E級燃氣聯合循環機組高壓旁路減壓閥自關分析及處理

摘 要：某燃氣熱電公司254 MW聯合循環機組汽輪機旁路為100%高、低壓并聯旁路，對燃氣聯合循環機組安全運行有著非常重要的作用。本文詳細介紹了該公司高壓旁路減壓閥控制存在的問題以及處理情況，對氣動執行器輸出力以及閥門不平衡力進行了的簡化計算。

關鍵詞：氣動執行器；輸出力；閥門不平衡力；氣容量；FT定位器

某燃氣熱電公司安裝3套SGT52000E燃氣蒸汽聯合循環機組，投產于2012年。由于所用的高壓旁路閥的性能缺陷，導致3套機組的高壓旁路減壓閥一直不能正常投入運行。直接影響到機組的安全性、燃氣機組的快速啟動性能以及機組對電網負荷的適應性，同時對機組經濟性指標也產生影響。

1 處理前高壓旁路情況

該西門子SGT52000E燃氣蒸汽聯合循環機組汽輪機配置了德國博普羅依特公司生產的100%容量氣動高、低壓并聯旁路裝置，以實現整套聯合循環機組啟停時或在汽輪機跳閘狀態下保證機組安全、回收蒸汽，同時在機組啟動期間可以減少啟動時間以及消除汽輪機的熱應力。

旁路控制系統設計有手動和自動兩種運行方式，旁路控制系統納入DCS系統管理，在機組啟動及故障狀態過程中

1.1 高壓旁路技術數據（表1）

1.2 高壓旁路減壓閥控制功能

① 儀用空氣壓力消失閥門自關；② 高壓旁路減壓閥全關移動全開行程控制時間≤10 s；③ 高壓旁路減壓閥全開移動全關行程控制時間≤10 s；④ 高壓旁路減壓閥快開≤3秒；⑤ 高壓旁路減壓閥快關≤3 s。

1.3 閥門故障情況

1） 2012年3套機組調試期間，在燃機燃燒調整基本負荷情況下，高壓旁路多次發生在開度35%時自關，運行人員手動快開。

2） 2013年1月13日，#2機開機過程中，高旁壓力3.5MPa，閥門開度約50%，突然發生自關，運行人員手動快開。

3） 2013年8月8日，博普羅伊特公司更換了#2機高旁閥芯籠罩，冷態試驗良好。8月9日，#2機開機過程中，在主汽壓力為2.6 MPa，DCS指令為100%開度時，高旁最大只能開到70%左右。

4） 2013年9月29日，博普羅伊特公司安排技術人員至現場更換了#3機高旁閥芯籠罩，10月13日，在#3開機過程中，高旁在55%開度時仍存在卡澀、自關現象，運行人員手動快開。

2 原因分析

2.1 閥門氣路原理及定位器特性分析

高壓旁減壓閥門接受4～20 mA DC連續控制的條件是：氣源正常；EV1快高壓旁減壓閥門接受4～20mA DC連續控制的條件是：氣源正常；EV1快關電磁閥帶電；EV2快開電磁閥失電。ABB TZIDC智能定位器控制氣輸出至VB1、VB2流量放大器放大（圖2）后經D3、D1；D4、D2切換閥后至氣缸上、下腔室，形成差壓作用于活塞，進而輸出執行器的推力，克服高旁減壓閥的不平衡力后驅動閥門啟閉。

分析高壓旁路減壓閥的氣路圖，可以看到該氣路圖是較為復雜的單體控制系統，具有斷氣、斷電、斷信號保護和快開快關功能，配置了較多的氣控元器件，給實際維護保養工作帶來不少麻煩，并且維護成本較高。

圖2 流量放大器

2.2 氣動執行機構的輸出力分析

執行機構的設計過程中，輸出力（該執行器為SC/V型雙作用無彈簧活塞式執行器）是關鍵的設計參數，在機構的實際運動過程中，各部件之間的摩擦是無法避免的，執行機構輸出力就是用以克服介質負荷的有效力， 而負荷包括不平衡力、密封緊壓力、摩擦力、重量等， 對于該氣動薄膜執行機構， 其力平衡公式為

F=Ft+F0+Ff+Fw。（1）

式中：F為執行機構輸出力；Ft為閥芯所受的不平衡力；F0為調節閥全閉時， 閥芯對閥座密封所需附加的緊壓力。一般取相當于5 kPa 乘以薄膜有效面積（m2）的力；Ff為閥桿所受摩擦力；Fw為閥芯等活動部件重量。

正常情況下Ff很小， 各種活動件重量Fw也不大，故式（1）可簡化為

F=Ft+F0。（2）

由式（2） 可以看出， 執行機構的輸出力主要是克服調節閥的不平衡力。計算執行機構輸出力簡便忽略了該摩擦的影響，故輸出推力為F。

F=P×S。（3）

式中：P為供氣壓力（Pa）；S為活塞有效面積（m2）。

2.3 高壓旁路減壓閥門不平衡力分析

對于直行程的調節閥， 如單座閥、角型閥等， 當流體通過調節閥時， 閥芯介質靜壓和動壓的作用， 產生上下移動的軸向力。這種軸向力執行機構信號與位移的關系， 因此， 將閥芯所受到的軸向合力稱為不平衡力， 以Ft表示。

影響調節閥不平衡力的因素很多， 例如閥的結構形式、口徑、流體物理狀態。如果工藝介質及調節閥都已確定， 不平衡力主要與閥前壓力和閥前后壓差有關， 也與流體與閥芯的相對流向有關。當流體流向不同時， 閥芯所受的不平衡力相同。對于直通單座閥、角型閥， 其不平衡力計算公式：

Ft=π/4×（ dN2ΔP+dS2）。（4）

式中：Ft為不平衡力（N）；dN為閥芯直徑（m）；dS為閥桿直徑（m）；ΔP為閥前后差壓（Pa），ΔP= P1 P2，P1為閥前壓力（Pa），P2為閥后壓力（Pa）。由式（4）可以看出， Ft始終為正值， 閥桿處于受壓狀態。dN、ΔP和P2越大， 則不平衡力Ft越大。高壓差、高靜壓， 大口徑的單座閥不平衡力Ft也較大。閥芯在全關位置時， 不平衡力Ft最大， 隨著閥芯開啟而逐漸變小 由于中間位置動壓難以用公式表示， 在計算調節閥不平衡力時， 主要根據全關和全差壓狀態下時來確定。

2.4 高旁減壓閥不平衡力及執行器輸出力計算

博普羅伊特高旁閥芯直徑80 mm，閥桿直徑32 mm，閥門前后最大壓差6.699 MPa。根據式（4）計算得出高壓旁路減壓閥的不平衡力約等于為34158 N。

高壓旁路執行器制造商STI公司提供的SC/V 320執行器有效面積794 cm2，氣缸在0.5 MPa壓縮空氣作用下，執行器輸出力為39700 N。執行器輸出力于減壓閥不平衡力之比為1.16（國內通常采用1.4倍來選用執行器）。如F/Ft之比過大則很可能造成閥桿斷裂的可能。

2.5 結果分析

根據2.3項計算結果表明，高壓旁路旁減壓閥是能夠在設計工況下滿足正常的啟閉。但結合發生的故障現象，只有當執行機構輸出力F小于調節閥的不平衡力Ft時， 才能造成調節閥開不出或隨著閥前后差壓的增大而逐漸朝關閉方向移動。

當高壓旁路減壓閥發生自關后，運行人員通過強制快開的方法（儀用壓縮空氣0.6 MPa加載至執行器下氣缸，上氣缸全排空），將高壓旁路強制至全開狀態。這表明高壓旁路減壓閥內部閥桿、閥芯與閥座之間不存在卡澀的問題。

根據高旁減壓閥出現的故障現象，分析認為引起高旁減壓閥冷態動作正常，但在高差壓工況下，高壓旁路自關或不能升程開啟的原因是：高壓旁路減壓閥所配套TZIDC智能定位以及流量增速器的輸出氣容量或者壓力不足，造成執行器上下腔室凈差壓小于0.5 MPa（雙作用無彈簧活塞式），導致執行器輸出力的大幅下降，不能克服高旁減壓閥的不平衡力。

3 解決方案

根據高壓旁路減壓閥異常情況的結果分析，最可行的方案是：提升智能定位器的輸出氣容量，解決執行器輸出力不足。由博普羅依特公司將TZIDC定位器更換為一款大流量高精度的智能定位器，來解決目前高旁存在的故障的方案的可行。

3.1 定位器選型

對比STI公司FT定位器以及查閱ABB公司TZIDC定位器相關選型資料TZIDC智能定位器的最大氣流量為10 Nm3/h（6 bar），而FT智能定位器最大能達到180 Nm3/h（6 bar），在實際應用中，FT智能定位器可通過PC機數據線TTL232或者HART手操器的連接來實現定位器自調整，在PC機的操作畫面中，可以得知各種系統參數，如開度指令、傳感器位置、當前輸入工作氣源壓力和定位器輸出氣口間差壓等豐富的實際值參數。

3.2 定位器功能

借助FT智能定位器氣容量大、執行器體積以及外圍流量放大器的可選擇性等特點，可以擺脫定位器自身由于流量不足而對氣動流量放大器的依賴，因此決定將原高旁氣路實現簡化設計。取消VB1、VB2流量放大器的使用，保留原高壓旁路減壓閥快開、快關、低氣壓自鎖功能。

4 調試期間遇到的問題

智能氣動定位禁止將+24VDC直接接入指令端子。定位器對連接電源規范要求是二線制輸入（最小3.5 mA，12～30 V DC）。在#2機調試發生了高壓旁路減壓閥門冷態正常，但熱態閥門只能開啟到25%的情況，經現場檢查發現DCS卡件輸出容量不足，導致接入定位器后，指令電壓下跌至9V，超出了定位器正常電源電壓范圍，后經更換DCS的輸出卡件解決了該問題。

5 結語

目前該3套燃氣聯合循環機組高壓旁路控制閥智能定位器的改造已全部結束，不需要人工干預。故障狀態下的快開功能滿足技術要求，從而保證了機組運行的安全性和經濟性。

參考文獻：

[1]FT智能定位器產品使用操作手冊[M].

[2]ABB TZIDC智能定位器操作使用手冊[M].

[3]任志城，楊俊輝.氣動薄膜執行機構輸出力不足的分析[J].大氮肥，2010，33（1）：2931.

作者簡介：王紅，男，技師，華電江蘇能源有限公司句容發電廠設備部黨支部書記兼副主任。