合理確定汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥開關(guān)時間的標(biāo)準(zhǔn)

張 寶，樊印龍，顧正皓

（國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

合理確定汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥開關(guān)時間的標(biāo)準(zhǔn)

張 寶，樊印龍，顧正皓

（國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

確立汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥開關(guān)時間的合格標(biāo)準(zhǔn)十分必要。介紹了影響汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥正常開關(guān)時間的因素，討論了調(diào)節(jié)閥正常關(guān)閉時間與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速飛升的定量關(guān)系，給出了合理確定汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥開關(guān)時間標(biāo)準(zhǔn)的方法，結(jié)合當(dāng)前實際情況，確定了汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥開關(guān)時間的合格標(biāo)準(zhǔn)。

汽輪機(jī)；調(diào)節(jié)閥；伺服閥；開關(guān)時間；標(biāo)準(zhǔn)

0 引言

汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥是控制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速與機(jī)械功率的關(guān)健設(shè)備，其動作特性直接影響到機(jī)組的控制性能與安全性能。就其動作方式而言，可分為快速關(guān)閉動作與正常開關(guān)動作，前者是出于保護(hù)的目的，而后者是用于調(diào)節(jié)。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5578《固定式發(fā)電用汽輪機(jī)規(guī)范》明確指出，設(shè)計的調(diào)節(jié)器和蒸汽閥門的操動機(jī)構(gòu)，應(yīng)在額定參數(shù)或規(guī)定的非正常工況下，即使甩去能達(dá)到的最大負(fù)荷，也不應(yīng)引起汽輪機(jī)瞬時超速。為了達(dá)到這一目標(biāo)，不同型式的汽輪機(jī)根據(jù)自身情況分別采用了LDA（甩負(fù)荷預(yù)測）、PLU（功率-負(fù)荷不平衡）或KU（負(fù)荷瞬時中斷）等防超速控制功能，實現(xiàn)在甩負(fù)荷的瞬間，所有調(diào)節(jié)閥快關(guān)，從而抑制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的飛升。

需要指出的是，上述各功能是通過汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥快關(guān)實現(xiàn)的，它們是否能達(dá)到抑制轉(zhuǎn)速飛升的目的，還取決于各調(diào)節(jié)閥快關(guān)過程的時間，為此，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 824-2002《汽輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)性能驗收導(dǎo)則》根據(jù)機(jī)組容量的大小對汽輪機(jī)高、中壓調(diào)節(jié)閥的快關(guān)時間要求給出了相關(guān)建議，高、中壓調(diào)節(jié)閥油動機(jī)動作過程時間t為動作延遲時間t1和關(guān)閉時間t2之和，快速關(guān)閉動作過程時間建議值為：100 MW及以下機(jī)組，小于0.6 s；100～200 MW機(jī)組，小于0.5 s；200 MW以上機(jī)組，小于0.3 s。不同型式汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)閥通過快關(guān)電磁閥或OPC（超速控制）電磁閥動作，使油動機(jī)快速泄油，實現(xiàn)快速關(guān)閉[1]。

汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥快關(guān)時間滿足上述要求、機(jī)組外部電網(wǎng)故障或甩負(fù)荷時，LDA功能、KU功能或PLU功能正常啟動的情況下，汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速飛升一般均能控制在3 300 r/min以下。但從實際情況看，因不同的原因，機(jī)組甩負(fù)荷時上述功能沒有正常啟動、調(diào)節(jié)閥沒有快速關(guān)閉、汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)回路進(jìn)行控制的情況偶有發(fā)生[2-3]，此時完全依靠調(diào)節(jié)閥的正常關(guān)閉來首先抑制汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速飛升，調(diào)節(jié)閥的正常關(guān)閉時間就顯得尤為重要。但遺憾的是，到目前為止，在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中仍未看到對汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥正常開關(guān)時間的具體要求。

1 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥正常開關(guān)時間的影響因素

一般說來，在無外界人為速率限制的情況下，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥正常開關(guān)時間受以下幾方面的影響較為明顯：

（1）調(diào)節(jié)閥油動機(jī)的時間常數(shù)，表示在進(jìn)油口開度最大時，油動機(jī)活塞在最大進(jìn)油量走完工作行程所需的時間，綜合反映了油動機(jī)的滯后時間和關(guān)閉時間，一般在0.1～0.3 s左右。

（2）伺服閥的特性參數(shù)，其中額定流量、零偏、內(nèi)漏等特性均會對調(diào)節(jié)閥的開關(guān)時間有顯著影響。

（3）DEH（汽輪機(jī)電液控制）系統(tǒng)伺服卡的控制參數(shù)設(shè)定，其中影響較大的為比例常數(shù)與積分時間。

（4）控制油的壓力與溫度，其中壓力會影響到伺服閥的流量，進(jìn)而影響到調(diào)節(jié)閥的開關(guān)速度；壓力過低時，調(diào)節(jié)閥可能無法開啟。

上述因素中，伺服閥的特性參數(shù)與DEH系統(tǒng)伺服卡控制參數(shù)的設(shè)定對汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥開關(guān)時間的影響最大。表1是幾個典型汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥開關(guān)時間的實際測量結(jié)果。

表1 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥開關(guān)時間 s

表1可見，不同汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥正常的開關(guān)時間差異很大，即使同一臺汽輪機(jī)，高調(diào)閥與中調(diào)閥之間也會存在著較大的差別。機(jī)組正常運行時，這種開關(guān)時間的差異會造成汽輪機(jī)功率響應(yīng)快慢的差別，但異常工況時，調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時間過長，就極可能導(dǎo)致汽輪機(jī)超速。

2 調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時間與轉(zhuǎn)速飛升之間的關(guān)系

同一個汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的開關(guān)時間基本一致，從抑制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子飛升的角度，調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時間更值得研究。正如前所述，在防超速控制功能失效的情況下，調(diào)節(jié)閥的正常關(guān)閉時間決定了汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速飛升的最終值。上汽-西門子超超臨界汽輪機(jī)廠家提供的說明書中明確要求調(diào)節(jié)閥的正常開關(guān)時間應(yīng)在1.5～1.8 s之間，但其他類型的汽輪機(jī)對此并沒有具體要求。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 711-1999《汽輪機(jī)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)試驗導(dǎo)則》推薦，汽輪機(jī)在甩負(fù)荷時動態(tài)最大轉(zhuǎn)速飛升一般可用式（1）計算：

式中：n0為甩負(fù)荷前初始轉(zhuǎn)速；Ta為轉(zhuǎn)子飛升時間常數(shù)；φ為甩負(fù)荷瞬間的負(fù)荷率；Tv為蒸汽容積時間常數(shù)；αH為高壓缸功率份額；α1為中低壓缸功率份額；tH1為高壓調(diào)節(jié)閥關(guān)閉滯后時間；tH2為高壓調(diào)節(jié)閥純關(guān)閉時間；tI1為中壓調(diào)節(jié)閥關(guān)閉滯后時間；tI2為中壓調(diào)節(jié)閥純關(guān)閉時間。

結(jié)合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) DL/T 711-1999所推薦的數(shù)據(jù)：1 000 MW機(jī)組Ta≈8 s，600 MW機(jī)組Ta≈9s，300 MW機(jī)組Ta≈10 s；Tv=0.25 s，αH=0.3，α1= 0.7，tH1=tI1=0.1 s，tH2與tI2取表1的平均值，負(fù)荷率按1計，表1中各機(jī)組的Δnmax則根據(jù)式（1）可計算得：

300 MW機(jī)組：Δnmax=927 r/min；

600 MW機(jī)組1：Δnmax=869 r/min；

600 MW機(jī)組2：Δnmax=1 771 r/min；

1 000 MW機(jī)組：Δnmax=449 r/min。

很顯然，在KU，LDA或PLU等防超速功能失效的情況下，單純依靠汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，在甩負(fù)荷后汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速將大幅度飛升，如果110%超速保護(hù)拒動，則后果會不堪設(shè)想。當(dāng)然，上述計算是按調(diào)節(jié)閥全開進(jìn)行的，實際運行時高壓調(diào)節(jié)閥一般是部分開啟，而中壓調(diào)節(jié)閥是完全開啟，實際結(jié)果會比上述計算值略小。

汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥一般使用伺服閥進(jìn)行控制，如果使用大流量伺服閥，則會顯著提高調(diào)節(jié)閥的開關(guān)時間。在防超速功能失效的情況下，如單純使用伺服閥實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥關(guān)閉來抑制轉(zhuǎn)速飛升小于300 r/min，則表1中各機(jī)組的調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時間應(yīng)滿足以下條件（簡化起見，高、中壓調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時間取相同）：

300 MW機(jī)組：調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時間小于1.5 s。

600 MW機(jī)組1：調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時間小于1.3 s。

600 MW機(jī)組2：調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時間小于1.3 s。

1 000 MW機(jī)組：調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時間小于1.1 s。

當(dāng)然，上述結(jié)果是在額定負(fù)荷、調(diào)節(jié)閥全開的情況下計算得到的，可以看作是汽輪機(jī)在最危險的情況下如單純依靠調(diào)節(jié)閥正常關(guān)閉來抑制轉(zhuǎn)速飛升時，對調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時間的要求。很顯然，表1中的數(shù)據(jù)，除1 000 MW機(jī)組的調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時間與這一要求接近外，其他幾臺機(jī)組相差甚遠(yuǎn)。從另一方面，上述計算結(jié)果也說明，上汽-西門子超超臨界汽輪機(jī)之所以對調(diào)節(jié)閥開關(guān)時間有在1.5～1.8 s之間的要求，可能也充分地考慮到了這一點。其他幾種機(jī)型，如果發(fā)生了甩100%額定負(fù)荷時防超速功能失效的情況，則必超速無疑。

3 對調(diào)節(jié)閥正常開關(guān)時間要求的討論

目前大多數(shù)型式的汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)閥正常開關(guān)時間，要達(dá)到1.5 s是很困難的。值得注意的是，以LDA功能為例，多數(shù)機(jī)組規(guī)定：在功率大于30%額定值、并網(wǎng)信號消失時，汽輪機(jī)所有調(diào)節(jié)閥要同時快關(guān)，以防止汽輪機(jī)超速[4]。那么，如果此時機(jī)組負(fù)荷稍小于30%額定負(fù)荷，比如正好為29%額定負(fù)荷，如何操作？此時調(diào)節(jié)閥快關(guān)條件不滿足，只能依靠調(diào)節(jié)閥正常關(guān)閉來抑制汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速飛升。此時如果依然使用前述參數(shù)來計算對表1中各汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時間的要求，在防超速功能失效的情況下，如單純使用伺服閥實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥關(guān)閉來抑制轉(zhuǎn)速飛升小于300 r/min，簡化起見，高、中壓調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時間取相同，結(jié)果如下：

300 MW機(jī)組：調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時間小于5.0 s。

600 MW機(jī)組1：調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時間小于4.3 s。

600 MW機(jī)組2：調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時間小于4.3 s。

1 000 MW機(jī)組：調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時間小于3.7 s。

此時，表1中只有600 MW機(jī)組2還無法滿足要求，其他3臺汽輪機(jī)基本可以做到略低于30%額定負(fù)荷、機(jī)組脫網(wǎng)后，單純依靠調(diào)節(jié)閥正常關(guān)閉就可以將汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速飛升值抑制在300 r/min以下，不至于造成超速保護(hù)動作。

鑒于目前國內(nèi)相關(guān)汽輪機(jī)標(biāo)準(zhǔn)中還沒有對調(diào)節(jié)閥的正常開關(guān)時間作出明確要求，結(jié)合上述討論結(jié)論，并考慮一定的安全裕量，建議如下：

（1）在汽輪機(jī)設(shè)備技術(shù)規(guī)范中增加對汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥開關(guān)時間的要求。

（2）在設(shè)備調(diào)試期間與檢修后，增加汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的開關(guān)時間測試試驗，測試應(yīng)在無速率限制的情況下進(jìn)行；測試過程曲線應(yīng)平滑、無卡澀現(xiàn)象。

（3）設(shè)備廠家無明確要求時，300 MW及以下容量機(jī)組，調(diào)節(jié)閥正常開關(guān)時間不宜大于5 s；300 MW到600 MW（包括600 MW）容量機(jī)組，調(diào)節(jié)閥正常開關(guān)時間不宜大于4 s；600 MW以上容量機(jī)組，調(diào)節(jié)汽門正常開關(guān)時間不宜大于3 s。

4 結(jié)語

建立汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥開關(guān)時間的標(biāo)準(zhǔn)，可以使汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的設(shè)計、制造與運行有據(jù)可依，減少油動機(jī)在設(shè)計與制造過程中的隨意性，最大程度的避免汽輪機(jī)超速等惡性事故的發(fā)生?？紤]到目前多數(shù)機(jī)組的實際情況，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥開關(guān)時間的標(biāo)準(zhǔn)值不應(yīng)過?。粚τ谛陆C(jī)組，可適當(dāng)提高標(biāo)準(zhǔn)要求，以督促設(shè)備廠家選用動態(tài)性能好、流量大的伺服閥，在提高機(jī)組運行安全性的同時也使其控制性能得到提升。

[1]張寶.大型汽輪機(jī)汽門快速關(guān)閉過程測試[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2010，52（4）∶309-311.

[2]張寶，徐熙瑾，沈全義.甩負(fù)荷預(yù)測功能失效時的甩負(fù)荷試驗[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2006，48（2）∶124-126.

[3]王學(xué)根.某超超臨界660 MW燃煤機(jī)組FCB試驗不成功原因分析及改進(jìn)[J].華東電力，2014，42（7）∶1503-1505.

[4]田豐.我國600 MW等級汽輪機(jī)甩負(fù)荷試驗現(xiàn)狀分析[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2010，52（3）∶221-225.

（本文編輯：陸 瑩）

Reasonable Determination of Standards for Switching Time of Steam Turbine Governing Valve

ZHANG Bao，F(xiàn)AN Yinlong，GU Zhenghao
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

It is quite necessary to determine approval standards for switching time of steam turbine steam turbine governing valve.The paper introduces factors that influence normal switching time of steam turbine governing valve and discusses quantitative relationship between normal closing time of governing valve and rocketing rotation speed of steam turbine.Furthermore,the paper gives way to determine standards for switching time of steam turbine governing valve and decides approval standards for switching time of steam turbine governing valve.

steam turbine；governing valve；servo valve；switching time；standard

TK264.2

B

1007-1881（2015）09-0013-04

2015-07-15

張 寶（1978），男，碩士，高級工程師，主要從事大型汽輪機(jī)控制與節(jié)能技術(shù)研究工作。