核电汽轮机调节阀开度抖动现象分析及处理

2022-09-07梁君章鹏华

新型工业化 2022年7期

梁君，章鹏华

中核核电运行管理有限公司，浙江嘉兴，314300

0 引言

某核电采用国产引进阿尔斯通ARABELLE型汽轮机，汽轮机为单轴、中间再热、三缸、四排汽，凝汽式汽轮机。高压进汽阀前主蒸汽压力为6.43MPa，温度为280.1℃，质量流量为1613.4kg/s，额定功率为1089.075MW。

汽轮机高压进汽由四根连接至高压主汽调节阀的主汽管送汽，高压阀门分四组，每一组由主汽阀和调节阀组成。蒸汽在高压缸内做功膨胀，然后经过两个MSR（汽水分离再热器）后，蒸汽经过中压蝶阀，再进入中压缸。中压进汽阀门也分为四组，每组由主汽阀和调节阀组成。主汽阀实现快速关断蒸汽功能，调节阀位于主汽阀之后，通过阀门开度调节蒸汽流量，实现调节功能。高压及中压主汽调节阀通过刚性联轴器与油动机活塞杆相连，主汽阀油动机及操纵座用于主汽阀的开启和关闭两位控制，调节阀油动机及操纵座用于调节阀开度的连续控制[1]。

1 汽轮机调节阀控制基本原理

汽轮机组调节阀实现进汽流量的调节功能。高压油动机及操纵座用于调节阀开度的连续控制，由比例阀、伺服板、位移传感器及汽轮机电液控制系统组成了调节阀闭环控制回路。调门的开启采用油动机内活塞下腔室的充油，液压驱动活塞将压缩外部的弹簧，使得阀门开启，当二者力量平衡时，阀门处于某一特定位置，弹簧处于蓄能状态；当液压缸下腔失去油泄压时，油动机活塞反向运行，阀门在弹簧的作用下关闭。

调节阀控制回路组成：P320控制器中，汽机负荷逻辑根据机组目标负荷计算出阀门开度指令——输出至信号分配——信号分配卡输出至VICKERS卡——VICKERS卡接收阀门开度指令、阀门位置反馈、比例先导阀位反馈、比例阀主阀位信号，通过运算后输出阀门开度指令，作用在比例阀上，比例阀控制油动机充排油实现阀门开度变化。比例阀的结构如图1所示，由比例电磁铁、先导阀、减压阀和主阀四部分组成[2]。

功率运行下，调门执行小幅慢速的开度变化。阀位控制原理如图2所示，阀杆的运动主要由比例阀执行PID型的自动控制。此动作条件下，电磁阀并不投运，卸载阀关闭。当控制卡发出位移控制信号/位置偏差信号，则电磁阀信号将推动比例阀阀芯，左右移动，改变油动机上下腔的进油排油情况，油压的变化与弹簧力相抵消后，引起阀门开关位置改变。

2 调节阀开度抖动问题分析

某电厂二号机组在运行期间，三号高压调节阀突然全关，持续1秒后快速开启，3秒后达到初始开度，造成了一定的功率扰动。2020年9月开始，该机组三号高压调节阀、四号高压调节阀、二号高压调节阀均发生了类似问题。经分析调节阀开度抖动的可能原因如下。

2.1 卡件回路工作异常

假设本次缺陷是卡件回路工作异常导致，其动作过程应是：微调模式下，比例阀主阀阀芯和先导阀阀芯均左右持续性短程移动，当出现阀芯的卡涩后，阀芯的运动受到阻滞，输出液压信号恒定，不再变向，阀位控制的油动机行程持续放大，控制卡接收到的位移反馈信号，持续与预定输出偏离，将不断加大对此运动的抑制信号。直至造成0%或100%的控制要求。这种控制的不断加大即将克服阀芯的阻滞，完成阀门的动作。达成0%或100%的阀门位置控制要求后，由于与实际功率的不匹配，将继续要求阀门的开度动作，如果该行程过程中卡涩并未缓解，会继续执行上述流程，直至阀位响应达标，整个控制流程顺畅。在现场安装了录波仪后发现信号出现震荡的起始在于比例阀主阀的位移信号，而不是卡件输出的控制信号。因此可排除卡件指令信号回路异常的可能性。

2.2 EH油油质问题

某电厂二号机组发生了多次调节阀开度抖动问题，普遍性的缺陷与单个比例阀的性能相关性较低，考虑主要影响源自工作介质EH油。EH油在劣化过程中，水解、低温氧化、高温降解等污染物均会产生油泥，积蓄在整个EH油系统中。随运行时间累积，油泥问题日益凸显，引起过滤器堵塞、电磁阀卡涩等问题。由以下图3至图7分析，EH油油质指标中颗粒度、酸值、电阻率、水分均处于较好水平[3]。针对漆膜指数这一指标，油品厂家的建议限值≤30（方法为ASTM D7843），该机组漆膜倾向指数这一指标在较长时间内超出建议值，因此油品不达标可能是造成阀位抖动的原因之一[4]。

2.3 比例阀响应偏差

该缺陷发生后，电厂对缺陷比例阀在试验台上进行响应试验，现其试验曲线出现较大的偏差，图8为异常比例阀的试验情况，图9为正常比例阀的试验曲线。

现场的拆解过程中，阀芯的拆除较为困难，存在明显的卡涩，观察阀芯的表面存现明显的划痕（见图10），在圆周方向也发现了明显的磨损痕迹。拆解比例阀的过程中，收集比例阀内部残余EH油，在比例阀主阀内发现丝状物体和黑色固体球形物（见图11）。

对丝状物体和黑色球状异物检测结果进行分析（见图12），异物主要是铁元素Fe，含量占可检测物质比例94%左右，结果中未检测出Cr成分，可以确认该异物是外来引入，而非系统内普遍的不锈钢。

EH油在系统内的流通过程见图13。主油泵进口设有过滤器，过滤精度为149um，滤网材质为不锈钢；主油泵出口设有过滤器，过滤精度为5um，滤网材质为合成纤维。滤芯孔径远小于异物，同时异物成分也与滤芯材质不符（异物主要是铁元素Fe），因此异物来源于过滤器的可能性较小。而油动机EH油进口无滤网装置，比例阀中的金属颗粒来源于双联滤油器下游管线后的可能性较大。

对油动机的入口软管更换过程进行核查。软管采购验收时，执行水压试验，后采取清洁压空吹扫干净，更换金属软管前，用高纯氮气吹扫，并采取内窥镜检查确认的方法确认内部的清洁度。更换比例阀备件后，未进行系统油冲洗工作。金属波纹管内部沟壑复杂，压空及高纯氮气吹扫可能未完全清理出管路中的微小颗粒，更换比例阀后未进行管路冲洗可能也是导致异物进入的原因之一。

3 调节阀组控制系统优化运行

针对高压调节阀的上述问题，制定了一系列优化运行措施。

3.1 EH油泵出口过滤器至油动机管段清洁度控制

由于某电厂阀门控制系统油动机比例阀前未设置过滤器，油泵出口过滤器至油动机管段的清洁工作显得尤为重要。在油动机金属软管更换的过程中，采用压缩空气及氮气吹扫不足以保证微小颗粒物的完全去除，某电厂采用超声波清洗以确保管路清洁。比例阀阀芯配合间隙为微米级，小颗粒去除不完全可能导致比例阀阀芯动作不畅。更换比例阀后，执行大流量油冲洗工作，实施单台阀门的油冲洗。

3.2 EH油品质控制

某电厂液压调节系统采用三芳基磷酸酯液压油，抗磨性好，物理性质稳定。该EH油易吸收水分，高温状态易发生降解，低温状态易发生氧化。针对EH油品质的控制，某电厂采取了以下措施：严格控制酸值、水分、电阻率、颗粒度至标准范围内；增加MPC值为油品的控制指数之一（控制到30以下）；对EH油箱采取压缩空气吹扫以降低EH油对空气水分的吸收；增加EH油取样监测频率并采用体外滤油的方式保证油品品质[5]。

采取以上措施后，机组运行期间再未出现汽轮机调节阀开度抖动问题，成功消除了阀位抖动缺陷，为汽轮机组的稳定运行提供了有力保障。