汽轮机高排逆止阀改造与控制优化

杨震力

（神华国华（舟山）发电有限责任公司，浙江舟山316012）

汽轮机高排逆止阀改造与控制优化

杨震力

（神华国华（舟山）发电有限责任公司，浙江舟山316012）

某发电厂高排逆止阀采用单气缸双杠杆重锤式逆止阀，高压缸启动及带小负荷过程中高排逆止阀频繁摆动。通过原因分析，改造了阀门本体，使阀瓣与轴直接连接，取消了空气引导阀等，并优化了相应逻辑，解决了阀门摆动的问题。

高排逆止门；重锤式；高排通风阀；高压旁路；汽机启动方式

0 引言

汽轮机高压排汽逆止阀是保护汽轮发电机组的专用快速关闭阀门，是为了防止汽轮机组在突然甩负荷时汽轮机内的压力突然降低，再热器冷段蒸汽或者带水蒸汽倒流进入汽轮机内；以及用于汽轮机启动方式的配合，如高压缸启动、高中压联合启动、中压缸启动。神华国华（舟山）发电有限责任公司（以下简称舟山发电厂）3号机组300 MW亚临界机组采用高压缸启动方式，在启动过程及带小负荷阶段中，高排逆止阀频繁摆动，并伴有金属撞击声，给设备带来了安全风险，临时解决的方案是采用绳子拉住高排逆止阀的杠杆，防止阀瓣回关。为彻底解决此隐患，舟山发电厂组织上海汽轮机厂、阀门生产厂家共同研究，最终解决了小开度下阀板稳定性不佳的问题。现把改造方案及高排逆止阀的逻辑优化介绍如下。

1 系统简介

舟山发电厂3号机组汽轮机型号为N300-16.7/537/537，是由上海汽轮机有限公司生产制造的300 MW、亚临界、一次中间再热式、高中压合缸、二缸二排汽、单轴、反动凝汽式汽轮机。汽轮机高低压旁路系统采用30%BMCR（锅炉最大出力工况）旁路，为启停简易旁路。高排逆止阀型号为32”CLASS 300。

2 高排逆止阀动作原理简介

高排逆止阀由上汽厂配套，采用带单气缸双杠杆重锤式逆止阀，如图1所示。

该阀门是一种自由摆动、重力关闭的止回阀，阀瓣由轴支撑并绕轴转动，两部分之间无直接连接。

当进口压力稍高于出口压力时，阀瓣会开启；当进口压力稍低于出口压力或回流发生时，阀瓣会关闭。该阀配备1个侧装气动执行机构，由电磁阀控制。电磁阀得电，气缸进气，关闭弹簧压缩，活塞杆向上运动位于伸出位置，解列阀瓣与执行机构之间的自锁，允许阀瓣自由摆动。电磁阀失电，排除气缸中的压缩空气，关闭弹簧使活塞和杠杆臂向下运动，从而使轴和阀门阀瓣朝关闭方向转动。气缸中的关闭弹簧提供的力较小，仅提供一个正向关闭力来加速阀门的关闭与关闭的严密性，而对任何较大的正向气流该关闭力矩将不会造成阀门的关闭。

3 高排逆止阀频繁摆动的原因分析

以高压缸启动方式（Bypass Off）为例，当锅炉满足汽轮机启动条件时，关闭高低压旁路，汽轮机挂闸，高排逆止阀电磁阀得电，阀板与执行机构之间的自锁解除，阀瓣处于自由状态。在冲转过程中，高压缸排汽流量很小，在小流量正向汽流的作用下，阀瓣小开度开启，阀瓣开启后高排压力下降，不足以克服阀瓣的重量，高排逆止阀关闭，关闭后汽流动压转换为静压，高排压力上升，重新冲开逆止阀，之后压力下降逆止阀又关闭，这个重复过程造成高排逆止阀频繁摆动，并伴随有很大的金属撞击声，严重时将损坏阀瓣[1]。

此种高排逆止阀存在的问题可总结如下：

（1）平板型阀瓣，在小流量流动情况下产生的阀瓣上下压差难以形成足够的提升力，因此在小开度下稳定性不佳。

（2）气动装置仅限于在开启阀门时解列阀瓣与执行机构之间的自锁，使阀瓣与轴一起可以自由活动，随之而来的是抗流动扰动性较差。

4 高排逆止阀的本体改造

阀门本体从3个方面进行改进：

（1）阀瓣与轴直接连接，阀瓣可受轴的控制。

（2）将原先阀瓣与执行机构之间的气动自锁动作更换成阀瓣与执行机构的同步动作，如图2所示。

（3）取消空气引导阀，电磁阀直接与压缩空气母管相连，气缸改为双向进气控制，设置2只开电磁阀，1只关电磁阀，控制原理如图3所示。

改进后的高排逆止阀采用双向气缸助力式驱动装置，开启力矩比原执行机构大得多，开启力矩按阀瓣全开时需要克服阀板拐臂重量及摩擦阻力矩之和乘以安全系数来确定；阀瓣关闭时，执行机构力矩和阀瓣拐臂重量共同关闭阀门，比原执行机构的力矩大得多，增加了阀门关闭的严密性与抗扰性。

完善后的高排逆止阀控制逻辑使高排逆止阀有3种状态：

（1）助力关闭。20-1/HPNRV失电，20-2/HPNRV通电，气缸产生关闭助力。

（2）助力打开。20-1/HPNRV通电，20-2/HPNRV失电，气缸产生开启助力。

（3）自由状态。20-1/HPNRV，20-2/HPNRV均失电，高排逆止阀无助力，阀瓣处于自由摆动状态。电磁控制原理图如图3所示。

5 高排逆止阀的控制优化

图4为汽轮机系统图，高压缸排汽出口接有2个阀门，一是高排逆止阀，另一个是高排通风阀，这2个阀门是一对关联的阀门，当高排通风阀打开时，高排逆止阀则关闭；高排通风阀排关闭时，高排逆止阀则打开。这2个阀门的逻辑关系与汽轮机启动方式紧密相关。预热阀用于中压缸启动机组而设置的设备，对其他的启动方式不是必需的，为便于对高压缸启动、高中压缸联合启动、中压缸启动的3种启动方式的控制说明，图4中加入了预热阀。

图1 原配套高排逆止阀结构示意

图2 完善气动执行机构

图3 高排逆止阀电磁阀原理图

5.1 高排逆止阀改进前控制说明

原设计高排逆止阀等同于其他抽汽逆止阀，主要由于防止汽轮机超速，故电磁阀与空气引导阀串联。空气引导阀是抽汽逆止阀与EH（高压抗燃油）系统之间的一个接口，用于控制抽汽逆止阀压缩空气气源。空气引导阀的开启依靠OPC（汽轮机超速保护）油压，关闭依靠弹簧。机组正常运行时，OPC油压将空气引导阀开启，使压缩空气经空气引导阀送到所有抽汽逆止阀前的电磁阀，DCS（分散控制系统）可以控制抽汽逆止阀上电磁阀开启或关闭，从而解锁（开启）气缸与摇臂的自锁，逆止阀处于自由状态；当OPC油压泄去时（表示机组处于超速控制状态或跳机状态），空气引导阀依靠弹簧力关闭，隔断压缩空气气源，同时打开排大气口，使抽汽逆止阀端压缩空气管道的余气排掉，不管此时DCS的指令如何，均无条件地将所有抽汽逆止阀助力关闭。

图4 汽轮机系统

当OPC油压正常时，由电磁阀控制逆止阀解锁开与关，因3号机DEH（汽轮机数字电液控制系统）只设计了一种高压缸启动方式，高排逆止阀相关逻辑如下所示。

（1）联锁开（与）：两侧主汽门均不在关位；高旁已关。

（2）保护关（或）：主汽门关闭（两侧主汽门二取一）延时1 s，2 s脉冲；主变220 kV开关跳位（三取二），2 s脉冲；OPC动作。

（3）自动开：OPC动作恢复。

这里所述的“开”指的是解列阀瓣与执行机构之间的自锁，只有在正向汽流下才能打开逆止阀；这里的关指的是加快逆止阀关的过程，及关闭严密性。

5.2 高排逆止阀改进后控制优化说明

高排逆止阀不同于其他抽汽逆止阀，在甩负荷时，冷再管中的蒸汽从高压缸排汽端倒入汽轮机，此时汽轮机是做负功，其热力过程是压缩过程，在此过程中，转速下降，不易引起超速[5]。高排逆止阀设置的作用更多是配合启动方式与防止冷凝水进入高压缸。

故本次改进如4节中所述之外，取消了空气引导阀，电磁阀的压缩空气管路直接与压缩空气母管相联。由DCS控制电磁阀来达到各种控制功能，OPC动作时不触发关闭高排逆止阀。现结合不同的启动方式向读者介绍控制优化说明。

5.2.1 高压缸启动方式（Bypass Off）

采用高压缸启动方式时，在汽轮机挂闸前高排通风阀可根据需要，由运行人员打开，使高压缸与凝汽器同时达到真空，加快高压缸真空的形成。汽轮机准备冲转、挂闸前应将高排通风阀关闭。高压缸启动方式中通风阀始终是关闭的，启动阶段由于高压缸进汽压力小、流量低，高排压力与流量都较小，为了保证高压缸排汽总有通路，要求高压旁路必须是关闭的，否则冷再压力大于高排压力，高排无通路。

高排逆止阀助力电磁阀有手动和自动2种控制方式：

1）手动方式。

在下列二个条件同时成立时，只有按动“手动”键钮，就能进入手动方式：

（1）汽轮机尚未挂闸。

（2）高压旁路尚未投入。

一旦进入手动方式，阀门就会处于开启状态。此时可通过“关阀门”键或“开阀门”键，对阀门进行关、开试验。由于此时汽轮机还未进汽，高压旁路尚未开启，阀门的开、关试验对汽轮机不会造成影响。阀门开、关试验的目的仅在于检查其动作的正确性和灵活性。

2）自动方式。

汽轮机挂闸后，此阀门的状态就由逻辑来决定，手动不能干预。阀门有3种状态：助力关闭、助力开启、自由状态

（1）助力关闭。

在冲转阶段，高压旁路应该是关闭的，若某种原因高压旁路打开，冷再热压力要大于高压缸排汽压力，为防止倒流，高排逆止阀根据逻辑应进入助力关闭状态，但这是一种不正常现象，为使高压缸方式启动继续进行下去，必须及时纠正，将高旁关闭。

（2）助力开启。

采用高压缸启动方式时，高压旁路必须关闭，否则会引起转速控制失灵，及高压排汽无通路。汽轮机挂闸后，通风阀关闭，高排逆止阀助力开启。此时高排流量小，压力低、助力全开能保证阀门的稳定性，并能减小阻力。

并网后，负荷小于30%额定负荷过程中，高排流量、压力都较小，助力全开能保证阀门的稳定性。

（3）自由状态。

当负荷大于30%额定负荷时，高压缸排汽已经有稳定的大流量，正向气流足以克服阀辨的重量，此时将高排逆止阀处于“自由状态”有更多的积极作用。高压旁路的意外开启，处于“自由状态”的高排逆止阀更能发挥保护作用，防止高压缸倒流入含水的蒸汽。

根据以上逻辑可知，当发电机主开关跳闸时，发电机甩负荷到“0”，高排逆止阀是否关闭决定于旁路是否打开，否则仍处于助力打开状态。

甩负荷相当于又进入启动阶段，高压缸启动方式下是不带旁路运行的方式，中调门经几次关闭与开启后，再热系统中的余汽消失殆尽，中调门打开，高调门控制汽轮机至额定转速。在整个过程中只要旁路不打开，高排逆止阀始终处于助力全开状态。

5.2.2 高、中压缸联合启动方式（Bypass On）

此方式是指启动时蒸汽同时经过高、中压缸冲转[2]，需旁路配合的一种启动方式。高排通风阀应配合旁路装置，在未并列前一直处于开启位置。此时高排压力小，只有全开高排通风阀才能保证高压缸排汽有通路。

（1）助力关闭。

高、中压缸联合启动方式，是带旁路的运行方式，旁路这一过程持续到30%～35%额定负荷，高低压旁路阀门全关为止。

在未并网前，通风阀打开，高压缸排气压力接近真空值，冷再热压力大于高排压力，此时高排逆止阀在助力作用下关闭，更有助于关闭的严密性。

（2）助力开启。

高排通风阀在发电机并网后延时60 s关闭，为保证高排蒸汽始终有通路，并网延时60 s后，在发出助力打开高排逆止阀信号的同时，发出高排通风阀关闭信号，以助汽轮机运行的安全。同样小负荷阶段，助力全开能保证阀门的稳定性，减小阻力。

（3）自由状态。

该逻辑与高压缸启动方式相同。当负荷大于30%额定功率，高排逆止阀进入无助力的自由状态，此时高低压旁路阀门全关，启动方式从Bypass On自动（或手动）转换为Bypass Off，中压调门全开，不参与控制，此启动方式切换是必要的操作，实际运行中，如果保留在Bypass On模式下，中调门将参与调节，对汽轮机安全运行及节能不利[3]。

如果高旁因保护或意外开启，高排逆止阀将受逆向汽流作用暂时自行关闭，防止发生高压缸倒流的危险。在高旁返回关闭状态后，高排逆止阀在正向汽流的作用下，会再次开启。

在发电机主开关跳闸时，相当汽轮机又返回到高、中压缸联合启动方式，此时高低压旁路控压回收工质，高、中调门关闭，高排通风阀打开，高排逆止阀在助力作用下关闭。经过一定时间以后，转速下降到给定值以下，此时，允许高、中压调门慢慢打开，中调门开至“IV/TV向TV”切换转速的记忆开度，由高调门维持机组额定转速。

5.2.3 中压缸启动方式

中压缸启动时，冲转前预先倒暖高压缸，确定汽轮机跳闸，高、中压调门关闭，高排逆止阀、高排通风阀关闭，开启与高排通风阀并联的暖缸阀。高压缸预暖结束，高排通风阀打开使高压缸处于真空状态[4]，高排逆止阀仍助力关闭。

高压缸和调节阀阀壳预暖结束，当再热蒸汽达到冲转参数后，逐渐开启再热调节阀使中压缸进汽，控制汽轮机冲转、升速、并网、带负荷。在此过程中，高调门、高排逆止阀关闭，高排通风阀打开。

当再热调节阀接近全开时，负荷已达切缸负荷，高调门开启，使高压缸进汽，高排逆止阀助力打开，高排通风阀关闭。同时高旁连锁快关，高旁关闭后，联锁低旁关闭，切缸结束，汽轮机的运行状态由中压缸进汽控制切换为高压缸进汽控制。

5.3 改进后的应用逻辑

舟山发电厂3号机DCS采用南京科远公司生产的NT6000系统，DEH与DCS采用一体化结构。只有高压缸启动方式。控制说明如下所示。

下列条件均满足的情况下，电磁阀通电状态仅决定于高压旁路投入与否：

（1）汽轮机已挂闸。

（2）发电机输出功率≤30%额定功率。

（3）冷再热压力≤1 MPa。

此时，如高压旁路投入，则20-1/HPNRV失电，20-2/HPNRV通电，气缸产生关闭助力；如高压旁路切除，则20-1/HPNRV通电，20-2/HPNRV失电，气缸产生开启助力。

上列3个条件，只要有1个不成立，则20-1/HPNRV，20-2/HPNRV均失电，高排逆止阀无助力，阀板处于自由摆动状态。详细的组态图如5所示。

6 结语

通过高排逆止阀阀瓣与轴直接连接，并采用适合于高压缸启动方式的逻辑，解决了舟山发电厂3号机组启动阶段及带负荷阶段高排逆止阀频繁摆动的现象。保留原自由摆动式阀门的优点，对保证机组的安全运行具有一定的意义。

在提供不同启动方式下，对高排逆止阀及高排通风阀的控制逻辑进行优化研究，能供同行借鉴。由于汽轮机系统设计的不同，相应的逻辑应结合系统、设备、启动方式、高/低压旁路的特性来细化每条逻辑，以达到控制的合理与可靠性。

图5 高排逆止门控制组态

[1]袁晓君，刘文韬，黄国华.启动中高排逆止阀频繁摆动的分析与处理[J].山东工业技术，2014（7）∶68－68.

[2]周菁，段学友.汽轮机组启动方式特点研究与探讨[J].电站系统工程，2009，25（6）∶34－36.

[3]司派友.超临界汽轮机高中压缸联合启动[J].华北电力技术，2007（6）∶4－15.

[4]高清林.引进型600 MW超临界汽轮机中压缸启动探析[J].热力透平，2010，39（3）∶202－205.

[5]旷仲和.带高压一级旁路的1 000 MW汽轮机设高排逆止门的布置改进.热力透平，2007，36（4）∶212－260.

[6]库勤锋，王炳坤.不同温度下高排逆止阀内部流场的对比分析[J].化工技术与开发，2016（9）∶56-58.

[7]王异成，张宝，吴瑞康.通过汽轮机配汽方式的改造提高火力发电机组的运行经济性[J].浙江电力，2016，35（3）∶22-27.

[8]张宝，樊印龙，顾正皓.合理确定汽轮机调节阀开关时间的标准[J].浙江电力，2015，34（9）∶43-45.

[9]胡洲，吴文健，樊印龙，等.主汽阀故障造成汽轮机单侧进汽的判断与分析[J].浙江电力，2015，34（9）∶50-52.

[10]陈力，李想，魏雪，等.超（超）临界火电机组高排逆止阀的设计[J].阀门，2015（1）∶1-2.

[11]徐兴华，杨雪华，吴辉.超（超）临界火电机组用高排逆止阀的研制[J].通用机械，2014（1）∶66-68.

[12]陈志雄.双头螺栓对接焊在高排逆止阀抢修中的应用实例[J].福建电力与电工，2002（2）∶33-35.

（本文编辑：陆莹）

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

杨震力（1968），男，高级工程师，研究方向为热工系统的可靠性、防雷接地、测量系统屏蔽抗技术及热工控制技术。