1 000 MW机组汽轮机高排通风阀可靠性分析及改进

刘 军

(广东粤电靖海发电有限公司，广东 揭阳 515223)

0 前言

某电厂1 000 MW超超临界机组汽轮机由东方汽轮机厂生产，汽轮机型式为超超临界、一次中间再热、单轴、四缸四排汽、双背压、凝汽式、八级回热抽汽，型号为N1000-25.0/600/600。汽轮机采用高压缸启动方式，在机组启动或停机时，主蒸汽通过一级大旁路经减压减温后进入凝汽器。高压缸排汽管道上没有设置逆止门，只在4号高压调门与高压缸进汽高压导汽管至凝汽器之间设置了1只高排通风阀(简称VV阀)，在汽轮机跳闸保护系统(ETS)中增加了VV阀故障跳闸保护。

1 VV阀简介

1.1 VV阀位置

VV阀现场安装在4号高调阀后与凝汽器之间的导汽管上，如图1所示，其主要作用是在汽轮机停机时该阀门开启，利用高压缸排汽来冷却高压缸的叶片。

在机组甩负荷时，冷段再热冗余汽倒流入高压缸，对整个高压通流进行充分冷却，防止汽轮机转子鼓风叶片超温，确保转子的安全运行，并最终经通风管路排入凝汽器。

为降低机组运行过程中VV阀前后管段的温度差，设置了节流孔板作为VV阀的旁路，可以达到暖管作用。

图1 VV阀布置示意

1.2 VV阀的控制原理

VV阀采用双气缸的气动执行机构，控制回路为单电磁阀控制回路，其控制原理如图2所示。电磁阀1YV采用110 V DC电源供电，电磁阀带电时，经减压过滤后的仪用压缩空气引至气锁阀D，将仪用压缩空气作为控制气引入上、下切换阀。当电磁阀1YV得电时，1，2控制气接通，气锁阀D也会接通，气锁阀D1的S，U接通，上气缸进气，气锁阀D2的S，U接通，下气缸排气，通风阀关闭。当电磁阀1YV失电时，1，3控制气接通，电磁阀1YV排气，气锁阀D失气，切断上、下切换阀的控制气，气锁阀D，D1，D2阀杆在弹簧的作用力下恢复原位，气锁阀D2的E，U接通，下气缸进气，气锁阀D1的E，U接通，上气缸排气，通风阀开启。储气罐T配合入口处的逆止阀CV使用，其作用相当于蓄能器。当控制气源自逆止阀CV进入储气罐T后，即便压缩空气失去，因逆止阀CV的作用，储气罐T内会保持压缩空气的压力不变。储气罐T气源引入下切换阀作为控制气缸的动力气源。

图2 VV阀控制原理

为了实现VV阀的控制功能，其控制逻辑主要设计有：

(1) 汽机跳闸，自动打开VV阀，其主要作用是快速排出高压缸的高温蒸汽，防止因高压缸超温导致高压转子叶片过热而损坏；

(2) 汽机挂闸，自动关闭VV阀，其主要作用是切断高温蒸汽直接排入凝汽器，保证机组正常运行的需要；

(3) 机组正常运行时，VV阀就地异常开启，机组跳闸，其主要作用是防止VV异常开启导致高温高压蒸汽直接排到凝汽器而损坏钛管；

（4）为了防止运行人员误操作，只设计VV阀的逻辑联锁功能，不提供VV阀的画面操作功能，以绝后患。

1.3 VV阀的保护逻辑

在ETS系统中设计有VV阀故障跳汽轮机保护功能，VV阀故障由DCS系统综合判断后发出送至ETS系统，最终输出跳闸信号。

VV阀故障停机逻辑原理如图3所示。

4个高压调节阀不在关位或者高压调节阀控制指令大于22 %时，VV阀无全关信号，发出“VV阀故障开”停机信号。

2 VV阀导致的异常停机

2.1 VV阀气缸控制气源接头断裂

2014-09-13T03：15，3号机组负荷700 MW，3号机组跳闸，跳闸首出为“VV阀故障开”。现场检查发现3号汽轮机VV阀就地控制气源至VV阀气缸的连接件(气锁阀与分气阀连接处)断裂，VV阀就地故障开启。更换接头后，VV阀开关正常。

2.2 VV阀控制电磁阀故障

2016-06-08T17：25，3号机组负荷700 MW，3号机组跳闸，跳闸首出为“VV阀故障开”。检查发现VV阀控制用电磁阀烧坏，导致VV阀就地故障开启，触发“VV阀故障开”跳闸逻辑，引起机组跳闸。更换电磁阀后VV阀开关正常。

由于在机组的ETS系统中引入了VV阀故障跳汽轮机保护的条件，VV阀作为一个单一的设备无法做到保护的冗余设置，因此如何提高VV阀运行的可靠性，以保障机组的安全运行是一个急需解决的问题。

3 VV阀的可靠性分析

原VV阀的控制管路及部件全部安装在阀体上部，采用不锈钢管硬连接方式。VV阀阀体前后分别为4号高压导汽管以及凝汽器，前后的压差大，导致管道及阀体振动大，阀体温度最高达到250 ℃。长期的高温环境及振动不利于热控设备的安全稳定运行。正常运行时，VV阀为失气开启，其气动控制回路中任何一个地方发生故障，均有可能造成气缸失气，VV故障开启。

图3 VV阀故障停机逻辑

2014-09-13，3号机组VV阀气源管接头断裂VV阀非正常开启，导致机组非正常停运。其主要原因就是随阀门配供的控制气源管路连接件(位于气锁阀与分气锁阀连接处)强度不足，运行中疲劳损坏断裂，VV阀气缸无法进气，阀门在弹簧力作用下自动开启，在没有开指令的情况下，导致汽轮机“VV阀故障开”保护动作，汽轮机跳闸。

汽轮机机组正常运行时，VV阀控制用电磁阀处于长期带电状态，电磁阀接线松动、电缆断裂或线圈烧毁等原因均可能造成电磁阀失电，导致气锁阀D无气压输出，下切换阀通气，上切换阀排气，阀杆在弹簧的作用力下恢复原位，使VV阀开启，引起机组跳闸。如2016-06-08，3号机组VV阀电磁阀线圈烧毁，导致VV阀非正常开启，再次导致机组非正常停运。

4 VV阀控制系统的改进

4.1 控制回路的改进

本着“减少误动，防止拒动”的原则，为了防止异常时VV阀不能正常开启，在保留VV阀失气开启功能的基础上，改动了控制回路，其控制原理如图4所示。

(1) 将VV阀原有的“失电开”控制方式改为“带电开”，再以并联方式增加1个电磁阀2YV。在正常运行时，只要2个电磁阀有1个带电就可以使VV阀正常开启。这种方式既可以减少电磁阀长期带电运行故障导致的VV阀非正常开启风险，又能避免由单个电磁阀故障导致的VV阀拒动风险。

(2) 并联的2个电磁阀1YV，2YV同时接受DEH系统控制，新增的电磁阀同时接受操作台硬手操控制。任何1个电磁阀带电都将开启阀门。原有的电磁阀控制电源保留，仍取自DEH系统110 V DC电源，新增电磁阀控制电源独立取自电气直流馈线柜。由于2个电磁阀的110 V DC电源分别来自不同的电源，其控制指令也是来自不同的地方，做到了全过程的冗余设计，降低了故障风险，提高了系统可靠性。

(3) 在原有气路的基础上，并联增加1路进气气源及过滤减压阀组件，增加前后手动门以方便检修隔离；在2路气源减压阀后各增加1个逆止阀，防止由于过滤减压阀组件故障引起VV阀失气故障开启。

(4) 就地设置控制箱，将以上所有控制元件从温度较高的VV阀阀体上部全部移至控制箱内，VV阀本体仅保留气源管道接头及行程开关。控制箱位于VV阀旁边的平台上。

4.2 “VV阀故障开”保护逻辑的改进

原VV阀全开信号仅靠1个行程开关检测，可靠性低。改造后，将VV阀全开信号设计为“3取2”。3个限位开关为触头式开关，1个位于气缸顶部，靠活塞连杆压住触头，另外2个安装于气缸底部，依靠阀杆上焊接的连杆压住触头。顶部为全开信号，底部2个为全关信号。全开信号取非，加上底部2个全关信号。

这3个信号中任意2个信号出现，才发出VV阀全关信号。由于控制逻辑中VV阀全关信号取非（VV阀无全关信号），判断为VV阀故障开启状态（见图3），进入VV阀故障开启停机保护逻辑。现场检测发现VV阀阀体温度约90 ℃，为了防止高温直接接触造成行程开关的故障，将限位开关向外移动一定距离，并增加管道保温厚度，同时在行程开关和阀体之间增加保温隔离。这样将行程开关处的温度降至约40 ℃，确保VV阀限位信号传递的可靠性；同时将3个信号均送至DCS系统画面显示报警，便于运行人员监控，一旦发生故障可以及时发现立即处理。

图4 改造后的VV阀控制原理

4.3 VV阀故障监视系统的改进

在VV阀控制气源的过滤减压阀组件后增加1个压力变送器，将控制气源压力显示在DCS画面，供运行人员实时监视控制气源压力；并增加了压力低报警，一旦控制气源发生轻微泄漏造成压力低时，可及时提醒运行人员处理。同时，将VV阀的3个限位开关状态显示至DCS系统画面，在DCS内增加了VV阀3个限位开关信号不匹配的报警，便于运行人员及时发现并消除VV阀异常状态。

5 结束语

VV阀是东方汽轮机厂1 000 MW超超临界机组取消高排逆止门后为了保护汽轮机所做设计，而在VV阀设计中仅仅考虑工艺上的问题，并没有考虑保护的可靠性问题，因“VV阀故障开”导致停机的事件在同类机组中时有发生。通过对VV阀的可靠性分析，并对其控制回路和控制逻辑进行有针对性的冗余改进，可有效避免因信号误发或VV阀误动作而导致的机组停机事件，并且在启停机时确保VV阀动作可靠稳定，保障了机组安全稳定运行。