鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)及2×50% BMCR的高、低壓二級串聯(lián)旁路系統(tǒng)。機組采用高中壓缸聯(lián)合啟動方式，設有12臺油動機，分別控制2個高壓主汽閥(TV)、4個高壓調節(jié)汽閥(GV)、2個中壓主汽閥(RSV)和4個中壓調節(jié)汽閥(IV)。每個進汽閥門均有一個執(zhí)行機構控制其開關，其中中壓再熱主汽閥執(zhí)行機構為開關型兩位式執(zhí)行機構，其他執(zhí)行機構為伺服型執(zhí)行機構，通過電液轉換器接受DEH系統(tǒng)的控制。

1.2 機組啟動流程

機組默認的啟動方式為高中壓缸聯(lián)合啟動，在汽輪機啟動升速過程中，GV和RSV全開，轉速控制為TV-IV聯(lián)合控制，保持全周進汽，以保證汽輪機溫度分布比較均勻，有利于減小熱應力；轉速達到2 900 r/min后進行TV和GV的切換，由GV對汽輪機轉速進行控制，直至定速、并網(wǎng)、帶負荷，這樣操作的目的是為了實現(xiàn)并網(wǎng)后機組負荷精確調節(jié)(即噴嘴調節(jié))，減少節(jié)流損失和負荷擺動[2]。

(1)DEH自動選擇帶旁路的高中壓缸聯(lián)合啟動方式，掛閘后，GV和RSV全開，TV和IV處于關閉狀態(tài)。

(2)設定目標轉速2 950 r/min，點擊“進行”按鈕后，在轉速比例、積分、微分(PID)控制回路的作用下，由TV-IV控制升速，轉速達到2 900 r/min時，手動選擇進行TV到GV的切換。GV將以單閥方式由全開狀態(tài)開始關小，當GV關至DEH計算的閥位時，表明GV已有節(jié)流能力，已經(jīng)可以控制汽輪機轉速，GV開始接受轉速PID回路的控制指令，同時TV立即全開，由GV控制轉速，TV到GV閥切換成功。

(3)設定同步轉速3 000 r/min為目標轉速，由GV控制轉速至同步轉速，并網(wǎng)。

2 切閥過程及現(xiàn)象

機組首次啟動過程中，轉速2 900 r/min時左右兩側TV開度為9%左右，4個GV處于全開狀態(tài)。“TV-GV切閥”指令發(fā)出后，4個GV同時以設定速率逐漸關小，切閥過程如圖1所示。當GV關至12%時，TV在伺服閥指令的作用下逐漸開啟。當左右TV開度達19%左右時，開度不再隨伺服閥指令的增加而增大，由于PID控制回路的作用，左右TV指令不斷增大，最大達到了100%，而左右TV的開度始終保持在19%，TV-GV切閥指示消失，TV-GV切換失敗。在此過程中，GV關至12%并一直保持，為維持轉速，IV由15%逐漸關小至12%。表1為切閥前、后的參數(shù)對比。

圖1 第1次切閥過程曲線

項目轉速/(r·min-1)主蒸汽壓力/MPa再熱蒸汽壓力/MPaTV指令/%TV反饋/%GV指令/%GV反饋/%IV指令/%IV反饋/%切閥前28995.610.529.069.07100.0099.2715.6015.46切閥后29005.540.5220.4019.6212.6012.0212.5012.53

該電廠與DEH廠家共同進行初步分析，懷疑是主汽閥卡澀。為排除這一原因，機組在掛閘狀態(tài)下強制關閉GV，單獨對左右兩側TV進行拉閥試驗，結果兩側TV都能正常開啟和關閉，不存在卡澀。隨后汽輪機再次沖轉，進行第2次切閥，切閥過程如圖2所示，當GV關至12%時，TV緩慢開啟至19%再也無法開啟，重現(xiàn)了第1次切閥現(xiàn)象。

機組設計TV為控制型閥門，在汽輪機高中壓缸聯(lián)合啟動升速過程中，轉速2 900 r/min之前由TV-IV控制轉速，TV-GV切換完成后，TV至全開，由GV-IV控制轉速或負荷。

得出如下結論：在TV開度達到預啟閥開度(19%) 后，只有在閥前后壓差達到一定值后主汽閥才能開啟。TV-GV切換開始后，GV 關閉, 在主汽閥前后壓差達到一定的平衡值后，轉速下降30 r/min，TV在伺服閥指令的作用下逐漸開啟，閥切換成功。因此，保證一定的主汽閥前壓力是切閥成功的關鍵因素之一。

3 切閥失敗原因分析及處理

兩次切閥失敗有共同現(xiàn)象：(1)兩次切閥GV都關至12%后保持不動；(2)兩次切閥TV開度均保持在19%左右，左右TV幾乎同時發(fā)生，且閥門并不存在卡澀現(xiàn)象。隨后，再次組織了專業(yè)分析和探討。

3.1 GV動作指令

經(jīng)檢查DEH邏輯，為了防止切閥過程中轉速波動，“TV-GV切閥”指令發(fā)出后，GV開始以1%/s的速率緩慢關小，根據(jù)當前綜合閥位指令折算出GV閥位指令，折算關系見表2。當GV關至折算值后，表明GV已有節(jié)流能力，TV逐漸開啟至全開后，GV開始接受轉速PID回路的控制指令，由GV控制轉速，TV-GV切換成功。值得注意的是，兩次切閥前綜合閥位指令折算出來的GV閥位指令經(jīng)計算都是12.6%，因此兩次切閥時GV都關至12%后保持不動。

圖2 第2次切閥過程曲線

表2 GV閥指令折算關系 %

3.2 主汽閥結構及動作原理

3.2.1 主汽閥結構

高壓主汽閥的機械結構與其他調節(jié)性閥門有所不同：高壓主汽閥閥蝶上鉆有通孔，閥桿端部從孔中穿過；預啟閥置于閥桿的端部，與閥桿連成一體，預啟閥閥芯直接連接在主汽閥閥桿上；主汽閥油動機開始動作后，先開啟預啟閥，預啟閥全開后主汽閥才在閥桿的帶動下逐漸打開；作用在閥蝶上的進汽壓力與兩個壓縮彈簧的彈簧力通過閥桿將閥碟緊壓在閥座上，以保證其關閉的嚴密性；當閥桿動作要打開主汽閥時，預啟閥先打開進少量蒸汽，使主汽閥前后壓差減小，同時預熱主汽閥后管道和高壓調節(jié)汽閥閥殼。

預啟閥的作用：主汽閥還未動作的時候，預啟閥預先動作，打開后會有小流量蒸汽通過預啟閥芯到達主汽閥，以降低主汽閥前后壓差，有利于主汽閥的順利開啟，預啟閥的通徑較主汽閥小得多，在設計壓力下預啟閥大約可通過25%的額定蒸汽流量；預啟閥的另一重要作用是在機組啟動時控制轉速和初負荷，起到調節(jié)的作用，便于用小流量蒸汽對汽輪機進行沖轉并升速。

3.2.2 主汽閥動作原理

在汽輪機掛閘沖轉、升速直到閥切換的整個過程中，汽輪機采用主汽閥控制(DEH中實現(xiàn))，這時高壓調節(jié)汽閥是全開的，汽輪機的轉速由主汽閥控制，而此時控制汽輪機轉速的實際上就是預啟閥。因為汽輪機在沖轉、升速直至3 000 r/min(空轉)的過程中所需的蒸汽量很小，而高壓主汽閥的閥芯截面要比高壓調節(jié)汽閥大得多(即主汽閥通流能力大得多)，此時想直接用主汽閥進行升速并精確控制汽輪機轉速是很難實現(xiàn)的。因此汽輪機設計中就將汽輪沖轉、升速直至3 000 r/min這階段的功能巧妙地與預啟閥的設計融為一體。因為預啟閥閥芯截面積很小(即通流能力小)，由這個小閥進行汽輪機轉速控制就很容易實現(xiàn)。高壓主汽閥設計時將預啟閥全開時的通流能力設計為正好可以將汽輪機升速至3 000 r/min左右(與開機時的進汽參數(shù)有關)，因此，汽輪機沖轉過程中，實際上主汽閥都是關閉的，全靠預啟閥進行汽輪機升速控制。

兩次切閥過程中，TV均開至19%左右后拒動，且左右TV同時拒動，但左右TV不可能同時發(fā)生卡澀。查閱主汽閥的設計圖紙發(fā)現(xiàn)，預啟閥的密封行程大約為17.7 mm，主汽閥的總行程大約為98.3 mm，當預啟閥開至17.7 mm后，主汽閥在閥桿的帶動下向上開啟。經(jīng)計算，預啟閥行程占總行程的百分比為17.7÷98.3×100%=18%，與DEH指示相差大約1百分點，這說明預啟閥全開后主汽閥仍處于全關位置。而1百分點的誤差可能源于主汽閥與預啟閥之間的行程或閥門的機械總行程(預啟閥及主汽閥行程)發(fā)生了變化、DEH在安裝調試過程中有微小的偏差以及閥桿在運行過程中不可避免的熱膨脹導致DEH有小的偏差[3]，因此可以排除主汽閥卡澀原因。當時主汽閥閥桿在全關位置，由于閥前后差壓過大導致主汽閥無法開啟的可能性較大。

3.2.3 主汽閥受力分析

當預啟閥處于全開位置且主汽閥處于關閉位置時， 主汽閥受力如圖3所示。

圖3 主汽閥受力分析

建立主汽閥閥桿受力方程

(1)

(2)

式中：F為主汽閥閥桿受力；Fy為液壓缸提升力；FT為主閥彈簧壓力；pst為主蒸汽壓力；p1為調節(jié)級壓力；k為作用在主汽閥液壓缸提升方向上的主蒸汽差壓分量系數(shù)。

由式(1)可知，只有F大于零，即Fy>FT+k×(pst-p1)，主汽閥才能開啟。

一般情況下，沖轉過程中p1較小，而FT與TV開度成正比，閥位開度越大FT越大；在Fy一定的情況下，F(xiàn)T越小TV就越容易開啟；而pst一方面決定了TV開度，另一方面對F有直接影響，即pst過大或過小使TV開度增大，均需提高Fy才能保證TV順利開啟，這也是機組沖轉時要求滿足一定主蒸汽壓力的原因之一[4]。

3.3 處理策略

兩次切閥過程中，TV開啟到預啟閥全開開度(19%)時，由于液壓缸的提升力小于TV前后差壓及彈簧力之和，TV無法繼續(xù)開啟，只能保持原有開度。只有當GV開度逐漸減小，TV前后蒸汽差壓持續(xù)下降，最終使液壓缸提升力Fy滿足要求，TV開啟。由以上分析可知，GV的關小指令是由綜合閥位折算的，綜合閥位越小GV對應的指令越小，而綜合閥位由主蒸汽壓力和再熱蒸汽壓力共同決定，因此，只有保證一定的主蒸汽壓力和再熱蒸汽壓力，才能減小GV開度，降低TV前后差壓，確保TV開啟。隨后，將主蒸汽壓力提至8.2 MPa，再熱蒸汽壓力提至1.0 MPa后進行第3次切閥，切閥過程中保持參數(shù)穩(wěn)定，順利完成切閥，切閥過程如圖4所示。

圖4 第3次切閥過程曲線

4 結論

(1)本文結合機組兩次在轉速2 900 r/min進行TV-GV切換的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，分析得出：由于主蒸汽壓力和再熱蒸汽壓力過低，由綜合閥位折算出的GV指令過大，導致TV前后差壓過大，液壓缸提升力無法克服彈簧力和TV前后差壓之和，TV無法完全開啟。

(2)DEH控制邏輯是由汽輪機及閥門的機械特性決定的，汽輪機機械特性、DEH邏輯、運行操作三者相互關聯(lián)，缺一不可，操作者應嚴格按照廠家說明書及啟動運行規(guī)程進行操作，根據(jù)啟動曲線合理選擇啟動參數(shù)。

(3)切閥過程中應保持參數(shù)穩(wěn)定，避免因主蒸汽壓力或再熱蒸汽壓力大幅變化而導致閥位抖動或轉速波動。

[1]馬征，石勇，孫耀東，等.豐電5號機左側高壓主汽門熱態(tài)卡澀的原因分析與處理[J]. 內蒙古電力技術, 1998，16(3): 52-54.

[2]陸瑞源, 朱軍.600 MW超臨界機組高中壓缸聯(lián)合啟動的控制要點[J].熱力透平,2010,39(4):285-288.

[3]劉佳.660 MW機組冷態(tài)啟動中轉速控制異常原因分析[J].自動化博覽,2012(7):60-63.

[4]李國慶，劉波，徐曉紅.淺析330 MW汽輪機組單側主汽門關閉故障的處理過程[J].寧夏電力,2005(5):25-26.

(本文責編：劉芳)

2017-03-08；

2017-04-13

TM 621

B

1674-1951(2017)05-0032-04

何冬輝(1982—)，男，湖南郴州人，工程師，從事火電廠汽輪機調試方面的工作(E-mail:langzihdh@126.com)。