某300 MW 汽輪機(jī)抽汽逆止門(mén)關(guān)閉時(shí)間超標(biāo)原因分析及優(yōu)化建議

劉 朋，梁 緒

（華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州）

前言

某火電廠300 MW 汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的一次中間再熱兩缸兩排汽凝汽式汽輪機(jī)，型號(hào)為N300-16.7/537/537-8，共設(shè)有八段抽汽分別供給三臺(tái)高壓加熱器、一臺(tái)除氧器和四臺(tái)低壓加熱器。為防止汽輪機(jī)超速和進(jìn)水，除七、八段抽汽管道外，其余管道上均設(shè)有氣動(dòng)逆止門(mén)和電動(dòng)隔離門(mén)。一段、二段、三段、五段及七段抽汽管道均設(shè)置一個(gè)氣動(dòng)逆止門(mén)，布置在電動(dòng)隔離門(mén)后，四段抽汽管道由于所接設(shè)備較多，在總管上設(shè)置兩個(gè)同口徑氣動(dòng)逆止門(mén)，布置在電動(dòng)隔離門(mén)前。

該機(jī)組采用上海新華分散控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由諸多DPU 控制器單元組成，各DPU 控制器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、硬接線等方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)DCS 控制策略，完成數(shù)據(jù)采集、模擬調(diào)節(jié)、順序控制等功能。DPU 控制器內(nèi)部包含許多邏輯頁(yè)，每個(gè)邏輯頁(yè)有相應(yīng)的功能塊用于控制不同的設(shè)備，各抽汽逆止門(mén)開(kāi)關(guān)邏輯依靠邏輯頁(yè)中功能塊完成，而同一個(gè)DPU 中的邏輯頁(yè)具有相同執(zhí)行周期，本機(jī)組所有DPU 邏輯頁(yè)的執(zhí)行周期均設(shè)計(jì)為0.20 s。

1 抽汽逆止門(mén)功能與結(jié)構(gòu)

抽汽供熱機(jī)組的抽汽逆止門(mén)關(guān)閉應(yīng)迅速、嚴(yán)密，連鎖動(dòng)作應(yīng)可靠[1]，當(dāng)汽輪機(jī)突發(fā)故障跳閘、汽輪機(jī)超速、發(fā)電機(jī)跳閘時(shí)可防止抽汽管道蒸汽回流造成汽輪機(jī)超速，同時(shí)抽汽逆止門(mén)作為二級(jí)保護(hù)可防止加熱器（或除氧器）水位過(guò)高進(jìn)入汽輪機(jī)，造成汽輪機(jī)水沖擊、大軸彎曲等惡性事故。相關(guān)電力規(guī)程[2]明確規(guī)定與汽輪機(jī)缸體直接相連的抽汽逆止門(mén)總關(guān)閉時(shí)間應(yīng)小1 s，通過(guò)調(diào)研同類(lèi)型機(jī)組閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)該類(lèi)型300 MW 汽輪機(jī)抽汽逆止門(mén)關(guān)閉時(shí)間超標(biāo)問(wèn)題普遍存在，對(duì)汽輪機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成較大安全隱患。抽汽逆止門(mén)作為汽輪機(jī)安全運(yùn)行的重要保障設(shè)備之一，火電企業(yè)應(yīng)重視其關(guān)閉時(shí)間超標(biāo)的問(wèn)題，采取合理有效的措施保證其關(guān)閉時(shí)間滿足規(guī)程[2]要求。

該類(lèi)型汽輪機(jī)各段抽汽逆止門(mén)內(nèi)部結(jié)構(gòu)相似，主要由閥體、閥板、轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)臂、重錘等部件組成，一段至三段抽汽逆止門(mén)未配置重錘，四至六抽汽逆止門(mén)配有重錘以減小閥板開(kāi)關(guān)所需力矩。逆止門(mén)開(kāi)關(guān)控制部分主要有氣缸、三通電磁閥、濾網(wǎng)、試驗(yàn)三通閥、限位開(kāi)關(guān)等組成，主要利用三通電磁閥控制壓縮空氣進(jìn)出氣缸帶動(dòng)活塞桿上下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)逆止門(mén)開(kāi)關(guān)，當(dāng)抽汽逆止門(mén)滿足開(kāi)條件，運(yùn)行人員通過(guò)控制系統(tǒng)發(fā)出開(kāi)指令，三通電磁閥動(dòng)作，壓縮空氣進(jìn)入氣缸下部克服氣缸上部彈簧彈力，推動(dòng)氣缸活塞桿上移，帶動(dòng)逆止門(mén)操作桿上移至自由位，機(jī)組啟動(dòng)后依靠各段抽汽管道蒸汽作用力頂開(kāi)逆止門(mén)；當(dāng)汽輪機(jī)跳閘或加熱器水位高Ⅲ值發(fā)出或發(fā)電機(jī)跳閘，控制系統(tǒng)發(fā)出抽汽逆止門(mén)關(guān)閉指令，三通電磁閥動(dòng)作，氣缸下部與大氣相通泄掉壓縮空氣，氣缸活塞桿帶動(dòng)逆止門(mén)操作桿落下，強(qiáng)制關(guān)閉抽汽逆止門(mén)。各段抽汽逆止門(mén)的壓縮空氣直接來(lái)源于儀用空氣母管，未設(shè)置空氣引導(dǎo)閥，壓縮空氣只能通過(guò)各抽汽逆止門(mén)的三通電磁閥排大氣。

2 試驗(yàn)結(jié)果介紹

規(guī)程[2]要求逆止門(mén)關(guān)閉時(shí)間測(cè)試在機(jī)組冷態(tài)下進(jìn)行，有試驗(yàn)結(jié)果[3]表明，機(jī)組冷、熱態(tài)時(shí)，汽門(mén)關(guān)閉時(shí)間存在差異，機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下，各級(jí)抽汽管道充滿蒸汽，在蒸汽壓力作用下，熱態(tài)下逆止門(mén)關(guān)閉時(shí)間大于冷態(tài)測(cè)試結(jié)果。本次試驗(yàn)為機(jī)組冷態(tài)下進(jìn)行，各抽汽逆止門(mén)的行程信號(hào)為限位開(kāi)關(guān)信號(hào)，測(cè)試前確認(rèn)EH 油質(zhì)合格，油溫油壓接近正常運(yùn)行工況。試驗(yàn)前將汽輪機(jī)手動(dòng)打閘信號(hào)、各段抽汽逆止門(mén)開(kāi)到位信號(hào)及關(guān)到位信號(hào)接入示波記錄儀，采樣頻率為50 kHZ。汽輪機(jī)掛閘，將所有抽汽逆止門(mén)開(kāi)啟，確認(rèn)所有信號(hào)正常后，利用硬手操按鈕跳閘汽輪機(jī)，使各段抽汽逆止門(mén)以最快速度關(guān)閉，用示波記錄儀記錄各段抽汽逆止門(mén)關(guān)閉過(guò)程曲線。按照規(guī)程[2]要求測(cè)取各段抽汽逆止門(mén)從打閘指令發(fā)出到閥門(mén)開(kāi)始動(dòng)作的延遲時(shí)間t1、閥門(mén)開(kāi)始動(dòng)作至完全關(guān)閉的時(shí)間t2、閥門(mén)總關(guān)閉時(shí)間t=t1+t2。

表1 為該火電廠300 MW 汽輪機(jī)抽汽逆止門(mén)關(guān)閉時(shí)間測(cè)試結(jié)果，一至六段抽汽逆止門(mén)總關(guān)閉時(shí)間介于1.4 s 至2.1 s，不符合規(guī)程[2]要求，對(duì)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行存在一定威脅。

表1 閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間測(cè)試結(jié)果

為直觀的觀察抽汽逆止門(mén)關(guān)閉時(shí)間過(guò)程，圖1、圖2 分別列舉了某火電廠300 MW 汽輪機(jī)組二段抽汽逆止門(mén)、三段抽汽逆止門(mén)關(guān)閉時(shí)間測(cè)試曲線。綜合試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知各段抽汽逆止門(mén)關(guān)閉延遲時(shí)間t1介于為1.2 s 至1.9 s，即打閘指令發(fā)出到閥門(mén)開(kāi)始動(dòng)作時(shí)間t1超過(guò)1 s，而閥門(mén)凈關(guān)閉時(shí)間t2約為0.11 s 至0.34 s，即排除逆止門(mén)自身機(jī)械存在問(wèn)題，各抽汽逆止門(mén)總關(guān)閉時(shí)間超標(biāo)的主要原因?yàn)檠舆t時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

圖1 二段抽汽逆止門(mén)關(guān)閉時(shí)間過(guò)程曲線

圖2 三段抽汽逆止門(mén)關(guān)閉時(shí)間過(guò)程曲線

3 原因分析

抽汽逆止門(mén)總關(guān)閉時(shí)間主要受機(jī)械和熱工邏輯兩個(gè)因素影響，根據(jù)表1 的試驗(yàn)結(jié)果分析，各抽汽逆止門(mén)自身機(jī)械關(guān)閉動(dòng)作迅速，但DCS 系統(tǒng)組態(tài)延遲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)熱工邏輯進(jìn)行梳理，一抽、二抽、三抽、四抽逆止門(mén)由DPU17 控制器控制，五抽、六抽逆止門(mén)由DPU18 控制器控制?；緞?dòng)作原理如下：手動(dòng)打閘后，AST 電磁閥泄油，ETS 發(fā)出汽輪機(jī)跳閘信號(hào)并通過(guò)硬接線傳輸至DPU3，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)跨DPU傳輸至DPU17 和DPU18，數(shù)據(jù)通過(guò)DPU 內(nèi)部頁(yè)間引用至相應(yīng)的邏輯頁(yè)，最后由邏輯頁(yè)內(nèi)功能塊驅(qū)動(dòng)逆止門(mén)關(guān)閉。各段抽汽逆止門(mén)動(dòng)作邏輯如圖3 所示。

圖3 抽汽逆止門(mén)動(dòng)作邏輯

經(jīng)過(guò)對(duì)熱工系統(tǒng)邏輯和組態(tài)梳理、分析，造成閥門(mén)關(guān)閉延遲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的原因有以下五個(gè)方面：

（1） 手動(dòng)打閘后，ETS發(fā)出汽輪機(jī)跳閘信號(hào)存在延遲時(shí)間。該機(jī)組觸發(fā)汽輪機(jī)跳閘信號(hào)的條件是“高壓主汽閥關(guān)閉（二取一）且中壓主汽閥關(guān)閉（二取一）”，即手動(dòng)打閘后，ETS 未立即發(fā)出汽輪機(jī)跳閘信號(hào)，須判定高、中壓主汽門(mén)關(guān)閉后發(fā)出汽輪機(jī)跳閘信號(hào)，而表1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，汽輪機(jī)跳閘信號(hào)發(fā)出需要約0.23 s。

（2） 汽輪機(jī)跳閘信號(hào)在DCS 網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中存在跨DPU 網(wǎng)絡(luò)引用，為主要延遲時(shí)間。DPU17 和DPU18 為SCS 系統(tǒng)控制器，用于輔助設(shè)備連鎖保護(hù)，ETS 發(fā)出汽輪機(jī)跳閘信號(hào)通過(guò)硬接線傳輸至DPU3，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)跨DPU 傳輸至DPU17 和DPU18，而跨DPU 網(wǎng)絡(luò)引用的時(shí)間無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量，通過(guò)測(cè)試結(jié)果和各邏輯頁(yè)的執(zhí)行周期可計(jì)算出該延遲時(shí)間約為0.8 s至1 s。

（3） 信號(hào)在DPU 控制器內(nèi)頁(yè)間引用存在延遲時(shí)間，頁(yè)間引用次數(shù)越多，延遲時(shí)間越長(zhǎng)。由邏輯關(guān)系（圖1）和試驗(yàn)結(jié)果（表1）可知，頁(yè)間引用次數(shù)相同的四抽逆止門(mén)和五抽逆止門(mén)延遲關(guān)閉時(shí)間較為接近，約為1.3 s；一抽、二抽、三抽、六抽逆止門(mén)頁(yè)間引用次數(shù)相同，測(cè)試的延遲關(guān)閉時(shí)間接近，約為1.7 s 至1.9 s；三抽逆止門(mén)比四抽逆止門(mén)多1 次頁(yè)間引用，延遲時(shí)間增加約0.6 s。

（4） DPU 控制器內(nèi)邏輯頁(yè)和功能塊具有執(zhí)行序號(hào)，DPU 控制器內(nèi)執(zhí)行序號(hào)較小的邏輯頁(yè)和功能塊優(yōu)先執(zhí)行[4]，即命名序號(hào)小的邏輯頁(yè)延遲時(shí)間短。如表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)所示，同一控制器DPU17 的一抽、二抽、三抽、四抽逆止門(mén)關(guān)閉延遲時(shí)間對(duì)比，四抽逆止門(mén)1（P150）＜四抽逆止門(mén)2（P151）＜一抽逆止門(mén)（P161）＜二抽逆止門(mén)（P163）＜三抽逆止門(mén)（P165）。

（5） DPU 控制器邏輯頁(yè)執(zhí)行周期設(shè)置不合理，增加了逆止門(mén)關(guān)閉延遲時(shí)間。該機(jī)組逆止門(mén)相關(guān)邏輯頁(yè)的執(zhí)行周期均為0.2 s，汽輪機(jī)跳閘信號(hào)經(jīng)歷了2～3次邏輯頁(yè)執(zhí)行后發(fā)出逆止門(mén)關(guān)閉指令，理論延遲時(shí)間最長(zhǎng)可增加0.4 s 至0.6 s。邏輯頁(yè)執(zhí)行周期通?？扇?.05 s、0.1 s、0.2 s、0.5 s、1 s 等，適當(dāng)減小邏輯頁(yè)的執(zhí)行周期，可減小閥門(mén)關(guān)閉延遲時(shí)間。但邏輯頁(yè)執(zhí)行周期越短，DPU 承受的負(fù)荷越大，容易造成數(shù)據(jù)堵塞，嚴(yán)重時(shí)DPU 過(guò)載損壞，因此邏輯頁(yè)的執(zhí)行周期設(shè)置應(yīng)充分考慮硬件本身性能，可咨詢(xún)廠家后修改。

4 優(yōu)化建議

（1） 優(yōu)化汽輪機(jī)跳閘判定條件，將汽輪機(jī)跳閘信號(hào)定為“汽輪機(jī)安全油壓失去”，延遲時(shí)間縮短約0.23 s。目前該汽輪機(jī)跳閘判定條件為“高壓主汽閥關(guān)閉（二取一）且中壓主汽閥關(guān)閉（二取一）”，若遇到汽閥氧化皮脫落卡澀、汽閥彈簧緊力偏小、EH 油系統(tǒng)堵塞等問(wèn)題造成汽輪機(jī)汽閥無(wú)法關(guān)閉或關(guān)閉時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則汽輪機(jī)跳閘信號(hào)發(fā)出時(shí)間存在一定延遲，抽汽逆止門(mén)無(wú)法及時(shí)接收關(guān)閉指令出現(xiàn)無(wú)法關(guān)閉或關(guān)閉時(shí)間嚴(yán)重超時(shí)的情況，嚴(yán)重威脅汽輪機(jī)安全，因此將“汽輪機(jī)安全油壓失去”作為汽輪機(jī)跳閘信號(hào)，可快速關(guān)閉抽汽逆止門(mén)，保障機(jī)組安全。

（2） 利用ETS 備用接點(diǎn)將汽輪機(jī)跳閘信號(hào)通過(guò)硬接線直接傳輸至DCS 系統(tǒng)各段抽汽逆止門(mén)邏輯控制器，汽機(jī)跳閘信號(hào)的傳輸將跳過(guò)跨DPU 網(wǎng)絡(luò)引用環(huán)節(jié)，可縮短延遲時(shí)間約0.8 s。

（3） 優(yōu)化邏輯組態(tài)，提高控制各抽汽逆止門(mén)的邏輯頁(yè)和功能塊的執(zhí)行優(yōu)先級(jí)，同時(shí)減少邏輯頁(yè)間數(shù)據(jù)引用次數(shù)，較目前邏輯組態(tài)最大可縮短延遲時(shí)間約0.5 s。

（4） 適當(dāng)減小控制器內(nèi)邏輯頁(yè)執(zhí)行周期，具體數(shù)值可咨詢(xún)廠家后設(shè)置，在控制器性能允許的條件下，可一定程度上縮短延遲時(shí)間。

（5） 將手動(dòng)打閘信號(hào)通過(guò)硬接線直接傳輸至抽汽逆止門(mén)邏輯控制器，通過(guò)控制器內(nèi)邏輯關(guān)閉抽汽逆止門(mén)。手動(dòng)打閘信號(hào)跳過(guò)汽機(jī)跳閘信號(hào)和跨DPU 網(wǎng)絡(luò)引用環(huán)節(jié)直接關(guān)閉抽汽逆止門(mén)，可縮短延遲時(shí)間約1.1 s，效果明顯。但在鍋爐或發(fā)電機(jī)發(fā)出跳閘信號(hào)后，抽汽逆止門(mén)的動(dòng)作邏輯過(guò)程仍然按照?qǐng)D1 執(zhí)行，各抽汽逆止門(mén)關(guān)閉時(shí)間仍然存在超時(shí)的問(wèn)題。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某300 MW 汽輪機(jī)抽汽逆止門(mén)關(guān)閉延遲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)原因進(jìn)行分析，針對(duì)控制系統(tǒng)的邏輯提出優(yōu)化建議，能夠有效縮短各段抽汽逆止門(mén)關(guān)閉延遲時(shí)間，保障機(jī)組安全運(yùn)行，對(duì)同類(lèi)型汽輪機(jī)抽汽逆止門(mén)關(guān)閉時(shí)間超標(biāo)的原因分析和處理具有借鑒意義。