汽輪機廠房電動閥門電氣故障原因探討

李和 李陽

摘要：汽輪機是電力生產(chǎn)行業(yè)核心機械，發(fā)生故障會對電站帶來巨大經(jīng)濟損失。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，推動我國電力行業(yè)的快速發(fā)展。汽輪機安裝過程復雜，安裝中受到多種因素影響，有效處理汽輪機故障十分重要，傳統(tǒng)閥門檢測無法檢測到控制回路非線性波動，分析閥門曲線失配導致非線性波動原因，提出基于過程數(shù)據(jù)的非線性檢測方法，從仿真與工業(yè)實例方面驗證有效性，針對核電廠機組汽輪機廠房調(diào)試運行發(fā)生電動閥門故障，總結分析發(fā)生故障問題原因，為類似機組閥門故障檢測提供參考。

關鍵詞：汽輪機 電動閥門 電氣故障 原因

Abstract： Steam turbine is the core machinery of electric power production industry， failure will bring huge economic losses to the power station. With the development of social economy， it promotes the rapid development of China's power industry. The installation process of steam turbine is complex and affected by many factors. It is very important to effectively deal with steam turbine faults. Traditional valve detection cannot detect the nonlinear fluctuation of control circuit. The causes of nonlinear fluctuation caused by valve curve mismatch are analyzed， and a nonlinear detection method based on process data is proposed to verify its effectiveness from the aspects of simulation and industrial examples， In view of the electric valve failure in the commissioning and operation of the steam turbine plant of the nuclear power plant， the causes of the failure are summarized and analyzed， so as to provide reference for the valve failure detection of similar units.

Key Words： Steam turbine; Electric valve; Electrical failure; Cause

核能是新興清潔能源，為工業(yè)發(fā)展等起到重要作用。現(xiàn)代化核電廠中需要很多閥門，閥門工作可靠對核電安全運行非常重要。閥門故障得不到及時診斷控制會引發(fā)巨大核電事故。研究核用汽輪機廠房電動閥門故障尤為重要。閥門頻繁開閉對機械產(chǎn)生造成影響，通過腐蝕設備導致增加物耗。對閥門設備操作維修技術人員提出較高要求，要在閥門發(fā)生故障后及時診斷控制。核電閥門傳輸介質(zhì)為飽和蒸汽、放射性水蒸氣等流體，由于閥門不能正常工作導致核電廠停堆占比19%，發(fā)生故障導致停堆占10%。閥門故障原因分為生產(chǎn)性與運行性，導致閥門故障因素有很多，閥門故障具有復雜性。某核電廠機組采用智能電動閥門，SND主要分布于二回路系統(tǒng)，BERNARD14主要分布于SEN系統(tǒng)。本文分析電動閥門電頭結構，總結常見故障原因及處理方法。

1 汽輪機故障診斷研究

當前電力深入到人們的生活中，電力供給與消費關系趨于復雜。由于電能不能存儲等原因，要求電力生產(chǎn)安全穩(wěn)定。汽輪機是火電廠重要設備，具有高參數(shù)等特點，社會對電力需求增加，對汽輪機單機功率要求提高。汽輪機通流部分大多在高溫環(huán)境下工作，故障影響機組運行效率。配備故障診斷系統(tǒng)可降低運行成本，研究汽輪機通流故障診斷尤為重要。

汽輪機通流故障分為漸發(fā)行與突發(fā)性，漸法故障早期不易發(fā)現(xiàn)，由于電廠人員違規(guī)操作引起磨損變形等造成機組效率降低等情況。突發(fā)故障是隨著汽輪機運行通流部分面積突變，主要由葉片斷裂等故障，不及時處理會發(fā)生重大事故。汽輪機通流部分發(fā)生故障概率大。一些研究部門對汽輪機振動故障研究較為完善，但汽輪機通流部分故障診斷研究不夠完善。隨著故障診斷技術的發(fā)展，汽輪機故障診斷技術不斷進步。推出多種故障診斷專家系統(tǒng)，但對汽輪機通流部分故障診斷存在不足。專家系統(tǒng)診斷故障具有不確定性，故障具有很大耦合性，熱力參數(shù)與有關汽輪機通流故障表現(xiàn)為壓力等參數(shù)變化，汽輪機故障早期診斷方式是基于熱力參數(shù)診斷。

汽輪機故障診斷技術是研究單位關注的問題【1】。汽輪機組故障復雜，引起故障的原因不明顯。設備故障診斷采取技術手段判斷設備所處狀態(tài)，隨著傳感技術，專家系統(tǒng)等綜合智能系統(tǒng)的應用，設備狀態(tài)監(jiān)測技術研究得到發(fā)展，故障診斷是確定設備故障性質(zhì)，明確故障原因。通過對汽輪機組運行故障診斷，對電力系統(tǒng)安全運行具有重要意義。根據(jù)汽輪機發(fā)電機組故障特征，加入軸心軌跡特征數(shù)據(jù)【2】。大型機組振動故障分析復雜，很難將機組解體檢查，需進行深入的研究。轉(zhuǎn)子不平衡故障比例高達90%。高壓大容量發(fā)電機組因徑向間隙小，動靜間隙設計不斷變小。軸系穩(wěn)定性是影響油膜振蕩的主要因素。

2汽輪機電氣閥門故障分析

汽輪機是旋轉(zhuǎn)式原動機【3】。汽輪機組發(fā)生故障會引發(fā)嚴重的安全隱患。轉(zhuǎn)子有自己的自振頻率。汽輪機事故中震動原因引發(fā)比例最大。隨著科技的發(fā)展，汽輪機向自動化方向發(fā)展。提高汽輪機出現(xiàn)系統(tǒng)故障概率。閥門是控制回路的重要執(zhí)行機構，控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥門異常導致系統(tǒng)失穩(wěn)【4】。通常采用故障檢修方式實現(xiàn)維護，專業(yè)技術人員頻繁定期檢修造成閥門設備性能下降。閥門異常分為靜摩擦與曲線失配，閥門非線性狀態(tài)建模檢測問題受到關注。電廠汽輪機組閥門控制要求具有動態(tài)性，表現(xiàn)不同相位耦合性。

汽輪機控制系統(tǒng)中內(nèi)環(huán)由閥門控制器等設備組成?？刂葡到y(tǒng)通過改變控制閥開度控制負荷，DEH改變進入汽輪機蒸汽流量。調(diào)節(jié)閥閥位控制器通過閥門曲線轉(zhuǎn)化為閥位指令信號【5】。閥位信號送入控制器實現(xiàn)閉環(huán)控制。閥門機械特性是固有特性，通常由制造廠家根據(jù)標準設計。閥門曲線是閥門機械特性反函數(shù)。閥門靜摩擦發(fā)生于串級控制回路內(nèi)回路中。閥門靜摩擦異常由于EH油系統(tǒng)高壓抗燃油質(zhì)穩(wěn)定性影響閥門工作性能，調(diào)節(jié)氣閥工作在高溫下部件勞損造成靜摩擦。

閥門故障維修技術隨著工業(yè)設備復雜度發(fā)展，早期維修通過定期檢修等方式預防故障。傳統(tǒng)觀點認為設備發(fā)生故障模式為浴盆曲線，設備老化階段故障發(fā)生概率增加【6】。設備使用陳舊發(fā)生故障概率高，早期為追求設備可靠性增加維修周期頻度，隨著設備復雜度提高，預防為主的周期性暴露出其弊端。國內(nèi)外很多學者分析閥門故障診斷。國外對人工智能技術應用成熟，日本研究設計可變閥門控制器診斷系統(tǒng)。已有研究采用人工智能理論，在閥門故障診斷方面具有良好效果。

3汽輪機閥門非線性檢測

閥門靜摩擦表現(xiàn)為運行中出現(xiàn)非線性現(xiàn)象組合疊加。滯環(huán)是閥門閥位在啟閉中的不同，死位是閥位不隨指令變化。閥門靜摩擦原因常見于液壓系統(tǒng)異常，閥門靜摩擦導致閥門卡澀，閥門頸摩擦現(xiàn)象輸入輸出特性曲線包括滯區(qū)域跳變區(qū)。跳變區(qū)是閥位突變至當前閥位指令值。

閥門需要改變運動方向，閥門沿上時刻方向運動時，輸入信號需要超出滯區(qū)，伴隨出跳變現(xiàn)象。閥門曲線失配是機械特性曲線與閥門曲線不匹配，機械特性與出廠測定曲線存在偏差，嚴重閥門曲線失配降低控制器性能。閥門曲線失配難以歸納輸出輸入關系典型特性，閥門磨損特性不同，可以總結常見閥門曲線失配模型。

根據(jù)汽輪機中閥門信號檢測位置，高斯信號為記錄采樣離散信號x（t），t=0，1，2，…，耦合現(xiàn)象分為頻域與相位耦合，x（t）=（2πfit+φi），f3=f1+f2;φ1，φ2…φ5為初相位，φ6=φ4+φ5為相位耦合。頻域形式三階統(tǒng)計量可以識別閥門靜摩擦特征中輸出信號存在耦合特性。高階統(tǒng)計量可反映非線性系統(tǒng)特性。頻域形式三階統(tǒng)計量雙譜為B（f1，f2）=E[X（f1）X（f2）X*（f1，f2）]，*為復共軛;Bic（f1，f2）=|B（f1，f2）|?/E[|Xf1）X（f2）|?]E[|X（f1+f2）|?]，Bic為雙向干系數(shù)。高斯信號雙相干系數(shù)為0，非線性雙相干系數(shù)在[0，1]內(nèi)，雙相干系數(shù)在（f1，f2）外趨向于1，表明存在頻域耦合。實測運行數(shù)據(jù)計算雙相干系數(shù)無法保證統(tǒng)計一致性，可將判斷頻域耦合數(shù)值依據(jù)設定在區(qū)間內(nèi)，得出相同的結果。

4汽輪機電動閥門故障處理

閥門電動頭包括顯示屏、閥門指示燈、開關閥選擇器等。閥門電動頭操作方式包括手動與電動，手動操作壓下切換手柄，旋轉(zhuǎn)手輪與離合器嚙合。電動操作時切換機自動脫離。電氣箱蓋下紅色旋鈕可選擇現(xiàn)場操作，通過相鄰黑色旋鈕進行執(zhí)行機構現(xiàn)場開關操作。主操縱員執(zhí)行實驗啟動CEX001PO，模擬盤顯示閥為半開關狀態(tài)，電動閥顯示屏黑屏，電氣反饋CEX009VL閥門故障為電源模塊導致【7】。

統(tǒng)計顯示CEX007/009VL故障率偏高，手觸摸電動頭感覺振動偏高，建議對電動頭測振。在主控打開CEX007VL時顯示閥門故障。表示執(zhí)行機構得到現(xiàn)場開關指令后未行程動作，液晶屏E閃爍，由于電動指執(zhí)行機構開關到位后施力導致機械自鎖裝置承受扭力，建議把電動工執(zhí)行機構操作方向轉(zhuǎn)動，進行電動操作脫下手切換【8】。再次使用F扳手操作導致額外扭力過大。主控觸發(fā)CRF700AA發(fā)現(xiàn)CRF506VC關閉，現(xiàn)場檢查通過DCS手動開啟506VC。真空恢復1min后關閉，通知現(xiàn)場閥門切換到就地開啟，核功率恢復正常。電動閥門關閉導致核功率上升，將CRF506VC主板返廠檢驗，顯示抗干擾能力較低。建議使用Bernard主板更換。類似CVI007/008/009VA重要閥門，應在主控設置相關報警。

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)電動頭手輪存在劃痕，內(nèi)部密封受到損傷。BERNARD執(zhí)行機構采用優(yōu)質(zhì)潤滑，密封因受到擠壓損壞，安裝中未通電，防冷凝電加熱保護器未預習，部分水蒸氣冷凝水留在執(zhí)行機構內(nèi)，冷凝水同部分潤滑脂蒸發(fā)，部分潤滑脂混合物外溢。通過對機組常規(guī)島電動閥門缺陷修復，解決存在的閥門問題。一些閥門問題有待改造，通過采取相應改進措施避免出現(xiàn)故障。汽輪機基礎放線，注意軸承座幾何中心與軸頸承力中心一致。墊塊接觸痕跡應占墊塊總面積的70%以上。

5 結語

汽輪機是大型旋轉(zhuǎn)機械，隨著發(fā)電機組向大容量發(fā)展，汽輪機故障診斷技術是迫切需要發(fā)展的核心技術。閥門非線性現(xiàn)象難以避免，原因包括閥門機械特性與控制器曲線失配等。本文分析閥門非線性原因，利用閥門非線性法進行仿真，采用多種驗證方法驗證有效性。汽輪機安裝是復雜系統(tǒng)的工程，必須嚴格按設計標準進行操作，確保汽輪機運行穩(wěn)定。

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作者簡介：李和（1990—），男，本科，工程師，研究方向為核電廠運行。