汽輪機調(diào)節(jié)汽閥抖動原因分析及處理

張仁水 ZHANG Ren-shui

（中廣核核電運營有限公司，深圳 518120）

0 引言

A 核電廠汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過進(jìn)汽閥對機組進(jìn)行功率、頻率、壓力和應(yīng)力控制，并對機組的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速實施超速、超加速、負(fù)荷速降和蒸汽需求限制，使機組安全和經(jīng)濟(jì)地運行于各種工況，滿足供電的頻率和功率要求。機組在經(jīng)過某次大修并網(wǎng)后，在200MW 低功率平臺運行時發(fā)現(xiàn)2 號高壓調(diào)節(jié)汽閥油動機活塞及定位器抖動明顯，其他3臺高壓調(diào)節(jié)汽閥較為穩(wěn)定。機組在640MW 功率平臺時發(fā)現(xiàn)功率波動，幅度達(dá)到6~7MW。電廠曾多次出現(xiàn)閥門開度抖動的情況，本文針對閥門開度抖動的原因和處理措施進(jìn)行了分析。

1 系統(tǒng)和設(shè)備工作原理

1.1 汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理

汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)在自動調(diào)節(jié)狀態(tài)時，上位機將操作員設(shè)定的目標(biāo)負(fù)荷與實際測得的負(fù)荷進(jìn)行不斷比較形成負(fù)荷偏差，并以蒸汽需求量SD 增量值的形式輸出到下位機。下位機結(jié)合增量限制、超速限制、超加速限制、操作員設(shè)置的SD 最大值限制等進(jìn)行閥門開度計算，并將計算值對照刻度時生成的電流與閥位對照表輸出相應(yīng)的電流信號，包含18%高頻交流分量的電流信號傳送到定位器伺服閥，控制汽輪機進(jìn)汽閥門動作。汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理如圖1 所示。

圖1 汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理

1.2 汽輪機高壓調(diào)節(jié)汽閥工作原理

汽輪機高壓調(diào)節(jié)汽閥由驅(qū)動機構(gòu)控制，驅(qū)動機構(gòu)由柱形體組件、集管塊、重型復(fù)位彈簧和油動機組成，通過油動機內(nèi)部油壓克服彈簧力開啟閥門，失去動力油時依靠彈簧力使閥門關(guān)閉，工作原理如圖2 所示。圖中所示的定位活塞根據(jù)電液伺服閥的信號上、下移動，從而帶動先導(dǎo)活塞上、下移動。定位活塞位置決定油動機活塞位置即汽輪機進(jìn)汽閥門的開度。當(dāng)開度信號增加時定位活塞上移使先導(dǎo)活塞上移，錯油門下口開啟，動力油經(jīng)節(jié)流孔板、錯油門下口流入油動機活塞右腔，使其壓力逐漸增加。油動機活塞克服彈簧力逐漸向左移動，開大閥門。隨著油動機活塞左移，反饋連桿機構(gòu)使先導(dǎo)活塞向下移動，防止錯油門過開并維持在所需開度。信號減少的過程與上述相反。

圖2 汽輪機高壓調(diào)節(jié)汽閥工作原理

1.3 定位器工作原理

定位器主要由伺服閥、定位活塞及其閥體、位移傳感器等組成。其核心部件電液伺服閥是汽輪機調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)與閥門操作機構(gòu)液力系統(tǒng)接口轉(zhuǎn)換的一個專門機構(gòu)。它將微機調(diào)節(jié)器的電信號換為液力信號，使閥門定位器的定位活塞上、下移動。電液伺服閥由扭矩電動機、噴嘴檔板等組成，如圖3 所示。扭矩電動機根據(jù)汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)微機調(diào)節(jié)器的電信號改變檔板位置，使噴嘴背壓變化，引起伺服閥閥芯移動。當(dāng)信號增加時，檔板向右擺，靠近右噴嘴，閥芯右腔壓力大于左腔壓力，使閥芯左移。動力油經(jīng)錯油門a 流向定位活塞下腔，定位活塞上腔的油經(jīng)錯油門b 排出。隨著定位活塞的上移，機械反饋連桿使調(diào)整磁鐵轉(zhuǎn)動，使檔板向左擺。這個過程一直進(jìn)行下去直到檔板恢復(fù)到中間位置為止，此時閥芯兩側(cè)壓力相等，錯油門a、b 均被關(guān)閉。過程結(jié)束以后，定位活塞已相對原來位置上移到一個與現(xiàn)有信號相對應(yīng)的位置。定位活塞位置通過線性可變差動變壓器（LVDT）反饋給閥門模塊，對閥位進(jìn)行校正。

2 閥門開度抖動原因分析

根據(jù)汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理圖，影響閥門開度抖動的因素可以歸納為以下三個方面：

上位機與下位機的控制信號波動包括SD 蒸汽需求波動、閥門模塊故障等。

閥門本體方面包括閥桿/反饋連桿/活塞部件卡澀、油路濾網(wǎng)堵塞、油質(zhì)問題等。

定位器方面包括定位器本體、伺服閥、反饋機構(gòu)（LVDT）等。

2.1 上位機與下位機控制信號檢查

由機組操作員配合分別設(shè)置三種機組控制狀態(tài)：反應(yīng)堆控制棒自動、汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)上位機自動狀態(tài)；反應(yīng)堆控制棒自動、汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)上位機手動狀態(tài)；反應(yīng)堆控制棒手動、汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)上位機手動狀態(tài)。在三種狀態(tài)下通過現(xiàn)場安裝的百分表觀察閥門定位器及閥桿抖動依然存在，幅度與頻率沒有明顯差異。

通過下位機閥門模塊將輸出信號設(shè)置為一個固定值，保持閥門在一個固定開度，定位器與閥門開度依然抖動。將其他工作正常的閥門模塊安裝至2 號高壓調(diào)節(jié)汽閥，定位器與閥門開度抖動幅度與頻率也沒有改善。

通過以上檢查確認(rèn)閥位抖動與SD 蒸汽需求波動無關(guān)，排除了閥門上游控制信號或者閥門模塊異常的因素。

2.2 閥門本體和定位器檢查

大修中對閥門本體進(jìn)行了預(yù)防性檢查，閥門特性試驗和閥門訓(xùn)練過程中也沒有異常。機組并網(wǎng)后升功率到200MW 前閥位沒有異常波動。檢查閥桿、反饋桿等機械部分，沒有發(fā)現(xiàn)卡澀情況，動靜部件表面也沒有拉痕等磨損現(xiàn)象。對主油箱取樣分析油質(zhì)正常。LVDT 線圈電阻穩(wěn)定無波動。

檢測發(fā)現(xiàn)伺服閥馬達(dá)線圈電阻在沒有供油時相對穩(wěn)定，在供油狀態(tài)下存在波動。將正常工作的2 號高壓主汽閥定位器與2 號高壓調(diào)節(jié)汽閥定位器對調(diào)安裝試驗，結(jié)果2 號高壓主汽閥定位器與閥位出現(xiàn)抖動，而2 號高壓調(diào)節(jié)汽閥定位器與閥位則恢復(fù)正常。

檢查結(jié)果表明閥門本體功能正常，2 號高壓調(diào)節(jié)汽閥定位器組件存在異常，伺服閥線圈電阻在充油后發(fā)生波動可能是溫度、磁場變化引起，正常不應(yīng)波動。閥門開度抖動的原因是伺服閥輸出不穩(wěn)定引起的定位器抖動。最終通過更換定位器消除故障。（表1）

表1 定位器對換試驗檢測的伺服閥線圈電阻數(shù)據(jù)

2.3 定位器抖動原因

液壓元件的運動副中有很多環(huán)形縫隙，這些縫隙一般都充滿油液。正常情況下，移動閥芯時只需克服較小的粘性摩擦力。但在中、高壓系統(tǒng)中，當(dāng)閥芯停止移動一段時間后，這個阻力可以增大到數(shù)百牛頓，僅依靠電磁力無法推動閥芯，出現(xiàn)液壓卡緊的情況，就像“卡死了”一樣。液壓卡緊的原因可能是油溫升高導(dǎo)致閥芯膨脹，也可能是徑向力不平衡導(dǎo)致閥芯偏心緊貼閥體產(chǎn)生很大的摩擦力，雜質(zhì)進(jìn)入配合間隙會加劇這種現(xiàn)象。

系統(tǒng)設(shè)計對定位器快速響應(yīng)要求較高，因此采用在控制信號中增加高頻交流信號和在伺服閥閥芯上設(shè)計坡口等方式強迫閥芯高頻擾動，閥芯時刻處于懸浮狀態(tài)的同時產(chǎn)生湍流減少亞微米顆粒物附著，避免液壓卡緊。這種設(shè)計會導(dǎo)致定位器抖動，當(dāng)抖動超出一定范圍就會影響閥門正常工作。定位器廠家試驗臺抖動標(biāo)準(zhǔn)為±0.025mm，但該標(biāo)準(zhǔn)過低不滿足核電廠功率穩(wěn)定要求。通過長期跟蹤當(dāng)定位器抖動≤0.01mm 時對汽輪機進(jìn)汽閥影響較小。

3 定位器抖動應(yīng)對措施

3.1 定位器試驗臺復(fù)現(xiàn)抖動現(xiàn)象

定位器廠家最初在測試時使用的控制信號沒有交流分量，將抖動定位器返廠檢查試驗性能無下降，各項參數(shù)均正常。模擬電廠實際情況按比例增加交流分量并通過改變溫度和壓力可以復(fù)現(xiàn)部分定位器抖動。

通過試驗發(fā)現(xiàn)定位器對溫度和壓力較為敏感。廠家定位器翻新程序要求油溫為40℃，油壓為14MPa。對比核電廠現(xiàn)場汽閥工作溫度可達(dá)到48~52℃，油壓為13.8MPa。部分定位器在40℃時特性穩(wěn)定，當(dāng)油溫升至45℃時出現(xiàn)明顯抖動。一些定位器在14MPa 壓力時穩(wěn)定性良好，試驗壓力降低后出現(xiàn)明顯抖動。

各部件的配合度會影響定位器性能。拆下伺服閥進(jìn)行單獨檢測，也發(fā)現(xiàn)在不同壓力、溫度條件下存在輸出壓力大幅波動的情況。不更換備件僅重新組裝后輸出壓力大幅波動時對應(yīng)的壓力、溫度也不相同。對所有液壓部件進(jìn)行更換后，伺服閥輸出壓力波動現(xiàn)象出現(xiàn)概率有明顯下降，判斷備件使用后因沖蝕、磨損、結(jié)垢等原因?qū)е缕焚|(zhì)出現(xiàn)下降。輸出壓力無明顯波動的伺服閥組裝到定位器油缸上后，也有抖動復(fù)現(xiàn)的情況。

伺服閥裝配程序中要求伺服閥在額定供油壓力下其擋板兩側(cè)噴嘴額定壓力為2.2~2.6MPa。通過試驗和分析發(fā)現(xiàn)，實際工作中由于系統(tǒng)壓力變化和伺服閥部件特性變化，伺服閥實際供油壓力不是額定值，運行中噴嘴壓力隨供油壓力變化。由于配件制造差異，兩側(cè)噴嘴壓力的線性區(qū)間不同，在某一供油壓力下兩側(cè)噴嘴壓力失去平衡即發(fā)生定位器抖動。通過調(diào)整噴嘴的壓力，能使其在供油壓力的變化范圍內(nèi)都處于線性區(qū)域，補償配件差異影響和運行后狀態(tài)的變化，提高定位器的工作效率和穩(wěn)定性。試驗結(jié)果表明噴嘴壓力在1.5~1.8MPa 時，可適應(yīng)的供油壓力范圍廣，動態(tài)穩(wěn)定性好。伺服閥裝配程序中要求通過打磨伺服閥閥芯坡口增加閥芯擾動提高定位器頻率響應(yīng)和階躍響應(yīng)能力。反之，減少打磨伺服閥閥芯坡口，降低閥芯擾動，可以降低定位器抖動。

3.2 定位器抖動驗收標(biāo)準(zhǔn)

定位器廠家以往標(biāo)準(zhǔn)不能滿足現(xiàn)場使用要求，電廠在保證定位器整體性能的基礎(chǔ)上增加了針對抖動的檢查標(biāo)準(zhǔn)：

伺服閥殼體表面溫度≥46℃；

充油后伺服閥線圈阻值波動量≤0.5Ω；

控制信號中增加18%顫振分量，使用百分表測量定位器油缸活塞抖動幅度≤0.01mm。

3.3 現(xiàn)場驗證情況

自2 號高壓調(diào)節(jié)汽閥出現(xiàn)故障后開始將伺服閥噴嘴壓力從2.2~2.6MPa 降低到1.5~1.6MPa。在定位器翻新過程中減少打磨伺服閥閥芯坡口，將定位器5%階躍響應(yīng)指標(biāo)從120ms 改為150ms 并僅作為參考標(biāo)準(zhǔn)。

日常機組運行期間跟蹤確認(rèn)定位器抖動現(xiàn)象消失，但在閥門帶負(fù)荷試驗期間出現(xiàn)定位器卡頓現(xiàn)象，分析原因為伺服閥長期運行后節(jié)流器、噴嘴、擋板、滑閥上會存在抗燃油老化產(chǎn)生的亞微米顆粒物聚集，伺服閥啟動油壓偏小，導(dǎo)致其克服雜質(zhì)阻力的能力減弱。將伺服閥噴嘴壓力恢復(fù)至2.2MPa 后，日常機組運行期間觀察到部分定位器抖動現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)。

3.4 定位器更換標(biāo)準(zhǔn)

為了及時發(fā)現(xiàn)異常避免定位器抖動影響機組功率穩(wěn)定，電廠制定了定位器監(jiān)視和更換標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)閥門指令閥位減去實際閥位（POSITIOM TRIM）超過10%，或者兩次帶負(fù)荷試驗后的偏差值變化量超過6%，需要加強關(guān)注。

當(dāng)POSITIOM TRIM 超過12%，則進(jìn)行閥門刻度，給閥門模塊重新建立其所對應(yīng)的閥門驅(qū)動電流與閥位的特性數(shù)據(jù)表。

當(dāng)POSITIOM TRIM 超過16%，則更換定位器。

跟蹤滿功率狀態(tài)下機組功率波動量為3~5MW，當(dāng)波動超過5MW 時調(diào)節(jié)系統(tǒng)無法補償定位器抖動帶來的功率變化，需要對抖動定位器進(jìn)行更換。

4 結(jié)束語

定位器在固定開度時，伺服閥閥芯處于中間位置，定位器上下油缸進(jìn)油量完全相等，實際工作中伺服閥閥芯在高頻擾動時會左右擺動，造成定位器上下油缸反復(fù)進(jìn)油，表現(xiàn)為定位器抖動。經(jīng)過實踐證明定位器抖動屬于設(shè)備固有特性，無法徹底消除。通過減少伺服閥閥芯坡口打磨量降低擾流量，可以有效改善定位器抖動情況。通過制定適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測和更換標(biāo)準(zhǔn)并及時干預(yù)，可以有效避免出現(xiàn)機組功率異常波動的情況。