汽動(dòng)給水泵調(diào)門(mén)反饋桿斷裂事故的分析與處理

鄭冬浩，柏元華，董勇衛(wèi)

（華能長(zhǎng)興電廠，浙江 長(zhǎng)興 313100）

0 引言

汽動(dòng)給水泵是火電廠汽水循環(huán)系統(tǒng)的重要輔機(jī)，超超臨界機(jī)組對(duì)給水系統(tǒng)可靠性的要求更加嚴(yán)格,尤其是汽動(dòng)給水泵單列運(yùn)行的機(jī)組，由于沒(méi)有備用給水泵，一旦給水泵停運(yùn)，將直接引起機(jī)組跳閘。調(diào)門(mén)反饋桿斷裂是較常見(jiàn)的給水泵系統(tǒng)熱控設(shè)備故障類型之一。

本文通過(guò)實(shí)際案例分析，探討給水泵運(yùn)行狀態(tài)下調(diào)門(mén)反饋桿斷裂的在線處理方法，提出后續(xù)改進(jìn)措施，為類似故障的檢修提供借鑒。

1 給水系統(tǒng)運(yùn)行情況

1.1 給水系統(tǒng)控制方式

某發(fā)電廠2×660 MW機(jī)組給水系統(tǒng)采用單元制，每臺(tái)機(jī)組設(shè)置1臺(tái)100%容量汽動(dòng)給水泵，2臺(tái)機(jī)組共用1臺(tái)30%容量啟動(dòng)定速電動(dòng)給水泵。給水泵汽輪機(jī)配有自動(dòng)進(jìn)行切換汽源的機(jī)構(gòu)，在主機(jī)負(fù)荷變化到40%時(shí)（主機(jī)定壓運(yùn)行時(shí)），可自動(dòng)切換汽源，由高壓到低壓或低壓到高壓。切換過(guò)程中也允許高壓和低壓2種蒸汽同時(shí)作為給水泵汽輪機(jī)的工作汽源，工藝流程如圖1所示。給水泵汽輪機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的最低負(fù)荷要求為30%THA（熱耗率驗(yàn)收工況），不同工況下的主要參數(shù)如表1所示。

1.2 給水泵汽輪機(jī)調(diào)門(mén)控制系統(tǒng)

給水泵汽輪機(jī)調(diào)門(mén)控制系統(tǒng)由低壓調(diào)門(mén)和高壓調(diào)門(mén)2個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。系統(tǒng)接受來(lái)自控制系統(tǒng)或運(yùn)行人員手動(dòng)輸入的轉(zhuǎn)速控制指令，經(jīng)計(jì)算后將指令分別分配到高壓調(diào)門(mén)和低壓調(diào)門(mén)，以調(diào)節(jié)給水泵汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速自動(dòng)模式下，當(dāng)?shù)蛪赫{(diào)門(mén)控制指令小于74%時(shí)，高壓調(diào)門(mén)關(guān)閉，由低壓調(diào)門(mén)調(diào)節(jié)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速；當(dāng)?shù)蛪赫{(diào)門(mén)控制指令高于74%時(shí)，高壓調(diào)門(mén)逐漸開(kāi)啟，與低壓調(diào)門(mén)一起調(diào)節(jié)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，其控制邏輯如圖2所示。

圖1 給水泵系統(tǒng)工藝流程

MEH（給水泵汽輪機(jī)電液控制）系統(tǒng)采用艾默生Ovation 3.5系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)閥位定值模塊提供閉環(huán)閥位控制。如圖3所示，VP（閥位定值）卡發(fā)出輸出控制信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)液壓伺服閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)線圈，控制調(diào)門(mén)開(kāi)度的大小。使用從安裝在閥桿上的LVDT（線性可變差分變壓器）獲取的閥位測(cè)量結(jié)果閉合反饋回路。控制回路采用PI（比例-積分）調(diào)節(jié)模式。

2 故障現(xiàn)象及原因分析

2.1 故障概述

圖2 給水泵汽輪機(jī)調(diào)門(mén)控制邏輯

圖3 VP模塊控制閉環(huán)回路

表1 給泵汽輪機(jī)主要參數(shù)

某日，運(yùn)行人員在機(jī)組降負(fù)荷過(guò)程中發(fā)現(xiàn)給水泵汽輪機(jī)低壓調(diào)門(mén)開(kāi)度頻繁晃動(dòng)，引起給水泵汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速在5 200～5 700 r/min快速波動(dòng)，給水泵汽輪機(jī)失去控制，機(jī)組面臨被迫停運(yùn)。檢查后發(fā)現(xiàn)給水泵汽輪機(jī)低壓調(diào)門(mén)反饋桿斷裂，閥位反饋桿停留在64.372%位置。運(yùn)行人員立即撤出AGC（自動(dòng)發(fā)電控制）運(yùn)行方式，保持負(fù)荷不變。反饋桿斷裂前后各參數(shù)曲線如圖4所示。

圖4 反饋桿斷裂前后主要參數(shù)曲線

2.2 現(xiàn)象分析

反饋桿斷裂后，給水泵汽輪機(jī)低壓調(diào)門(mén)反饋信號(hào)停留在64.372%不變，其實(shí)際閥位的變化無(wú)法通過(guò)LVDT反饋到VP卡上，不能形成閉環(huán)控制。根據(jù)伺服閥的特性可知，當(dāng)調(diào)門(mén)指令大于64.372%時(shí)，閥門(mén)不斷開(kāi)大，直至全開(kāi)；當(dāng)調(diào)門(mén)指令小于64.372%時(shí)，閥門(mén)不斷關(guān)小，直至全關(guān)。由于給水泵汽輪機(jī)處于轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制狀態(tài)，在這種故障工況下，調(diào)門(mén)的動(dòng)作方向和速度只與實(shí)際轉(zhuǎn)速和設(shè)定值的偏差有關(guān)。在一定的轉(zhuǎn)速震蕩區(qū)間內(nèi)，可以近似地等效為一個(gè)純比例控制系統(tǒng)，因此系統(tǒng)無(wú)自動(dòng)消除穩(wěn)態(tài)偏差的能力，給水泵汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速始終在設(shè)定值附近震蕩。而由于當(dāng)時(shí)機(jī)組進(jìn)行了降負(fù)荷操作，給水泵汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定值下降，增加了系統(tǒng)的擾動(dòng)，導(dǎo)致給水泵汽輪機(jī)低壓調(diào)門(mén)的大幅晃動(dòng)。

3 方案制定與實(shí)施情況

3.1 異常情況預(yù)設(shè)

由于超超臨界機(jī)組沒(méi)有汽包結(jié)構(gòu)，鍋爐對(duì)給水流量的暫態(tài)要求非常嚴(yán)格，且該機(jī)組無(wú)備用給水泵，對(duì)給水泵汽輪機(jī)低壓調(diào)門(mén)反饋桿的檢修只能在給水泵運(yùn)行的狀態(tài)下進(jìn)行。由VP卡特性可知，只有使卡件收到的指令和反饋信號(hào)平衡，才能使給水泵汽輪機(jī)低壓調(diào)門(mén)停止晃動(dòng)，從而進(jìn)行下一步的檢修計(jì)劃。

在制定方案時(shí)，檢修人員預(yù)想了以下幾種在檢修中可能出現(xiàn)的異常情況：

（1）檢修中閥門(mén)突然全開(kāi)，進(jìn)汽量快速增加，有可能導(dǎo)致給水泵汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速突增，瞬間失速。

（2）檢修中閥門(mén)突然關(guān)閉，給水泵汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速突降，給水流量快速下降，有可能導(dǎo)致給水泵出口給水局部汽化，并觸發(fā)“給水流量低于531 t/h”保護(hù)動(dòng)作，機(jī)組停運(yùn)。

（3）在對(duì)調(diào)門(mén)指令信號(hào)進(jìn)行數(shù)值強(qiáng)制、手動(dòng)輸入指令數(shù)值等操作時(shí)，存在系統(tǒng)響應(yīng)延遲。因此，從操作人員輸入指令到調(diào)門(mén)實(shí)際響應(yīng)指令，有短暫的遲滯時(shí)間。由于閥門(mén)指令大幅快速波動(dòng)，在遲滯時(shí)間內(nèi)，無(wú)法有效控制其瞬間的動(dòng)作情況，可能會(huì)出現(xiàn)閥門(mén)快開(kāi)、快關(guān)或大幅波動(dòng)等情況。

（4）檢修過(guò)程中斷裂的反饋桿因現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)脫離當(dāng)前閥位，使閥門(mén)向未知狀態(tài)動(dòng)作。

3.2 方案制定

考慮到上述情況，制定以下措施：

（1）優(yōu)先實(shí)施對(duì)調(diào)門(mén)指令信號(hào)進(jìn)行數(shù)值強(qiáng)制的措施，令調(diào)門(mén)指令信號(hào)與卡件收到的反饋信號(hào)（64.372%）數(shù)值相等，從而使閥位穩(wěn)定，且這一過(guò)程中調(diào)門(mén)對(duì)給水泵汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的擾動(dòng)較小。

（2）若現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視人員發(fā)現(xiàn)閥門(mén)波動(dòng)幅度增加或反饋桿脫離原先位置，則立即解除指令數(shù)值強(qiáng)制，使調(diào)門(mén)全開(kāi)。

（3）閥位穩(wěn)定后，更換斷裂的反饋桿，解除數(shù)值強(qiáng)制，重新投入控制系統(tǒng)。

3.3 實(shí)施情況

將給水泵汽輪機(jī)低壓調(diào)門(mén)反饋信號(hào)切除掃描并強(qiáng)制為當(dāng)前值（64.372%），操作后各參數(shù)保持之前狀態(tài)，無(wú)異常變化。

將給水泵汽輪機(jī)低壓調(diào)門(mén)指令信號(hào)強(qiáng)制為64.372%，此時(shí)閥門(mén)開(kāi)始關(guān)小，給水泵前置泵入口流量和給水泵汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)始減小。隨后，給水泵汽輪機(jī)高壓調(diào)門(mén)逐漸開(kāi)大，低壓調(diào)門(mén)先開(kāi)后關(guān)，給水泵汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速下降速率減緩，給水泵前置泵入口流量出現(xiàn)先增加后降低的情況。

發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速下降后，立刻解除給水泵汽輪機(jī)低壓調(diào)門(mén)指令信號(hào)的數(shù)值強(qiáng)制。解除強(qiáng)制后，低壓調(diào)門(mén)快速開(kāi)啟，直至全開(kāi)。同時(shí)，由于給水泵前置泵入口流量低于400 t/h，汽泵給水再循環(huán)調(diào)節(jié)閥連鎖快開(kāi)，給水泵前置泵入口流量和給水泵汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)始回升，給水流量低至700 t/h后開(kāi)始回升。隨后工況逐漸穩(wěn)定，給水流量保持約2 000 t/h，給水泵汽機(jī)轉(zhuǎn)速保持4 840 r/min。

給水泵汽輪機(jī)低壓調(diào)閥全開(kāi)后，拆除脫落的反饋桿，用備件進(jìn)行回裝。回裝過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)檢修人員將反饋桿緩慢裝入線圈原先位置，同時(shí)保持與控制室通信，防止反饋信號(hào)高于指令信號(hào)，造成閥門(mén)關(guān)閉。控制室密切監(jiān)視LVDT反饋的電壓信號(hào)，并在反饋信號(hào)達(dá)到100%時(shí)通知現(xiàn)場(chǎng)人員反饋桿已到位。隨后現(xiàn)場(chǎng)檢修人員安裝緊固螺母，并檢查反饋桿受力情況，確認(rèn)正常后結(jié)束現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。

解除給水泵汽輪機(jī)低壓調(diào)門(mén)反饋信號(hào)的數(shù)值強(qiáng)制，低壓調(diào)門(mén)反饋信號(hào)由強(qiáng)制值64.372%恢復(fù)到實(shí)際值100%，系統(tǒng)各參數(shù)正常。給水泵汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)投入自動(dòng)模式，并逐步減小轉(zhuǎn)速設(shè)定值。隨著給水泵汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定值逐漸減小，高壓調(diào)門(mén)及汽泵給水再循環(huán)調(diào)節(jié)閥逐漸關(guān)小，直至全關(guān)，給水系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。實(shí)時(shí)趨勢(shì)如圖5所示。

圖5 反饋桿回裝前后參數(shù)曲線

4 動(dòng)態(tài)過(guò)程分析

如圖6、圖7所示，將給水泵汽輪機(jī)低壓調(diào)門(mén)指令信號(hào)強(qiáng)制為64.372%后，在系統(tǒng)延遲響應(yīng)的時(shí)間段內(nèi)，指令輸出信號(hào)保持在強(qiáng)制前的59.8%。由于指令小于反饋值，VP卡輸出關(guān)閥信號(hào)，閥門(mén)關(guān)小，給水泵前置泵入口流量和給水泵汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)始減小。系統(tǒng)延時(shí)結(jié)束之后，給水泵汽輪機(jī)低壓調(diào)門(mén)指令與反饋信號(hào)值都被強(qiáng)制為64.372%。此時(shí)閥位定值模塊中比例作用消失，但是由于之前偏差的積累，積分作用依然存在，且不斷變化，因此，閥門(mén)并沒(méi)有保持在當(dāng)前位置，在積分作用下，VP卡依然發(fā)出關(guān)閥指令。

圖6 指令強(qiáng)制前后參數(shù)曲線1

圖7 指令強(qiáng)制前后參數(shù)曲線2

與此同時(shí)，由于給水泵汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速不斷下降，調(diào)門(mén)自動(dòng)控制指令不斷上升。當(dāng)?shù)蛪赫{(diào)門(mén)指令超過(guò)74%時(shí)，給高壓調(diào)門(mén)開(kāi)始開(kāi)啟，高壓氣源開(kāi)始供汽。當(dāng)?shù)蛪赫{(diào)門(mén)指令達(dá)到100%時(shí)，高壓調(diào)門(mén)也開(kāi)至100%。因此，給水泵汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速下降趨勢(shì)減緩。

給水泵汽輪機(jī)低壓調(diào)門(mén)指令信號(hào)數(shù)值強(qiáng)制解除后，由于給水泵汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)輸入閥位定值模塊的指令信號(hào)為100%，LVDT輸入的反饋值為64.372%，VP卡輸出開(kāi)閥指令，給水泵汽輪機(jī)低壓調(diào)門(mén)快速開(kāi)啟，直至全開(kāi)。同時(shí)，由于給水泵前置泵入口流量低于400 t/h，汽泵給水再循環(huán)調(diào)節(jié)閥聯(lián)鎖快開(kāi)，給水泵前置泵入口流量和給水泵汽機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)始回升。

至此，給水泵汽機(jī)低壓調(diào)門(mén)穩(wěn)定在全開(kāi)位置，各工藝參數(shù)也恢復(fù)穩(wěn)定。

5 改進(jìn)措施

5.1 更改連接方式

原反饋桿連接件如圖8所示，閥門(mén)桿支架與LVDT使用橫向聯(lián)桿加萬(wàn)向節(jié)過(guò)度連接，橫向聯(lián)桿使用M5螺絲固定在支架上，此次斷裂原因?yàn)檫B接件橫向聯(lián)桿較細(xì)小，機(jī)械受力能力較弱，長(zhǎng)期受力導(dǎo)致金屬疲勞斷裂，LVDT反饋桿與調(diào)閥門(mén)桿平行度的變化也是受力增大原因之一。

圖8 原連接方式

針對(duì)此次事件，簡(jiǎn)化了閥桿與LVDT的連接方式，采用整體化連接件，減少連接環(huán)節(jié)，增加連接機(jī)械強(qiáng)度，并在反饋桿的固定螺母上涂抹螺紋緊固劑，以防止固定螺母松脫，改進(jìn)后的連接方式如圖9所示。

圖9 更改后連接方式

5.2 卡件冗余配置

機(jī)組設(shè)計(jì)為單汽動(dòng)給水泵，其安全性等同于主機(jī)，現(xiàn)使用單LVDT與單VP卡配置，存在安全隱患，考慮采用冗余配置的改造工作，避免因LVDT故障引起機(jī)組非停事件的發(fā)生。圖10為冗余配置的調(diào)門(mén)控制系統(tǒng)。

5.3 檢查平行度

利用機(jī)組檢修期間，檢查所有LVDT與調(diào)閥門(mén)桿的平行度，重點(diǎn)對(duì)解體檢修后的調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行檢查，預(yù)防受力不均引起的機(jī)械疲勞斷裂。

圖10 冗余配置的控制回路

6 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，在機(jī)組工況穩(wěn)定的情況下，將故障調(diào)門(mén)保持在全開(kāi)位置進(jìn)行反饋桿斷裂事故的檢修，是較為可行的方法。檢修的全過(guò)程應(yīng)考慮閥位定值模塊的動(dòng)作特性，以及指令反饋通道精度對(duì)模塊的影響，使閥門(mén)始終處于穩(wěn)定安全位置，防止檢修過(guò)程中閥門(mén)的誤動(dòng)。同時(shí)，在機(jī)組檢修階段，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)調(diào)門(mén)反饋桿平行度及受力情況的檢查，加固機(jī)械強(qiáng)度較低的連接件，對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及時(shí)進(jìn)行處理，預(yù)防類似事件的發(fā)生。