1 000 MW超超臨界機組中壓主汽門異常關(guān)閉原因分析及處理

王合梅，宋端強，曾海波

（國能長源漢川發(fā)電有限公司，湖北 漢川 431614）

0 引言

國能長源漢川發(fā)電有限公司三期工程為2×1 000 MW超超臨界機組，汽輪機均為上海汽輪機廠設(shè)計制造［1］，汽輪機配汽閥門控制采用電液伺服系統(tǒng)，控制介質(zhì)采用高壓抗燃油［2-3］，其中數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)（Digital Electronic Hydraulic Control，DEH）部分為德國西門子SPPA-3000控制系統(tǒng)，分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）為國能智深的EDPF-NT+控制系統(tǒng)。

本文結(jié)合5號機組于2022年2月19日1號中壓主汽門（簡稱“中主”）異常關(guān)閉的故障，著重從故障現(xiàn)象、中主閥門液壓控制原理等方面進(jìn)行分析，分析可能存在的故障點，有效防止了類似問題導(dǎo)致機組運行中配汽閥門異常關(guān)閉帶來的主機振動大、再熱器超壓和高低旁聯(lián)開等安全風(fēng)險，尤其機組在高參數(shù)工況下甩負(fù)荷，系統(tǒng)設(shè)備部件的熱應(yīng)力沖擊較大，增加設(shè)備壽命期內(nèi)維護(hù)成本［4-6］的同時，給電網(wǎng)及其系統(tǒng)帶來的極大沖擊［7］。

1 液壓控制系統(tǒng)

1.1 油動機液壓執(zhí)行機構(gòu)

主汽門油動機液壓執(zhí)行機構(gòu)［8］主要由油缸缸體、方向電磁閥、快關(guān)電磁閥、單向閥、油路閥塊等組成，主汽門油動機液壓原理如圖1所示。

圖1 主汽門油動機液壓原理圖Fig.1 Hydraulic schematic diagram of main valve oil motor

分析上述原理圖可見：壓力油油源進(jìn)入油動機后分為兩路，一路到方向電磁閥，一路到快關(guān)電磁閥［9］。正常工作時方向電磁閥失電，快關(guān)電磁閥為帶電狀態(tài)。壓力油通過快關(guān)電磁閥后作用在4 只單向閥彈簧上部，單向閥閥芯閉合；經(jīng)過方向電磁閥的油源只能進(jìn)入油缸的上腔室，推動活塞向左移動，帶動主汽門開啟。

快關(guān)電磁閥也稱為跳閘電磁閥，并聯(lián)設(shè)計。當(dāng)任一快關(guān)電磁閥接受到保護(hù)系統(tǒng)（ETS）的信號后失電動作［10］，每個快關(guān)電磁閥將控制的2 只單向閥的壓力油接通回油，使單向閥打開［11］?；钊舷虑皇疫B通，兩邊油壓平衡，活塞在彈簧力的作用下迅速動作；同時方向電磁閥帶電（組態(tài)控制邏輯中實現(xiàn)），A、T口接通，加快了回油速度，使整個閥門的關(guān)閉時間控制在200 ms之內(nèi)，其控制電源采用24VDC，由ETS 的FDO 卡件直接提供［12］。

其中方向電磁閥屬于開關(guān)型電磁閥［13］，調(diào)門油動機液壓系統(tǒng)和主汽門油動機類似，差別在于由電液伺服閥代替方向電磁閥，伺服閥具有調(diào)節(jié)作用［14］，根據(jù)DEH 給定電信號和反饋電信號所構(gòu)成的偏差信號控制閥芯運動，通過控制進(jìn)油量來控制閥門開度。

本機組配有高壓主汽門油動機2只，調(diào)門油動機2只，再熱主汽門油動機2只，再熱調(diào)門油動機2只，以及補汽閥油動機1只［15］，見圖2所示的1 000 MW 超超臨界汽輪機閥門ATT試驗系統(tǒng)。

圖2 1 000 MW超超臨界汽輪機閥門ATT試驗系統(tǒng)Fig.2 1 000 MW ultra-supercritical steam turbine valve ATT test system

1.2 EH供油系統(tǒng)

壓力油系統(tǒng)由EH 主油泵、蓄能器以及壓力測量裝置等組成。EH主油泵2臺，互為備用。正常工作壓力為16 MPa，主油泵的出口和母管均裝有壓力變送器，壓力信號用以監(jiān)視系統(tǒng)的工作狀況，并進(jìn)行聯(lián)鎖控制和保護(hù)。

壓力油母管分成5路，分別是：A側(cè)高壓主汽門、高壓調(diào)門油動機，B側(cè)高壓主汽門、高壓調(diào)門油動機，A側(cè)再壓主汽門、調(diào)門油動機，B 側(cè)再壓主汽門、調(diào)門油動機，補汽閥油動機［16］。

2 1號中主異常關(guān)閉故障現(xiàn)象

2022 年2 月19 日9：50：00，機組負(fù)荷1 000 MW，1號EH油泵電流由28 A開始緩慢上漲，EH油母管壓力由16.2 MPa 降至15.4 MPa。如圖3 所示，下午13：50，EH油泵電流持續(xù)上漲至38 A，1號中主異常關(guān)閉故障現(xiàn)象（DCS）。期間在降負(fù)荷過程中，負(fù)荷至810 MW，1號中主異常關(guān)至10%，中主由全開到全關(guān)整個過程歷時3 min左右，全開到全關(guān)時間坐標(biāo)點，01：52：22（pm）到01：55：08（pm），1 號中主異常關(guān)閉故障現(xiàn)象（DEH）（見圖4所示）。

圖3 1號中主異常關(guān)閉故障現(xiàn)象(DCS)Fig.3 No.1 main valve abnormal shutdown symptom(DCS)

圖4 1號中主異常關(guān)閉故障現(xiàn)象(DEH)Fig.4 No.1 main valve abnormal shutdown symptom(DEH)

以上歷史趨勢圖中黑色趨勢線為EH 油母管油壓，在下降的同時，運行的EH 油泵電流趨勢在DCS系統(tǒng)中同時間故障查詢中有明顯上漲，兩者同時動作。

3 故障原因分析及處理

3.1 原因分析

機組運行時，方向電磁閥為失電狀態(tài)，兩只并聯(lián)的快關(guān)電磁閥為帶電狀態(tài)，任一快關(guān)電磁閥失電動作后［17］，壓力油接通回油，該閥門就迅速關(guān)閉，也就是說既排除了方向電磁閥電信號問題，也否定了快關(guān)電磁閥接受ETS來的動作信號。

通過1 號中主異常關(guān)閉故障現(xiàn)象，不難發(fā)現(xiàn)：首先，故障最直接的現(xiàn)象表現(xiàn)為EH油泵電流緩慢上升，EH 油泵正常工作電流29 A 左右，正常波動范圍1 A～2 A，系統(tǒng)母管油壓下降；其次，根據(jù)現(xiàn)場對EH 油站（8.7 m）各閥門回油管測溫，明顯1號中主、中調(diào)回油母管溫度高于其他母管溫度；比較隱蔽的是中主異常緩慢關(guān)閉和EH 油系統(tǒng)發(fā)生異常在時間上有錯位現(xiàn)象（如圖3），可長達(dá)4 h 左右，間接說明了內(nèi)部發(fā)生內(nèi)漏導(dǎo)致油動機工作油消失相對來說是一個比較緩慢過程。

根據(jù)流體力學(xué)［18-20］和能量守恒定律［21-22］，可知油泵出力增加，EH油流速加快，在液壓管道、節(jié)流孔等摩擦產(chǎn)生熱量；同時回油及油泵都會提高整個油箱的溫度，進(jìn)而到每個油動機的溫度增加；沒有參與負(fù)荷調(diào)節(jié)的油動機，因系統(tǒng)內(nèi)沒有流速，沒有油交換，相對來說，其溫度會低一些。中主在機組正常運行當(dāng)中，屬于全開型的閥門，油動機內(nèi)部并沒有油交換，但是其回油管溫度升高，說明油動機內(nèi)部存在EH油交換，液壓系統(tǒng)內(nèi)漏，導(dǎo)致系統(tǒng)用油量增大，EH 油泵出力增大，電流上漲。

3.2 確定液壓系統(tǒng)內(nèi)漏點

3.1 節(jié)原因分析中，首先通過EH 油站各閥門回油管測溫，對比排查，可迅速確定發(fā)生液壓系統(tǒng)內(nèi)漏的配汽閥門；然后再到汽輪機平臺對各個電磁閥的閥塊測溫比較。如果是快關(guān)電磁閥，則兩只之間比較即可；如果是方向電磁閥或者伺服閥，就與同類型閥門的對應(yīng)閥塊比較，往往便可確定內(nèi)漏部件。以往機組出現(xiàn)EH油泵電流異常情況中，通過3.1 節(jié)的分析及3.2 節(jié)確定內(nèi)漏點，均有效判斷出了其他配汽閥門油動機液壓部件內(nèi)漏部件，進(jìn)行更換相關(guān)快關(guān)電磁閥、方向電磁閥（調(diào)門為伺服閥）部件后都正常。

近幾次1 號中主故障中，通過相同方法發(fā)現(xiàn)均為方向電磁閥閥體溫度較高，故判斷為方向電磁閥內(nèi)漏。每次更換方向電磁閥且都對油動機液壓部件進(jìn)行了一次復(fù)位后，1 號中開啟關(guān)閉都正常。時過一陣，依然出現(xiàn)同樣狀況，又懷疑同批次方向電磁閥故障。后來更換為德國產(chǎn)的方向電磁閥，1 號中主異常關(guān)閉故障依然存在。后經(jīng)過快關(guān)電磁閥油路閥塊沖洗發(fā)現(xiàn)有雜質(zhì)沖出，見圖5 閥塊沖洗雜質(zhì)，判斷是快關(guān)電磁閥的節(jié)流孔（φ2）堵塞導(dǎo)致單向閥體上部壓力油壓不斷減小，降低到單向閥緩慢動作，直到克服不了單向閥上部彈簧的作用力后，被單向閥封閉的活塞上下腔室油路連通，兩邊油壓力平衡，過程如1.1節(jié)油動機原理所述，故中主表現(xiàn)為異常關(guān)閉，即液壓系統(tǒng)內(nèi)部存在“方向電磁閥PA 口→單向閥→活塞下腔室→T 口（回油）”的連續(xù)內(nèi)漏過程，因此方向電磁閥溫度較高。

4 防范措施

加強EH 油系統(tǒng)運行情況的監(jiān)視及閥門油動機回油管溫度。EH油系統(tǒng)運行時，油泵電流和系統(tǒng)油壓相對來說都是比較穩(wěn)定的，兩者一旦出現(xiàn)偏離正常波動范圍的變化，排除油泵故障和管路泄露的情況下，一定是閥門的液壓系統(tǒng)發(fā)生內(nèi)漏；而各閥門油動機回油管溫度的高低比較，也是油動機內(nèi)部是否存在內(nèi)漏的最直觀的表象，再通過對該油動機各電磁閥閥塊測溫對比，能夠及時準(zhǔn)確判斷出各配汽閥門油動機液壓部件內(nèi)漏故障。

EH 油是保證汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制準(zhǔn)確性和靈敏性的重要介質(zhì)［23］。EH油顆粒度、水分等超標(biāo)，當(dāng)這些劣化產(chǎn)物多至一定程度時，不僅對金屬有一定的腐蝕性［24-27］，產(chǎn)生的沉積物可致使電磁閥、伺服閥、節(jié)流孔等堵塞或卡死而被迫停機［28］。閥門松動試驗主要是檢測處于全開狀態(tài)的主汽門、調(diào)節(jié)汽門是否能夠靈活關(guān)閉，可以很方便地判斷出閥門是否卡澀［29-31］，避免閥門被卡死在某一固定位置。

5 結(jié)語

本文故障現(xiàn)象分析、處理以及防范措施適用于上海汽輪機廠引進(jìn)西門子技術(shù)超超臨界機組配汽閥門故障處理過程；通過本次故障處理，積累了經(jīng)驗，熟練掌握了油動機上進(jìn)行電磁閥、插裝閥等液壓部件拆裝，及專用工具解體方法，較準(zhǔn)確地判斷檢修工時，形成一套完整的在機組運行中更換內(nèi)漏部件的檢修措施。如果短時間更換內(nèi)漏部件，機組負(fù)荷可在700 MW下進(jìn)行，2-4 個小時以內(nèi)；如果大于4 個小時，須控制機組負(fù)荷在500 MW以內(nèi)。

針對本文中1 000 MW 超超臨界機組運行中汽輪機配汽閥門出現(xiàn)異常關(guān)閉故障，再次強調(diào)在油動機檢修或返廠檢修后，一定加強對液壓部件質(zhì)量驗收把關(guān)，確保無殘余屑質(zhì)，避免同類型故障頻繁發(fā)生，影響機組安全穩(wěn)定運行及參與一次調(diào)頻和深度調(diào)峰。