汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽閥抖動(dòng)原因分析及處理

張仁水 ZHANG Ren-shui

（中廣核核電運(yùn)營有限公司，深圳 518120）

0 引言

A 核電廠汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過進(jìn)汽閥對機(jī)組進(jìn)行功率、頻率、壓力和應(yīng)力控制，并對機(jī)組的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速實(shí)施超速、超加速、負(fù)荷速降和蒸汽需求限制，使機(jī)組安全和經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行于各種工況，滿足供電的頻率和功率要求。機(jī)組在經(jīng)過某次大修并網(wǎng)后，在200MW 低功率平臺(tái)運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)2 號(hào)高壓調(diào)節(jié)汽閥油動(dòng)機(jī)活塞及定位器抖動(dòng)明顯，其他3臺(tái)高壓調(diào)節(jié)汽閥較為穩(wěn)定。機(jī)組在640MW 功率平臺(tái)時(shí)發(fā)現(xiàn)功率波動(dòng)，幅度達(dá)到6~7MW。電廠曾多次出現(xiàn)閥門開度抖動(dòng)的情況，本文針對閥門開度抖動(dòng)的原因和處理措施進(jìn)行了分析。

1 系統(tǒng)和設(shè)備工作原理

1.1 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理

汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在自動(dòng)調(diào)節(jié)狀態(tài)時(shí)，上位機(jī)將操作員設(shè)定的目標(biāo)負(fù)荷與實(shí)際測得的負(fù)荷進(jìn)行不斷比較形成負(fù)荷偏差，并以蒸汽需求量SD 增量值的形式輸出到下位機(jī)。下位機(jī)結(jié)合增量限制、超速限制、超加速限制、操作員設(shè)置的SD 最大值限制等進(jìn)行閥門開度計(jì)算，并將計(jì)算值對照刻度時(shí)生成的電流與閥位對照表輸出相應(yīng)的電流信號(hào)，包含18%高頻交流分量的電流信號(hào)傳送到定位器伺服閥，控制汽輪機(jī)進(jìn)汽閥門動(dòng)作。汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理如圖1 所示。

圖1 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理

1.2 汽輪機(jī)高壓調(diào)節(jié)汽閥工作原理

汽輪機(jī)高壓調(diào)節(jié)汽閥由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由柱形體組件、集管塊、重型復(fù)位彈簧和油動(dòng)機(jī)組成，通過油動(dòng)機(jī)內(nèi)部油壓克服彈簧力開啟閥門，失去動(dòng)力油時(shí)依靠彈簧力使閥門關(guān)閉，工作原理如圖2 所示。圖中所示的定位活塞根據(jù)電液伺服閥的信號(hào)上、下移動(dòng)，從而帶動(dòng)先導(dǎo)活塞上、下移動(dòng)。定位活塞位置決定油動(dòng)機(jī)活塞位置即汽輪機(jī)進(jìn)汽閥門的開度。當(dāng)開度信號(hào)增加時(shí)定位活塞上移使先導(dǎo)活塞上移，錯(cuò)油門下口開啟，動(dòng)力油經(jīng)節(jié)流孔板、錯(cuò)油門下口流入油動(dòng)機(jī)活塞右腔，使其壓力逐漸增加。油動(dòng)機(jī)活塞克服彈簧力逐漸向左移動(dòng)，開大閥門。隨著油動(dòng)機(jī)活塞左移，反饋連桿機(jī)構(gòu)使先導(dǎo)活塞向下移動(dòng)，防止錯(cuò)油門過開并維持在所需開度。信號(hào)減少的過程與上述相反。

圖2 汽輪機(jī)高壓調(diào)節(jié)汽閥工作原理

1.3 定位器工作原理

定位器主要由伺服閥、定位活塞及其閥體、位移傳感器等組成。其核心部件電液伺服閥是汽輪機(jī)調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)與閥門操作機(jī)構(gòu)液力系統(tǒng)接口轉(zhuǎn)換的一個(gè)專門機(jī)構(gòu)。它將微機(jī)調(diào)節(jié)器的電信號(hào)換為液力信號(hào)，使閥門定位器的定位活塞上、下移動(dòng)。電液伺服閥由扭矩電動(dòng)機(jī)、噴嘴檔板等組成，如圖3 所示。扭矩電動(dòng)機(jī)根據(jù)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)微機(jī)調(diào)節(jié)器的電信號(hào)改變檔板位置，使噴嘴背壓變化，引起伺服閥閥芯移動(dòng)。當(dāng)信號(hào)增加時(shí)，檔板向右擺，靠近右噴嘴，閥芯右腔壓力大于左腔壓力，使閥芯左移。動(dòng)力油經(jīng)錯(cuò)油門a 流向定位活塞下腔，定位活塞上腔的油經(jīng)錯(cuò)油門b 排出。隨著定位活塞的上移，機(jī)械反饋連桿使調(diào)整磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)，使檔板向左擺。這個(gè)過程一直進(jìn)行下去直到檔板恢復(fù)到中間位置為止，此時(shí)閥芯兩側(cè)壓力相等，錯(cuò)油門a、b 均被關(guān)閉。過程結(jié)束以后，定位活塞已相對原來位置上移到一個(gè)與現(xiàn)有信號(hào)相對應(yīng)的位置。定位活塞位置通過線性可變差動(dòng)變壓器（LVDT）反饋給閥門模塊，對閥位進(jìn)行校正。

2 閥門開度抖動(dòng)原因分析

根據(jù)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理圖，影響閥門開度抖動(dòng)的因素可以歸納為以下三個(gè)方面：

上位機(jī)與下位機(jī)的控制信號(hào)波動(dòng)包括SD 蒸汽需求波動(dòng)、閥門模塊故障等。

閥門本體方面包括閥桿/反饋連桿/活塞部件卡澀、油路濾網(wǎng)堵塞、油質(zhì)問題等。

定位器方面包括定位器本體、伺服閥、反饋機(jī)構(gòu)（LVDT）等。

2.1 上位機(jī)與下位機(jī)控制信號(hào)檢查

由機(jī)組操作員配合分別設(shè)置三種機(jī)組控制狀態(tài)：反應(yīng)堆控制棒自動(dòng)、汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)上位機(jī)自動(dòng)狀態(tài)；反應(yīng)堆控制棒自動(dòng)、汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)上位機(jī)手動(dòng)狀態(tài)；反應(yīng)堆控制棒手動(dòng)、汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)上位機(jī)手動(dòng)狀態(tài)。在三種狀態(tài)下通過現(xiàn)場安裝的百分表觀察閥門定位器及閥桿抖動(dòng)依然存在，幅度與頻率沒有明顯差異。

通過下位機(jī)閥門模塊將輸出信號(hào)設(shè)置為一個(gè)固定值，保持閥門在一個(gè)固定開度，定位器與閥門開度依然抖動(dòng)。將其他工作正常的閥門模塊安裝至2 號(hào)高壓調(diào)節(jié)汽閥，定位器與閥門開度抖動(dòng)幅度與頻率也沒有改善。

通過以上檢查確認(rèn)閥位抖動(dòng)與SD 蒸汽需求波動(dòng)無關(guān)，排除了閥門上游控制信號(hào)或者閥門模塊異常的因素。

2.2 閥門本體和定位器檢查

大修中對閥門本體進(jìn)行了預(yù)防性檢查，閥門特性試驗(yàn)和閥門訓(xùn)練過程中也沒有異常。機(jī)組并網(wǎng)后升功率到200MW 前閥位沒有異常波動(dòng)。檢查閥桿、反饋桿等機(jī)械部分，沒有發(fā)現(xiàn)卡澀情況，動(dòng)靜部件表面也沒有拉痕等磨損現(xiàn)象。對主油箱取樣分析油質(zhì)正常。LVDT 線圈電阻穩(wěn)定無波動(dòng)。

檢測發(fā)現(xiàn)伺服閥馬達(dá)線圈電阻在沒有供油時(shí)相對穩(wěn)定，在供油狀態(tài)下存在波動(dòng)。將正常工作的2 號(hào)高壓主汽閥定位器與2 號(hào)高壓調(diào)節(jié)汽閥定位器對調(diào)安裝試驗(yàn)，結(jié)果2 號(hào)高壓主汽閥定位器與閥位出現(xiàn)抖動(dòng)，而2 號(hào)高壓調(diào)節(jié)汽閥定位器與閥位則恢復(fù)正常。

檢查結(jié)果表明閥門本體功能正常，2 號(hào)高壓調(diào)節(jié)汽閥定位器組件存在異常，伺服閥線圈電阻在充油后發(fā)生波動(dòng)可能是溫度、磁場變化引起，正常不應(yīng)波動(dòng)。閥門開度抖動(dòng)的原因是伺服閥輸出不穩(wěn)定引起的定位器抖動(dòng)。最終通過更換定位器消除故障。（表1）

表1 定位器對換試驗(yàn)檢測的伺服閥線圈電阻數(shù)據(jù)

2.3 定位器抖動(dòng)原因

液壓元件的運(yùn)動(dòng)副中有很多環(huán)形縫隙，這些縫隙一般都充滿油液。正常情況下，移動(dòng)閥芯時(shí)只需克服較小的粘性摩擦力。但在中、高壓系統(tǒng)中，當(dāng)閥芯停止移動(dòng)一段時(shí)間后，這個(gè)阻力可以增大到數(shù)百牛頓，僅依靠電磁力無法推動(dòng)閥芯，出現(xiàn)液壓卡緊的情況，就像“卡死了”一樣。液壓卡緊的原因可能是油溫升高導(dǎo)致閥芯膨脹，也可能是徑向力不平衡導(dǎo)致閥芯偏心緊貼閥體產(chǎn)生很大的摩擦力，雜質(zhì)進(jìn)入配合間隙會(huì)加劇這種現(xiàn)象。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)對定位器快速響應(yīng)要求較高，因此采用在控制信號(hào)中增加高頻交流信號(hào)和在伺服閥閥芯上設(shè)計(jì)坡口等方式強(qiáng)迫閥芯高頻擾動(dòng)，閥芯時(shí)刻處于懸浮狀態(tài)的同時(shí)產(chǎn)生湍流減少亞微米顆粒物附著，避免液壓卡緊。這種設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致定位器抖動(dòng)，當(dāng)抖動(dòng)超出一定范圍就會(huì)影響閥門正常工作。定位器廠家試驗(yàn)臺(tái)抖動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)為±0.025mm，但該標(biāo)準(zhǔn)過低不滿足核電廠功率穩(wěn)定要求。通過長期跟蹤當(dāng)定位器抖動(dòng)≤0.01mm 時(shí)對汽輪機(jī)進(jìn)汽閥影響較小。

3 定位器抖動(dòng)應(yīng)對措施

3.1 定位器試驗(yàn)臺(tái)復(fù)現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象

定位器廠家最初在測試時(shí)使用的控制信號(hào)沒有交流分量，將抖動(dòng)定位器返廠檢查試驗(yàn)性能無下降，各項(xiàng)參數(shù)均正常。模擬電廠實(shí)際情況按比例增加交流分量并通過改變溫度和壓力可以復(fù)現(xiàn)部分定位器抖動(dòng)。

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)定位器對溫度和壓力較為敏感。廠家定位器翻新程序要求油溫為40℃，油壓為14MPa。對比核電廠現(xiàn)場汽閥工作溫度可達(dá)到48~52℃，油壓為13.8MPa。部分定位器在40℃時(shí)特性穩(wěn)定，當(dāng)油溫升至45℃時(shí)出現(xiàn)明顯抖動(dòng)。一些定位器在14MPa 壓力時(shí)穩(wěn)定性良好，試驗(yàn)壓力降低后出現(xiàn)明顯抖動(dòng)。

各部件的配合度會(huì)影響定位器性能。拆下伺服閥進(jìn)行單獨(dú)檢測，也發(fā)現(xiàn)在不同壓力、溫度條件下存在輸出壓力大幅波動(dòng)的情況。不更換備件僅重新組裝后輸出壓力大幅波動(dòng)時(shí)對應(yīng)的壓力、溫度也不相同。對所有液壓部件進(jìn)行更換后，伺服閥輸出壓力波動(dòng)現(xiàn)象出現(xiàn)概率有明顯下降，判斷備件使用后因沖蝕、磨損、結(jié)垢等原因?qū)е缕焚|(zhì)出現(xiàn)下降。輸出壓力無明顯波動(dòng)的伺服閥組裝到定位器油缸上后，也有抖動(dòng)復(fù)現(xiàn)的情況。

伺服閥裝配程序中要求伺服閥在額定供油壓力下其擋板兩側(cè)噴嘴額定壓力為2.2~2.6MPa。通過試驗(yàn)和分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)際工作中由于系統(tǒng)壓力變化和伺服閥部件特性變化，伺服閥實(shí)際供油壓力不是額定值，運(yùn)行中噴嘴壓力隨供油壓力變化。由于配件制造差異，兩側(cè)噴嘴壓力的線性區(qū)間不同，在某一供油壓力下兩側(cè)噴嘴壓力失去平衡即發(fā)生定位器抖動(dòng)。通過調(diào)整噴嘴的壓力，能使其在供油壓力的變化范圍內(nèi)都處于線性區(qū)域，補(bǔ)償配件差異影響和運(yùn)行后狀態(tài)的變化，提高定位器的工作效率和穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果表明噴嘴壓力在1.5~1.8MPa 時(shí)，可適應(yīng)的供油壓力范圍廣，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性好。伺服閥裝配程序中要求通過打磨伺服閥閥芯坡口增加閥芯擾動(dòng)提高定位器頻率響應(yīng)和階躍響應(yīng)能力。反之，減少打磨伺服閥閥芯坡口，降低閥芯擾動(dòng)，可以降低定位器抖動(dòng)。

3.2 定位器抖動(dòng)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

定位器廠家以往標(biāo)準(zhǔn)不能滿足現(xiàn)場使用要求，電廠在保證定位器整體性能的基礎(chǔ)上增加了針對抖動(dòng)的檢查標(biāo)準(zhǔn)：

伺服閥殼體表面溫度≥46℃；

充油后伺服閥線圈阻值波動(dòng)量≤0.5Ω；

控制信號(hào)中增加18%顫振分量，使用百分表測量定位器油缸活塞抖動(dòng)幅度≤0.01mm。

3.3 現(xiàn)場驗(yàn)證情況

自2 號(hào)高壓調(diào)節(jié)汽閥出現(xiàn)故障后開始將伺服閥噴嘴壓力從2.2~2.6MPa 降低到1.5~1.6MPa。在定位器翻新過程中減少打磨伺服閥閥芯坡口，將定位器5%階躍響應(yīng)指標(biāo)從120ms 改為150ms 并僅作為參考標(biāo)準(zhǔn)。

日常機(jī)組運(yùn)行期間跟蹤確認(rèn)定位器抖動(dòng)現(xiàn)象消失，但在閥門帶負(fù)荷試驗(yàn)期間出現(xiàn)定位器卡頓現(xiàn)象，分析原因?yàn)樗欧y長期運(yùn)行后節(jié)流器、噴嘴、擋板、滑閥上會(huì)存在抗燃油老化產(chǎn)生的亞微米顆粒物聚集，伺服閥啟動(dòng)油壓偏小，導(dǎo)致其克服雜質(zhì)阻力的能力減弱。將伺服閥噴嘴壓力恢復(fù)至2.2MPa 后，日常機(jī)組運(yùn)行期間觀察到部分定位器抖動(dòng)現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)。

3.4 定位器更換標(biāo)準(zhǔn)

為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常避免定位器抖動(dòng)影響機(jī)組功率穩(wěn)定，電廠制定了定位器監(jiān)視和更換標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)閥門指令閥位減去實(shí)際閥位（POSITIOM TRIM）超過10%，或者兩次帶負(fù)荷試驗(yàn)后的偏差值變化量超過6%，需要加強(qiáng)關(guān)注。

當(dāng)POSITIOM TRIM 超過12%，則進(jìn)行閥門刻度，給閥門模塊重新建立其所對應(yīng)的閥門驅(qū)動(dòng)電流與閥位的特性數(shù)據(jù)表。

當(dāng)POSITIOM TRIM 超過16%，則更換定位器。

跟蹤滿功率狀態(tài)下機(jī)組功率波動(dòng)量為3~5MW，當(dāng)波動(dòng)超過5MW 時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)無法補(bǔ)償定位器抖動(dòng)帶來的功率變化，需要對抖動(dòng)定位器進(jìn)行更換。

4 結(jié)束語

定位器在固定開度時(shí)，伺服閥閥芯處于中間位置，定位器上下油缸進(jìn)油量完全相等，實(shí)際工作中伺服閥閥芯在高頻擾動(dòng)時(shí)會(huì)左右擺動(dòng)，造成定位器上下油缸反復(fù)進(jìn)油，表現(xiàn)為定位器抖動(dòng)。經(jīng)過實(shí)踐證明定位器抖動(dòng)屬于設(shè)備固有特性，無法徹底消除。通過減少伺服閥閥芯坡口打磨量降低擾流量，可以有效改善定位器抖動(dòng)情況。通過制定適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測和更換標(biāo)準(zhǔn)并及時(shí)干預(yù)，可以有效避免出現(xiàn)機(jī)組功率異常波動(dòng)的情況。