1119MW核電機(jī)組半速汽輪機(jī)主汽閥和調(diào)節(jié)閥調(diào)整試驗(yàn)

孫小龍 ，趙書宇

（中廣核工程有限公司 ，遼寧省大連市 116319）

0 引 言

紅沿河核電站一期工程安裝4臺(tái)1119MW機(jī)組，配套東方汽輪機(jī)有限公司制造的型號(hào)為HN1119－6.43／280／269的半速汽輪機(jī)。該機(jī)組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是高中壓合缸、單軸四缸六排汽、沖動(dòng)凝汽式、中間汽水分離二級(jí)再熱、節(jié)流配汽、7段非調(diào)整抽汽。采用高、中壓缸啟動(dòng)方式，高、中壓調(diào)節(jié)閥分別同步動(dòng)作，蒸汽依次通過主汽閥和調(diào)節(jié)閥后直接進(jìn)入第1級(jí)隔板。本文基于紅沿河核電站1號(hào)機(jī)組主汽閥和調(diào)節(jié)閥的布置、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，論述其調(diào)整試驗(yàn)過程。

1 主汽閥和調(diào)節(jié)閥布置、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該汽輪機(jī)組高、中壓缸均由4個(gè)閥組控制進(jìn)汽，按照全周平衡分別是左上、左下、右上和右下進(jìn)汽。每個(gè)閥組均由1個(gè)主汽閥和1個(gè)調(diào)節(jié)閥組成，閥組彈性支撐在汽輪機(jī)平臺(tái)上。閥門布置如圖1所示，圖中MSV是高壓主汽閥（main stop valve），MCV是高壓調(diào)節(jié)閥（main control valve），ISV是中壓主汽閥（intercept stop valve），ICV是中壓調(diào)節(jié)閥（intercept control valve）。

圖1 閥門布置示意Fig.1 Valve arrangement

紅沿河核電站高壓主汽閥和調(diào)節(jié)閥在結(jié)構(gòu)上均為截止閥，是首次采用阿爾斯通 （ALSTOM）公司核電高壓閥門技術(shù)生產(chǎn)的國(guó)產(chǎn)化設(shè)備。中壓主汽閥和調(diào)節(jié)閥均是阿達(dá)姆斯 （ADAMS）公司生產(chǎn)的單軸結(jié)構(gòu)蝶閥，該公司閥門首次使用于國(guó)內(nèi)核電工程。頸部設(shè)置自潤(rùn)滑免維護(hù)軸承，采用金屬石墨夾層密封結(jié)構(gòu)，密封性能良好［1］。

閥門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是油動(dòng)機(jī)，調(diào)節(jié)油系統(tǒng)正常工作壓力為12MPa，運(yùn)行溫度是（50±5）℃。油動(dòng)機(jī)進(jìn)、回油口和抗燃油管道之間使用了金屬軟管，能夠很好地吸收油壓的波動(dòng)以及閥門動(dòng)作過程中的振動(dòng)。每個(gè)油動(dòng)機(jī)上都安裝有試驗(yàn)用電磁閥，主要用于嚴(yán)密性試驗(yàn)和閥門活動(dòng)試驗(yàn)。該閥帶電后油動(dòng)機(jī)快速泄油實(shí)現(xiàn)閥門快關(guān)。調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)安裝有比例閥，通過安裝在汽輪機(jī)控制柜內(nèi)的伺服卡遠(yuǎn)程控制比例閥，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)油動(dòng)機(jī)的精準(zhǔn)控制。每個(gè)比例閥獨(dú)立使用1塊伺服卡。

閥位傳感器能輸出相互獨(dú)立的3組4～20mA信號(hào)，利用磁滯原理將直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械位移量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)［2］。

2 主汽閥的調(diào)整

首先按照安裝質(zhì)量文件檢查、確認(rèn)基本的安裝數(shù)據(jù)，如油動(dòng)機(jī)預(yù)起行程和有效行程等；同時(shí)確認(rèn)油動(dòng)機(jī)沖洗已經(jīng)完成并且沖洗結(jié)果合格。主汽閥只有全開和全關(guān)2種狀態(tài)，因此主汽閥的調(diào)整比較簡(jiǎn)單，過程簡(jiǎn)述如下：

（1）閥位反饋整定。將全開位調(diào)整為20mA，全關(guān)位整定為4mA。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，巴魯夫（balluff）閥位變送器需要先整定全開位的反饋電流，關(guān)閉閥門后再調(diào)校全關(guān)位的反饋電流。完成整定后建議重復(fù)開、關(guān)幾次閥門，以確認(rèn)整定結(jié)果沒有發(fā)生漂移。

（2）閥門開啟和關(guān)閉時(shí)間調(diào)整。閥門動(dòng)作時(shí)間需要考慮油動(dòng)機(jī)的動(dòng)作時(shí)間、油動(dòng)機(jī)延遲時(shí)間、閥門延遲時(shí)間［3］。針對(duì)閥門的動(dòng)作時(shí)間，最終調(diào)整的開啟時(shí)間是在60s以內(nèi)，關(guān)閉時(shí)間是在0.35s以內(nèi)［4］。開、關(guān)時(shí)間可以通過對(duì)閥位反饋?zhàn)髑芯€的方法得到，圖2為快速切線法示意圖。

圖2 快速切線法示意Fig.2 Rapid tangent method

如果開、關(guān)時(shí)間不合格，可以通過改變油動(dòng)機(jī)內(nèi)部編號(hào)為NOO和NOC的節(jié)流孔板的尺寸來調(diào)整閥門開、關(guān)時(shí)間。在調(diào)整過程中發(fā)現(xiàn)，右上高壓主汽閥的開啟時(shí)間僅為17s，和其他3個(gè)高壓主汽閥50～60s的開啟時(shí)間存在較大偏差。將NOO節(jié)流孔板的孔徑從1.5mm逐步縮小到0.9mm后發(fā)現(xiàn)，雖然開啟時(shí)間得到減緩，但是油動(dòng)機(jī)油缸中的壓力在閥門全開的狀態(tài)下只有7.5MPa，該壓力值偏小。因此，最終選用的節(jié)流孔徑是1.1mm，很好地兼顧了油動(dòng)機(jī)開啟時(shí)間和油動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性。

（3）閥位－油壓相關(guān)性曲線。在完成上述各項(xiàng)調(diào)整后，畫出閥門開啟過程和關(guān)閉過程中閥位－油壓的相關(guān)性曲線。通過相關(guān)性曲線能直觀地得到閥門的最小動(dòng)作油壓，對(duì)節(jié)流孔更改后的油動(dòng)機(jī)控制特性進(jìn)行再驗(yàn)證，保證油動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定、可靠［5］。

3 調(diào)節(jié)閥的調(diào)整

調(diào)節(jié)閥完成就地調(diào)整后還需要使用上位機(jī)進(jìn)行再次調(diào)整，采用2種方式整定的目的是為了確保結(jié)果的可靠性。

3.1 伺服卡的靜態(tài)調(diào)校

伺服卡將接收到的閥位反饋轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，并與收到的指令信號(hào)對(duì)比進(jìn)行比例積分（proportional integral，PI）調(diào)節(jié)。圖3為使用伺服卡控制閥門的示意圖。

圖3 伺服卡控制閥門Fig.3 Control valve with servo card

伺服卡面板上的模式選擇開關(guān)有test valve、test loop和auto 3種。test valve模式是開環(huán)調(diào)節(jié)，使卡件內(nèi)部的PI控制回路旁路。test loop和auto模式均是閉環(huán)調(diào)節(jié)，區(qū)別在于前者的指令來自伺服卡表面的指令電位器，后者是通過卡件背部的卡槽位接收來自汽機(jī)控制機(jī)柜的外部指令。

伺服卡實(shí)現(xiàn)的是閉環(huán)控制，因此需要對(duì)伺服卡的閉環(huán)控制性能進(jìn)行調(diào)校。當(dāng)伺服卡接收到4mA閥位信號(hào)時(shí)，通過卡件上的Offset電位器將伺服卡的指令調(diào)校為0V±100mV；當(dāng)伺服卡接收到20mA的閥位反饋時(shí)，通過Gain增益電位器將伺服卡的指令調(diào)校為－10V±100mV。實(shí)際調(diào)整過程中發(fā)現(xiàn)，Offset和Gain電位器會(huì)互相影響，因此每次調(diào)整完一個(gè)電位器后必須對(duì)另一個(gè)電位器再次確認(rèn)［6］。

3.2 就地調(diào)整

就地調(diào)整時(shí)使用了專用工具，該工具可接收閥位、油壓、比例閥反饋等信號(hào)并給出控制閥門動(dòng)作的指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門的控制，圖4為專用工具照片［7］。將伺服卡裝入專用工具，通過預(yù)制電纜將比例閥和專用工具背板上的插頭連接在一起。專用工具的面板上有外部指令旋鈕等，可實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門的控制，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)油動(dòng)機(jī)壓力等參數(shù)的采集。

圖4 閥門調(diào)整專用工具Fig.4 Special tool for valve commissioning

3.2.1 閥位反饋的整定

通過專用工具控制比例閥實(shí)現(xiàn)閥門的開關(guān)，完成對(duì)閥位變送器全開位和全關(guān)位的調(diào)整。整定方法和主汽閥閥位反饋調(diào)整相同。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)際調(diào)校過程中使全開位的閥位設(shè)定值略小于20mA，全關(guān)位的閥位設(shè)定值略大于4mA。

3.2.2 伺服卡PI參數(shù)和死區(qū)值的調(diào)整

在閥門開關(guān)過程中，通過記錄分析閥位反饋、伺服卡輸出的指令、伺服卡內(nèi)部積分器信號(hào)等實(shí)現(xiàn)對(duì)卡件參數(shù)的整定。在確認(rèn)PI調(diào)整完成后，用萬用表測(cè)量公共地端的電阻值并記錄［8］。

死區(qū)調(diào)整的目的是通過調(diào)整伺服卡來補(bǔ)償比例閥的死區(qū)。判斷死區(qū)調(diào)整是否準(zhǔn)確的一個(gè)很好的辦法是觀察閥門動(dòng)作過程中閥門的抖動(dòng)、階躍響應(yīng)的曲線等［9］。

3.2.3 閥門開啟、關(guān)閉時(shí)間的調(diào)校

調(diào)節(jié)閥的開啟、關(guān)閉時(shí)間的測(cè)量有很多種辦法，例如通過專用工具給出0—100%—0的階躍指令、通過試驗(yàn)電磁閥的帶電和失電方式或者通過調(diào)節(jié)油系統(tǒng)的掛閘和打閘方式等。另外，模擬調(diào)節(jié)閥門伺服卡故障工況，測(cè)量調(diào)節(jié)閥的關(guān)閉時(shí)間也是很有必要的。

調(diào)節(jié)閥閥門開啟、關(guān)閉時(shí)間可以通過調(diào)整油動(dòng)機(jī)的相關(guān)節(jié)流孔來改善，或者通過調(diào)校油動(dòng)機(jī)內(nèi)部的插裝閥來調(diào)整。高壓調(diào)節(jié)閥最終調(diào)整的開啟時(shí)間應(yīng)該在5s以內(nèi)，中壓調(diào)節(jié)閥最終調(diào)整的開啟時(shí)間應(yīng)該在7s以內(nèi)，調(diào)節(jié)閥的快關(guān)時(shí)間均調(diào)整在0.35s以內(nèi)，控制回路故障引起閥門關(guān)閉的時(shí)間大約為60s［4］。

3.2.4 階躍響應(yīng)測(cè)試

階躍響應(yīng)曲線能夠很好地反映伺服卡的PI參數(shù)和死區(qū)的設(shè)置是否合理，驗(yàn)證閥門是否具有響應(yīng)快速、靜態(tài)誤差小和超調(diào)量小的調(diào)節(jié)特性。在實(shí)際試驗(yàn)過程中會(huì)記錄和分析40%—50%—40%、20%—80%—20%階躍響應(yīng)曲線。如果響應(yīng)特性太差需要通過修改PI參數(shù)等方式來改善。

3.2.5 閥位－指令、閥位－壓力相關(guān)性測(cè)試

通過閥位－指令相關(guān)性曲線，可以反映閥門指令的響應(yīng)時(shí)間和閥位跟蹤指令的動(dòng)作特性，反映比例閥和伺服卡在控制油動(dòng)機(jī)時(shí)的匹配性。通過閥位－壓力相關(guān)性曲線，能夠反映油動(dòng)機(jī)自身包括插裝閥等特性是否良好［10］。

3.3 上位機(jī)調(diào)整

使用上位機(jī)進(jìn)行調(diào)整時(shí)需要將伺服卡復(fù)裝到汽機(jī)控制機(jī)柜內(nèi)。通過伺服卡上的指令電位器或者強(qiáng)制組態(tài)中閥門指令輸出的方式對(duì)就地調(diào)整的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)的內(nèi)容基本上和就地調(diào)整內(nèi)容相同。試驗(yàn)過程中也會(huì)對(duì)伺服卡的一些參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，同時(shí)本文第3.2.1節(jié)中闡述了調(diào)節(jié)閥的閥位反饋值并不是標(biāo)準(zhǔn)的4mA或者20mA，因此需要將實(shí)際值保存到汽機(jī)控制系統(tǒng)組態(tài)中。

4 閥門冷態(tài)聯(lián)調(diào)

閥門冷態(tài)聯(lián)調(diào)前需要處理閥門廠家提供的調(diào)節(jié)閥特性曲線。通過閥門的活動(dòng)性試驗(yàn)可以驗(yàn)證相關(guān)控制組態(tài)和閥門響應(yīng)的正確性。通過仿真模擬機(jī)組的沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)、帶負(fù)荷等，實(shí)現(xiàn)比較真實(shí)的閥門冷態(tài)性能測(cè)試。

在模擬甩廠用電和甩空載的瞬態(tài)過程時(shí)，錄取了主汽閥和調(diào)節(jié)閥在冷態(tài)下響應(yīng)瞬態(tài)過程，例如油動(dòng)機(jī)行程等的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)［4］，為對(duì)比分析熱態(tài)下真實(shí)甩廠用電和甩空載時(shí)閥門的響應(yīng)結(jié)果積累了第一手資料。

調(diào)節(jié)閥控制參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化過程中需要考慮到中壓調(diào)節(jié)閥和高壓調(diào)節(jié)閥在動(dòng)作過程中的匹配性。例如某些工況下所有調(diào)節(jié)閥迅速快關(guān)后需要再次開啟，高壓調(diào)節(jié)閥和中壓調(diào)節(jié)閥在響應(yīng)過程中必須匹配。

5 結(jié) 論

（1）在閥門調(diào)整前期需做好伺服卡的參數(shù)調(diào)整工作，相關(guān)參數(shù)直接決定了閥門的運(yùn)行特性，其正確性關(guān)系到閥門的后續(xù)試驗(yàn)。

（2）伺服卡上的死區(qū)值、比例參數(shù)和積分參數(shù)的優(yōu)化能夠改善油動(dòng)機(jī)動(dòng)作過程中設(shè)備和油路的振動(dòng)，特別是對(duì)于首次應(yīng)用于核電工程的ADAMS蝶閥，很好地改善了閥門動(dòng)作過程中的振動(dòng)，提高了瞬態(tài)試驗(yàn)時(shí)閥門的響應(yīng)特性。

（3）改變油動(dòng)機(jī)內(nèi)部節(jié)流孔的尺寸來調(diào)整閥門的動(dòng)作時(shí)間和油動(dòng)機(jī)動(dòng)作穩(wěn)定性是基本的調(diào)整手段。在調(diào)節(jié)過程中注意對(duì)開門、關(guān)門時(shí)間的把握，閥門內(nèi)部節(jié)流孔的大小也是決定開門、關(guān)門時(shí)間的關(guān)鍵。通過紅沿河電廠1號(hào)機(jī)組高、中壓閥門油動(dòng)機(jī)的調(diào)試實(shí)踐，證明本文方法是可行的。

（4）通過模擬汽機(jī)不同工況以驗(yàn)證閥門性能的試驗(yàn)，為機(jī)組啟動(dòng)后閥門運(yùn)行提供了參考資料，有利于閥門運(yùn)行狀態(tài)的控制。

（5）在冷態(tài)模式下對(duì)油動(dòng)機(jī)進(jìn)行反復(fù)調(diào)整是十分必要的，確保了主汽閥和調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性，保證了油動(dòng)機(jī)和調(diào)節(jié)油系統(tǒng)相匹配。

（6）經(jīng)過沖轉(zhuǎn)、試運(yùn)及并網(wǎng)等熱態(tài)過程以及一些瞬態(tài)試驗(yàn)的考驗(yàn)，說明紅沿河電廠1號(hào)機(jī)組調(diào)整過程是合理的，調(diào)整結(jié)果是滿意的。

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