汽輪機高排逆止閥改造與控制優(yōu)化

楊震力

（神華國華（舟山）發(fā)電有限責任公司，浙江舟山316012）

汽輪機高排逆止閥改造與控制優(yōu)化

楊震力

（神華國華（舟山）發(fā)電有限責任公司，浙江舟山316012）

某發(fā)電廠高排逆止閥采用單氣缸雙杠桿重錘式逆止閥，高壓缸啟動及帶小負荷過程中高排逆止閥頻繁擺動。通過原因分析，改造了閥門本體，使閥瓣與軸直接連接，取消了空氣引導閥等，并優(yōu)化了相應邏輯，解決了閥門擺動的問題。

高排逆止門；重錘式；高排通風閥；高壓旁路；汽機啟動方式

0 引言

汽輪機高壓排汽逆止閥是保護汽輪發(fā)電機組的專用快速關閉閥門，是為了防止汽輪機組在突然甩負荷時汽輪機內的壓力突然降低，再熱器冷段蒸汽或者帶水蒸汽倒流進入汽輪機內；以及用于汽輪機啟動方式的配合，如高壓缸啟動、高中壓聯(lián)合啟動、中壓缸啟動。神華國華（舟山）發(fā)電有限責任公司（以下簡稱舟山發(fā)電廠）3號機組300 MW亞臨界機組采用高壓缸啟動方式，在啟動過程及帶小負荷階段中，高排逆止閥頻繁擺動，并伴有金屬撞擊聲，給設備帶來了安全風險，臨時解決的方案是采用繩子拉住高排逆止閥的杠桿，防止閥瓣回關。為徹底解決此隱患，舟山發(fā)電廠組織上海汽輪機廠、閥門生產(chǎn)廠家共同研究，最終解決了小開度下閥板穩(wěn)定性不佳的問題。現(xiàn)把改造方案及高排逆止閥的邏輯優(yōu)化介紹如下。

1 系統(tǒng)簡介

舟山發(fā)電廠3號機組汽輪機型號為N300-16.7/537/537，是由上海汽輪機有限公司生產(chǎn)制造的300 MW、亞臨界、一次中間再熱式、高中壓合缸、二缸二排汽、單軸、反動凝汽式汽輪機。汽輪機高低壓旁路系統(tǒng)采用30%BMCR（鍋爐最大出力工況）旁路，為啟停簡易旁路。高排逆止閥型號為32”CLASS 300。

2 高排逆止閥動作原理簡介

高排逆止閥由上汽廠配套，采用帶單氣缸雙杠桿重錘式逆止閥，如圖1所示。

該閥門是一種自由擺動、重力關閉的止回閥，閥瓣由軸支撐并繞軸轉動，兩部分之間無直接連接。

當進口壓力稍高于出口壓力時，閥瓣會開啟；當進口壓力稍低于出口壓力或回流發(fā)生時，閥瓣會關閉。該閥配備1個側裝氣動執(zhí)行機構，由電磁閥控制。電磁閥得電，氣缸進氣，關閉彈簧壓縮，活塞桿向上運動位于伸出位置，解列閥瓣與執(zhí)行機構之間的自鎖，允許閥瓣自由擺動。電磁閥失電，排除氣缸中的壓縮空氣，關閉彈簧使活塞和杠桿臂向下運動，從而使軸和閥門閥瓣朝關閉方向轉動。氣缸中的關閉彈簧提供的力較小，僅提供一個正向關閉力來加速閥門的關閉與關閉的嚴密性，而對任何較大的正向氣流該關閉力矩將不會造成閥門的關閉。

3 高排逆止閥頻繁擺動的原因分析

以高壓缸啟動方式（Bypass Off）為例，當鍋爐滿足汽輪機啟動條件時，關閉高低壓旁路，汽輪機掛閘，高排逆止閥電磁閥得電，閥板與執(zhí)行機構之間的自鎖解除，閥瓣處于自由狀態(tài)。在沖轉過程中，高壓缸排汽流量很小，在小流量正向汽流的作用下，閥瓣小開度開啟，閥瓣開啟后高排壓力下降，不足以克服閥瓣的重量，高排逆止閥關閉，關閉后汽流動壓轉換為靜壓，高排壓力上升，重新沖開逆止閥，之后壓力下降逆止閥又關閉，這個重復過程造成高排逆止閥頻繁擺動，并伴隨有很大的金屬撞擊聲，嚴重時將損壞閥瓣[1]。

此種高排逆止閥存在的問題可總結如下：

（1）平板型閥瓣，在小流量流動情況下產(chǎn)生的閥瓣上下壓差難以形成足夠的提升力，因此在小開度下穩(wěn)定性不佳。

（2）氣動裝置僅限于在開啟閥門時解列閥瓣與執(zhí)行機構之間的自鎖，使閥瓣與軸一起可以自由活動，隨之而來的是抗流動擾動性較差。

4 高排逆止閥的本體改造

閥門本體從3個方面進行改進：

（1）閥瓣與軸直接連接，閥瓣可受軸的控制。

（2）將原先閥瓣與執(zhí)行機構之間的氣動自鎖動作更換成閥瓣與執(zhí)行機構的同步動作，如圖2所示。

（3）取消空氣引導閥，電磁閥直接與壓縮空氣母管相連，氣缸改為雙向進氣控制，設置2只開電磁閥，1只關電磁閥，控制原理如圖3所示。

改進后的高排逆止閥采用雙向氣缸助力式驅動裝置，開啟力矩比原執(zhí)行機構大得多，開啟力矩按閥瓣全開時需要克服閥板拐臂重量及摩擦阻力矩之和乘以安全系數(shù)來確定；閥瓣關閉時，執(zhí)行機構力矩和閥瓣拐臂重量共同關閉閥門，比原執(zhí)行機構的力矩大得多，增加了閥門關閉的嚴密性與抗擾性。

完善后的高排逆止閥控制邏輯使高排逆止閥有3種狀態(tài)：

（1）助力關閉。20-1/HPNRV失電，20-2/HPNRV通電，氣缸產(chǎn)生關閉助力。

（2）助力打開。20-1/HPNRV通電，20-2/HPNRV失電，氣缸產(chǎn)生開啟助力。

（3）自由狀態(tài)。20-1/HPNRV，20-2/HPNRV均失電，高排逆止閥無助力，閥瓣處于自由擺動狀態(tài)。電磁控制原理圖如圖3所示。

5 高排逆止閥的控制優(yōu)化

圖4為汽輪機系統(tǒng)圖，高壓缸排汽出口接有2個閥門，一是高排逆止閥，另一個是高排通風閥，這2個閥門是一對關聯(lián)的閥門，當高排通風閥打開時，高排逆止閥則關閉；高排通風閥排關閉時，高排逆止閥則打開。這2個閥門的邏輯關系與汽輪機啟動方式緊密相關。預熱閥用于中壓缸啟動機組而設置的設備，對其他的啟動方式不是必需的，為便于對高壓缸啟動、高中壓缸聯(lián)合啟動、中壓缸啟動的3種啟動方式的控制說明，圖4中加入了預熱閥。

圖1 原配套高排逆止閥結構示意

圖2 完善氣動執(zhí)行機構

圖3 高排逆止閥電磁閥原理圖

5.1 高排逆止閥改進前控制說明

原設計高排逆止閥等同于其他抽汽逆止閥，主要由于防止汽輪機超速，故電磁閥與空氣引導閥串聯(lián)。空氣引導閥是抽汽逆止閥與EH（高壓抗燃油）系統(tǒng)之間的一個接口，用于控制抽汽逆止閥壓縮空氣氣源。空氣引導閥的開啟依靠OPC（汽輪機超速保護）油壓，關閉依靠彈簧。機組正常運行時，OPC油壓將空氣引導閥開啟，使壓縮空氣經(jīng)空氣引導閥送到所有抽汽逆止閥前的電磁閥，DCS（分散控制系統(tǒng)）可以控制抽汽逆止閥上電磁閥開啟或關閉，從而解鎖（開啟）氣缸與搖臂的自鎖，逆止閥處于自由狀態(tài)；當OPC油壓泄去時（表示機組處于超速控制狀態(tài)或跳機狀態(tài)），空氣引導閥依靠彈簧力關閉，隔斷壓縮空氣氣源，同時打開排大氣口，使抽汽逆止閥端壓縮空氣管道的余氣排掉，不管此時DCS的指令如何，均無條件地將所有抽汽逆止閥助力關閉。

圖4 汽輪機系統(tǒng)

當OPC油壓正常時，由電磁閥控制逆止閥解鎖開與關，因3號機DEH（汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)）只設計了一種高壓缸啟動方式，高排逆止閥相關邏輯如下所示。

（1）聯(lián)鎖開（與）：兩側主汽門均不在關位；高旁已關。

（2）保護關（或）：主汽門關閉（兩側主汽門二取一）延時1 s，2 s脈沖；主變220 kV開關跳位（三取二），2 s脈沖；OPC動作。

（3）自動開：OPC動作恢復。

這里所述的“開”指的是解列閥瓣與執(zhí)行機構之間的自鎖，只有在正向汽流下才能打開逆止閥；這里的關指的是加快逆止閥關的過程，及關閉嚴密性。

5.2 高排逆止閥改進后控制優(yōu)化說明

高排逆止閥不同于其他抽汽逆止閥，在甩負荷時，冷再管中的蒸汽從高壓缸排汽端倒入汽輪機，此時汽輪機是做負功，其熱力過程是壓縮過程，在此過程中，轉速下降，不易引起超速[5]。高排逆止閥設置的作用更多是配合啟動方式與防止冷凝水進入高壓缸。

故本次改進如4節(jié)中所述之外，取消了空氣引導閥，電磁閥的壓縮空氣管路直接與壓縮空氣母管相聯(lián)。由DCS控制電磁閥來達到各種控制功能，OPC動作時不觸發(fā)關閉高排逆止閥。現(xiàn)結合不同的啟動方式向讀者介紹控制優(yōu)化說明。

5.2.1 高壓缸啟動方式（Bypass Off）

采用高壓缸啟動方式時，在汽輪機掛閘前高排通風閥可根據(jù)需要，由運行人員打開，使高壓缸與凝汽器同時達到真空，加快高壓缸真空的形成。汽輪機準備沖轉、掛閘前應將高排通風閥關閉。高壓缸啟動方式中通風閥始終是關閉的，啟動階段由于高壓缸進汽壓力小、流量低，高排壓力與流量都較小，為了保證高壓缸排汽總有通路，要求高壓旁路必須是關閉的，否則冷再壓力大于高排壓力，高排無通路。

高排逆止閥助力電磁閥有手動和自動2種控制方式：

1）手動方式。

在下列二個條件同時成立時，只有按動“手動”鍵鈕，就能進入手動方式：

（1）汽輪機尚未掛閘。

（2）高壓旁路尚未投入。

一旦進入手動方式，閥門就會處于開啟狀態(tài)。此時可通過“關閥門”鍵或“開閥門”鍵，對閥門進行關、開試驗。由于此時汽輪機還未進汽，高壓旁路尚未開啟，閥門的開、關試驗對汽輪機不會造成影響。閥門開、關試驗的目的僅在于檢查其動作的正確性和靈活性。

2）自動方式。

汽輪機掛閘后，此閥門的狀態(tài)就由邏輯來決定，手動不能干預。閥門有3種狀態(tài)：助力關閉、助力開啟、自由狀態(tài)

（1）助力關閉。

在沖轉階段，高壓旁路應該是關閉的，若某種原因高壓旁路打開，冷再熱壓力要大于高壓缸排汽壓力，為防止倒流，高排逆止閥根據(jù)邏輯應進入助力關閉狀態(tài)，但這是一種不正常現(xiàn)象，為使高壓缸方式啟動繼續(xù)進行下去，必須及時糾正，將高旁關閉。

（2）助力開啟。

采用高壓缸啟動方式時，高壓旁路必須關閉，否則會引起轉速控制失靈，及高壓排汽無通路。汽輪機掛閘后，通風閥關閉，高排逆止閥助力開啟。此時高排流量小，壓力低、助力全開能保證閥門的穩(wěn)定性，并能減小阻力。

并網(wǎng)后，負荷小于30%額定負荷過程中，高排流量、壓力都較小，助力全開能保證閥門的穩(wěn)定性。

（3）自由狀態(tài)。

當負荷大于30%額定負荷時，高壓缸排汽已經(jīng)有穩(wěn)定的大流量，正向氣流足以克服閥辨的重量，此時將高排逆止閥處于“自由狀態(tài)”有更多的積極作用。高壓旁路的意外開啟，處于“自由狀態(tài)”的高排逆止閥更能發(fā)揮保護作用，防止高壓缸倒流入含水的蒸汽。

根據(jù)以上邏輯可知，當發(fā)電機主開關跳閘時，發(fā)電機甩負荷到“0”，高排逆止閥是否關閉決定于旁路是否打開，否則仍處于助力打開狀態(tài)。

甩負荷相當于又進入啟動階段，高壓缸啟動方式下是不帶旁路運行的方式，中調門經(jīng)幾次關閉與開啟后，再熱系統(tǒng)中的余汽消失殆盡，中調門打開，高調門控制汽輪機至額定轉速。在整個過程中只要旁路不打開，高排逆止閥始終處于助力全開狀態(tài)。

5.2.2 高、中壓缸聯(lián)合啟動方式（Bypass On）

此方式是指啟動時蒸汽同時經(jīng)過高、中壓缸沖轉[2]，需旁路配合的一種啟動方式。高排通風閥應配合旁路裝置，在未并列前一直處于開啟位置。此時高排壓力小，只有全開高排通風閥才能保證高壓缸排汽有通路。

（1）助力關閉。

高、中壓缸聯(lián)合啟動方式，是帶旁路的運行方式，旁路這一過程持續(xù)到30%～35%額定負荷，高低壓旁路閥門全關為止。

在未并網(wǎng)前，通風閥打開，高壓缸排氣壓力接近真空值，冷再熱壓力大于高排壓力，此時高排逆止閥在助力作用下關閉，更有助于關閉的嚴密性。

（2）助力開啟。

高排通風閥在發(fā)電機并網(wǎng)后延時60 s關閉，為保證高排蒸汽始終有通路，并網(wǎng)延時60 s后，在發(fā)出助力打開高排逆止閥信號的同時，發(fā)出高排通風閥關閉信號，以助汽輪機運行的安全。同樣小負荷階段，助力全開能保證閥門的穩(wěn)定性，減小阻力。

（3）自由狀態(tài)。

該邏輯與高壓缸啟動方式相同。當負荷大于30%額定功率，高排逆止閥進入無助力的自由狀態(tài)，此時高低壓旁路閥門全關，啟動方式從Bypass On自動（或手動）轉換為Bypass Off，中壓調門全開，不參與控制，此啟動方式切換是必要的操作，實際運行中，如果保留在Bypass On模式下，中調門將參與調節(jié)，對汽輪機安全運行及節(jié)能不利[3]。

如果高旁因保護或意外開啟，高排逆止閥將受逆向汽流作用暫時自行關閉，防止發(fā)生高壓缸倒流的危險。在高旁返回關閉狀態(tài)后，高排逆止閥在正向汽流的作用下，會再次開啟。

在發(fā)電機主開關跳閘時，相當汽輪機又返回到高、中壓缸聯(lián)合啟動方式，此時高低壓旁路控壓回收工質，高、中調門關閉，高排通風閥打開，高排逆止閥在助力作用下關閉。經(jīng)過一定時間以后，轉速下降到給定值以下，此時，允許高、中壓調門慢慢打開，中調門開至“IV/TV向TV”切換轉速的記憶開度，由高調門維持機組額定轉速。

5.2.3 中壓缸啟動方式

中壓缸啟動時，沖轉前預先倒暖高壓缸，確定汽輪機跳閘，高、中壓調門關閉，高排逆止閥、高排通風閥關閉，開啟與高排通風閥并聯(lián)的暖缸閥。高壓缸預暖結束，高排通風閥打開使高壓缸處于真空狀態(tài)[4]，高排逆止閥仍助力關閉。

高壓缸和調節(jié)閥閥殼預暖結束，當再熱蒸汽達到?jīng)_轉參數(shù)后，逐漸開啟再熱調節(jié)閥使中壓缸進汽，控制汽輪機沖轉、升速、并網(wǎng)、帶負荷。在此過程中，高調門、高排逆止閥關閉，高排通風閥打開。

當再熱調節(jié)閥接近全開時，負荷已達切缸負荷，高調門開啟，使高壓缸進汽，高排逆止閥助力打開，高排通風閥關閉。同時高旁連鎖快關，高旁關閉后，聯(lián)鎖低旁關閉，切缸結束，汽輪機的運行狀態(tài)由中壓缸進汽控制切換為高壓缸進汽控制。

5.3 改進后的應用邏輯

舟山發(fā)電廠3號機DCS采用南京科遠公司生產(chǎn)的NT6000系統(tǒng)，DEH與DCS采用一體化結構。只有高壓缸啟動方式。控制說明如下所示。

下列條件均滿足的情況下，電磁閥通電狀態(tài)僅決定于高壓旁路投入與否：

（1）汽輪機已掛閘。

（2）發(fā)電機輸出功率≤30%額定功率。

（3）冷再熱壓力≤1 MPa。

此時，如高壓旁路投入，則20-1/HPNRV失電，20-2/HPNRV通電，氣缸產(chǎn)生關閉助力；如高壓旁路切除，則20-1/HPNRV通電，20-2/HPNRV失電，氣缸產(chǎn)生開啟助力。

上列3個條件，只要有1個不成立，則20-1/HPNRV，20-2/HPNRV均失電，高排逆止閥無助力，閥板處于自由擺動狀態(tài)。詳細的組態(tài)圖如5所示。

6 結語

通過高排逆止閥閥瓣與軸直接連接，并采用適合于高壓缸啟動方式的邏輯，解決了舟山發(fā)電廠3號機組啟動階段及帶負荷階段高排逆止閥頻繁擺動的現(xiàn)象。保留原自由擺動式閥門的優(yōu)點，對保證機組的安全運行具有一定的意義。

在提供不同啟動方式下，對高排逆止閥及高排通風閥的控制邏輯進行優(yōu)化研究，能供同行借鑒。由于汽輪機系統(tǒng)設計的不同，相應的邏輯應結合系統(tǒng)、設備、啟動方式、高/低壓旁路的特性來細化每條邏輯，以達到控制的合理與可靠性。

圖5 高排逆止門控制組態(tài)

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（本文編輯：陸瑩）

Renovation and Control Optimization of HP Cylinder Exhaust Non-return Valve of Steam Turbine

YANG Zhenli
（Zhejiang Guohua（Zhoushan）Power Generation Co.，Ltd.，Zhoushan Zhejiang 316012，China）

A power plant adopts single cylinder double lever and weight type non-return valve as its HP cylinder exhaust non-return valve.During HP cylinder start-up and it is on load，the HP cylinder exhaust non-return valve frequently vibrated.Through cause analysis，the valve body is transformed by direct connection between valve flap and the shaft；besides，the air pilot valve is abolished，and the logic is accordingly optimized to handle the valve vibration.

HP cylinder exhaust non-return valve；weight type；HP cylinder exhaust ventilation valve；HP bypass；steam turbine startup mode

10.19585/j.zjdl.201708011

1007-1881（2017）08-0054-06

TK263.5

B

2017-07-05

楊震力（1968），男，高級工程師，研究方向為熱工系統(tǒng)的可靠性、防雷接地、測量系統(tǒng)屏蔽抗技術及熱工控制技術。