670 MW超临界机组切阀失败原因分析与处理

2017-06-15何冬辉叶振起丁永允

综合智慧能源 2017年5期

关键词：阀杆开度汽轮机

何冬辉，叶振起，丁永允

(辽宁东科电力有限公司，沈阳 110006)

670 MW超临界机组切阀失败原因分析与处理

何冬辉，叶振起，丁永允

(辽宁东科电力有限公司，沈阳 110006)

某电厂670 MW超临界机组启动阶段，汽轮机转速达2 900 r/min时高压主汽阀(TV)-高压调节汽阀(GV)切阀过程中TV无法全开，导致切阀失败。通过分析高中压缸联合启动转速和切阀控制逻辑，剖析主汽阀内部结构及动作原理，对比切阀前后参数并分析主汽阀开启时的受力，得出主蒸汽压力和再热蒸汽压力过低导致切阀失败的结论。提出在切阀前调整主蒸汽压力和再热蒸汽压力，尽可能减小GV开度，以降低阀前后差压，确保了切阀成功并缩短了切阀时间。

高中压缸联合启动；控制逻辑；高压主汽阀；高压调节汽阀；切阀；差压

0 引言

主汽阀卡涩在组启动或正常运行过程中时有发生，可能引起机组超速飞车的重大事故。高压主汽阀是保护汽轮发电机组安全运行的重要设备，它的作用是机组紧急停运或发生事故时，可在高压自动关闭器的操纵下迅速关闭，切断进入汽轮机的新蒸汽，防止机组超速[1]。

1 机组及设备介绍

1.1 设备概况

某电厂新投产的汽轮机系哈尔滨汽轮机厂制造的N670-24.2/566/566型超临界、单轴、一次中间再热、双缸双排汽、凝汽式汽轮机。控制系统采用汽轮机数字式电液控制 (DEH) 系统与ABB公司的I/A分散控制系统，旁路采用德国霍拉设备有限公司提供的容量为60%锅炉最大连续蒸发量(BMCR)及2×50% BMCR的高、低压二级串联旁路系统。机组采用高中压缸联合启动方式，设有12台油动机，分别控制2个高压主汽阀(TV)、4个高压调节汽阀(GV)、2个中压主汽阀(RSV)和4个中压调节汽阀(IV)。每个进汽阀门均有一个执行机构控制其开关，其中中压再热主汽阀执行机构为开关型两位式执行机构，其他执行机构为伺服型执行机构，通过电液转换器接受DEH系统的控制。

1.2 机组启动流程

机组默认的启动方式为高中压缸联合启动，在汽轮机启动升速过程中，GV和RSV全开，转速控制为TV-IV联合控制，保持全周进汽，以保证汽轮机温度分布比较均匀，有利于减小热应力；转速达到2 900 r/min后进行TV和GV的切换，由GV对汽轮机转速进行控制，直至定速、并网、带负荷，这样操作的目的是为了实现并网后机组负荷精确调节(即喷嘴调节)，减少节流损失和负荷摆动[2]。

(1)DEH自动选择带旁路的高中压缸联合启动方式，挂闸后，GV和RSV全开，TV和IV处于关闭状态。

(2)设定目标转速2 950 r/min，点击“进行”按钮后，在转速比例、积分、微分(PID)控制回路的作用下，由TV-IV控制升速，转速达到2 900 r/min时，手动选择进行TV到GV的切换。GV将以单阀方式由全开状态开始关小，当GV关至DEH计算的阀位时，表明GV已有节流能力，已经可以控制汽轮机转速，GV开始接受转速PID回路的控制指令，同时TV立即全开，由GV控制转速，TV到GV阀切换成功。

(3)设定同步转速3 000 r/min为目标转速，由GV控制转速至同步转速，并网。

2 切阀过程及现象

机组首次启动过程中，转速2 900 r/min时左右两侧TV开度为9%左右，4个GV处于全开状态。“TV-GV切阀”指令发出后，4个GV同时以设定速率逐渐关小，切阀过程如图1所示。当GV关至12%时，TV在伺服阀指令的作用下逐渐开启。当左右TV开度达19%左右时，开度不再随伺服阀指令的增加而增大，由于PID控制回路的作用，左右TV指令不断增大，最大达到了100%，而左右TV的开度始终保持在19%，TV-GV切阀指示消失，TV-GV切换失败。在此过程中，GV关至12%并一直保持，为维持转速，IV由15%逐渐关小至12%。表1为切阀前、后的参数对比。

图1 第1次切阀过程曲线

项目转速/(r·min-1)主蒸汽压力/MPa再热蒸汽压力/MPaTV指令/%TV反馈/%GV指令/%GV反馈/%IV指令/%IV反馈/%切阀前28995.610.529.069.07100.0099.2715.6015.46切阀后29005.540.5220.4019.6212.6012.0212.5012.53

该电厂与DEH厂家共同进行初步分析，怀疑是主汽阀卡涩。为排除这一原因，机组在挂闸状态下强制关闭GV，单独对左右两侧TV进行拉阀试验，结果两侧TV都能正常开启和关闭，不存在卡涩。随后汽轮机再次冲转，进行第2次切阀，切阀过程如图2所示，当GV关至12%时，TV缓慢开启至19%再也无法开启，重现了第1次切阀现象。

机组设计TV为控制型阀门，在汽轮机高中压缸联合启动升速过程中，转速2 900 r/min之前由TV-IV控制转速，TV-GV切换完成后，TV至全开，由GV-IV控制转速或负荷。

得出如下结论：在TV开度达到预启阀开度(19%) 后，只有在阀前后压差达到一定值后主汽阀才能开启。TV-GV切换开始后，GV 关闭, 在主汽阀前后压差达到一定的平衡值后，转速下降30 r/min，TV在伺服阀指令的作用下逐渐开启，阀切换成功。因此，保证一定的主汽阀前压力是切阀成功的关键因素之一。

3 切阀失败原因分析及处理

两次切阀失败有共同现象：(1)两次切阀GV都关至12%后保持不动；(2)两次切阀TV开度均保持在19%左右，左右TV几乎同时发生，且阀门并不存在卡涩现象。随后，再次组织了专业分析和探讨。

3.1 GV动作指令

经检查DEH逻辑，为了防止切阀过程中转速波动，“TV-GV切阀”指令发出后，GV开始以1%/s的速率缓慢关小，根据当前综合阀位指令折算出GV阀位指令，折算关系见表2。当GV关至折算值后，表明GV已有节流能力，TV逐渐开启至全开后，GV开始接受转速PID回路的控制指令，由GV控制转速，TV-GV切换成功。值得注意的是，两次切阀前综合阀位指令折算出来的GV阀位指令经计算都是12.6%，因此两次切阀时GV都关至12%后保持不动。

图2 第2次切阀过程曲线

表2 GV阀指令折算关系 %

3.2 主汽阀结构及动作原理

3.2.1 主汽阀结构

高压主汽阀的机械结构与其他调节性阀门有所不同：高压主汽阀阀蝶上钻有通孔，阀杆端部从孔中穿过；预启阀置于阀杆的端部，与阀杆连成一体，预启阀阀芯直接连接在主汽阀阀杆上；主汽阀油动机开始动作后，先开启预启阀，预启阀全开后主汽阀才在阀杆的带动下逐渐打开；作用在阀蝶上的进汽压力与两个压缩弹簧的弹簧力通过阀杆将阀碟紧压在阀座上，以保证其关闭的严密性；当阀杆动作要打开主汽阀时，预启阀先打开进少量蒸汽，使主汽阀前后压差减小，同时预热主汽阀后管道和高压调节汽阀阀壳。

预启阀的作用：主汽阀还未动作的时候，预启阀预先动作，打开后会有小流量蒸汽通过预启阀芯到达主汽阀，以降低主汽阀前后压差，有利于主汽阀的顺利开启，预启阀的通径较主汽阀小得多，在设计压力下预启阀大约可通过25%的额定蒸汽流量；预启阀的另一重要作用是在机组启动时控制转速和初负荷，起到调节的作用，便于用小流量蒸汽对汽轮机进行冲转并升速。

3.2.2 主汽阀动作原理

在汽轮机挂闸冲转、升速直到阀切换的整个过程中，汽轮机采用主汽阀控制(DEH中实现)，这时高压调节汽阀是全开的，汽轮机的转速由主汽阀控制，而此时控制汽轮机转速的实际上就是预启阀。因为汽轮机在冲转、升速直至3 000 r/min(空转)的过程中所需的蒸汽量很小，而高压主汽阀的阀芯截面要比高压调节汽阀大得多(即主汽阀通流能力大得多)，此时想直接用主汽阀进行升速并精确控制汽轮机转速是很难实现的。因此汽轮机设计中就将汽轮冲转、升速直至3 000 r/min这阶段的功能巧妙地与预启阀的设计融为一体。因为预启阀阀芯截面积很小(即通流能力小)，由这个小阀进行汽轮机转速控制就很容易实现。高压主汽阀设计时将预启阀全开时的通流能力设计为正好可以将汽轮机升速至3 000 r/min左右(与开机时的进汽参数有关)，因此，汽轮机冲转过程中，实际上主汽阀都是关闭的，全靠预启阀进行汽轮机升速控制。

两次切阀过程中，TV均开至19%左右后拒动，且左右TV同时拒动，但左右TV不可能同时发生卡涩。查阅主汽阀的设计图纸发现，预启阀的密封行程大约为17.7 mm，主汽阀的总行程大约为98.3 mm，当预启阀开至17.7 mm后，主汽阀在阀杆的带动下向上开启。经计算，预启阀行程占总行程的百分比为17.7÷98.3×100%=18%，与DEH指示相差大约1百分点，这说明预启阀全开后主汽阀仍处于全关位置。而1百分点的误差可能源于主汽阀与预启阀之间的行程或阀门的机械总行程(预启阀及主汽阀行程)发生了变化、DEH在安装调试过程中有微小的偏差以及阀杆在运行过程中不可避免的热膨胀导致DEH有小的偏差[3]，因此可以排除主汽阀卡涩原因。当时主汽阀阀杆在全关位置，由于阀前后差压过大导致主汽阀无法开启的可能性较大。

3.2.3 主汽阀受力分析

当预启阀处于全开位置且主汽阀处于关闭位置时，主汽阀受力如图3所示。

图3 主汽阀受力分析

建立主汽阀阀杆受力方程

(1)

(2)

式中：F为主汽阀阀杆受力；Fy为液压缸提升力；FT为主阀弹簧压力；pst为主蒸汽压力；p1为调节级压力；k为作用在主汽阀液压缸提升方向上的主蒸汽差压分量系数。

由式(1)可知，只有F大于零，即Fy>FT+k×(pst-p1)，主汽阀才能开启。

一般情况下，冲转过程中p1较小，而FT与TV开度成正比，阀位开度越大FT越大；在Fy一定的情况下，FT越小TV就越容易开启；而pst一方面决定了TV开度，另一方面对F有直接影响，即pst过大或过小使TV开度增大，均需提高Fy才能保证TV顺利开启，这也是机组冲转时要求满足一定主蒸汽压力的原因之一[4]。

3.3 处理策略

两次切阀过程中，TV开启到预启阀全开开度(19%)时，由于液压缸的提升力小于TV前后差压及弹簧力之和，TV无法继续开启，只能保持原有开度。只有当GV开度逐渐减小，TV前后蒸汽差压持续下降，最终使液压缸提升力Fy满足要求，TV开启。由以上分析可知，GV的关小指令是由综合阀位折算的，综合阀位越小GV对应的指令越小，而综合阀位由主蒸汽压力和再热蒸汽压力共同决定，因此，只有保证一定的主蒸汽压力和再热蒸汽压力，才能减小GV开度，降低TV前后差压，确保TV开启。随后，将主蒸汽压力提至8.2 MPa，再热蒸汽压力提至1.0 MPa后进行第3次切阀，切阀过程中保持参数稳定，顺利完成切阀，切阀过程如图4所示。