M701F型聯(lián)合循環(huán)機(jī)組汽輪機(jī)旁路閥執(zhí)行器改造淺析

李 東

（深圳能源集團(tuán)股份有限公司東部電廠，廣東 深圳 518120）

M701F型聯(lián)合循環(huán)機(jī)組汽輪機(jī)旁路閥執(zhí)行器改造淺析

李 東

（深圳能源集團(tuán)股份有限公司東部電廠，廣東 深圳 518120）

本文對(duì)汽輪機(jī)旁路閥的常發(fā)性故障作了簡要分析和總結(jié)，針對(duì)故障原因提出了旁路閥執(zhí)行器的改造方案，并對(duì)改造過程中所遇到的問題及處理方法進(jìn)行了詳細(xì)地闡述。

燃?xì)廨啓C(jī)；汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)；智能執(zhí)行器；鍋爐水位

燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)電廠余熱鍋爐系統(tǒng)有高、中、低壓3個(gè)系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)于這3個(gè)壓力級(jí)別的主蒸汽，汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)分別設(shè)置有高、中、低壓旁路閥門各一個(gè)，均按100%冬季工況下最大蒸汽流量設(shè)計(jì)。汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)的作用是在機(jī)組啟停和甩負(fù)荷時(shí)，保證鍋爐最小負(fù)荷的蒸發(fā)量，防止余熱鍋爐再熱器、過熱器干燒，保護(hù)再熱器和過熱器；在甩負(fù)荷和緊急停機(jī)時(shí)，旁路閥快速打開，排出鍋爐內(nèi)蒸汽防止鍋爐超壓；另外在起動(dòng)過程中通過旁路系統(tǒng)可以加快起動(dòng)速度，改善起動(dòng)條件，使蒸汽參數(shù)與汽缸金屬溫度相匹配，從而提高機(jī)組運(yùn)行的安全性和靈活性；在機(jī)組異常情況下為了保護(hù)凝汽器，旁路閥配有快關(guān)功能。

1 閥門故障及其原因分析

1.1 閥門易出故障種類

汽輪機(jī)系統(tǒng)的高、中、低壓旁路閥均采用美國CCI公司的DRAG閥，配備同廠家的STI電位器式閥門位置反饋裝置和帶I/P氣動(dòng)放大器的閥門定位調(diào)節(jié)部套。機(jī)組投運(yùn)至今，旁路閥門經(jīng)常出現(xiàn)故障，這主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）如果閥門長時(shí)間保持同一位置不變，當(dāng)對(duì)閥門進(jìn)行操作時(shí)，就經(jīng)常會(huì)發(fā)生閥門拒動(dòng)故障。

2）偶爾出現(xiàn)誤動(dòng)現(xiàn)象。

3）位置反饋經(jīng)常出現(xiàn)漂移。

1.2 閥門拒動(dòng)原因檢查分析

1）檢查執(zhí)行器管路，氣體管路無明顯漏氣，儲(chǔ)氣罐壓力正常。

2）檢查儀用空氣供氣壓力，供氣壓力為0.6MPa，正常。

3）檢查閥門開度指令信號(hào)。通過操作員站的手操器發(fā)出閥門開度指令，就地用萬用表對(duì)信號(hào)指令回路電流進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果顯示正常。

4）檢查閥門閥蓋緊度正常，閥桿無明顯拉傷，用手輪對(duì)閥門進(jìn)行開關(guān)操作，沒有發(fā)現(xiàn)明顯卡澀現(xiàn)象。

5）執(zhí)行器校準(zhǔn)不當(dāng)。閥門關(guān)閉時(shí)，執(zhí)行器上氣口壓力側(cè)的滿壓力，下氣口側(cè)的為零壓，執(zhí)行器校準(zhǔn)正常。

6）檢查氣動(dòng)放大器動(dòng)作，正常。

7）檢查執(zhí)行器及I/P模塊內(nèi)部密封件。拆卸執(zhí)行器模塊，檢查內(nèi)部密封圈完好，內(nèi)部無水，無雜物，無明顯結(jié)垢。但是發(fā)現(xiàn)內(nèi)部一針閥由于彈簧失效，無法正常動(dòng)作。對(duì)該針閥模塊進(jìn)行更換后，旁路閥動(dòng)作恢復(fù)正常。

旁路閥執(zhí)行器各個(gè)功能模塊為串聯(lián)組合結(jié)構(gòu)，如果某單個(gè)模塊出現(xiàn)問題，就會(huì)導(dǎo)致執(zhí)行器控制氣氣路不暢，從而出現(xiàn)閥門拒動(dòng)的故障。在對(duì)旁路閥拒動(dòng)和誤動(dòng)的缺陷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后，發(fā)現(xiàn)所有拒動(dòng)和誤動(dòng)故障基本上都是由于針閥模塊內(nèi)彈簧失效引起的。由于執(zhí)行器模塊備件為整體化結(jié)構(gòu)，無單獨(dú)針閥模塊備件，故障排除時(shí)需對(duì)模塊整體進(jìn)行更換，因此每次維護(hù)成本較大，浪費(fèi)較為嚴(yán)重。

1.3 閥門位置反饋漂移故障

電廠機(jī)組屬于調(diào)峰機(jī)組，晝起夜停，閥門動(dòng)作較為頻繁，由于閥門振動(dòng)等原因使得反饋信號(hào)經(jīng)常出現(xiàn)漂移現(xiàn)象。另外，機(jī)械式執(zhí)行器和其I/P模塊普遍采用滑閥、噴嘴或者活塞等結(jié)構(gòu)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換和定位，由于機(jī)械部件配合和性能等因素，機(jī)械式執(zhí)行器的定位精度相對(duì)較低，且受環(huán)境因素如氣源品質(zhì)、管道和閥門的震動(dòng)影響較大，容易產(chǎn)生漂移，存在死區(qū)較大等問題，因此給運(yùn)行人員對(duì)閥門狀態(tài)的監(jiān)視和判斷帶來了較大干擾。

汽輪機(jī)旁路閥門的作用在機(jī)組整個(gè)工藝過程中的作用十分關(guān)鍵，旁路閥故障已成為機(jī)組安全生產(chǎn)的嚴(yán)重隱患，為此，在對(duì)故障原因進(jìn)行了仔細(xì)分析總結(jié)后，決定對(duì)旁路閥的定位及反饋裝置進(jìn)行換型改造。

2 閥門執(zhí)行器及其I/P升級(jí)改造

2.1 智能執(zhí)行器TZIDC介紹

經(jīng)過技術(shù)研究，決定將汽輪機(jī)旁路閥門現(xiàn)有的機(jī)械式執(zhí)行器換型為ABB廠家智能型執(zhí)行器TZIDC。該智能型執(zhí)行器主要為解決傳統(tǒng)控制器調(diào)試時(shí)間長、體積大、控制精度不高設(shè)計(jì)的，可以較好的解決以上問題；同時(shí)，智能執(zhí)行器配有模塊化的閥位反饋?zhàn)兯推骱托谐涕_關(guān)，便于后續(xù)的調(diào)試和維護(hù)。

TZIDC執(zhí)行器是一種具備通信能力、可進(jìn)行電子配置參數(shù)的執(zhí)行器，設(shè)計(jì)小巧緊湊，采用模塊化結(jié)構(gòu)，能通過終端控制元件相匹配的控制參數(shù)由智能執(zhí)行器自動(dòng)確定，節(jié)省原來大量的調(diào)試時(shí)間并達(dá)到最優(yōu)化控制。

TZIDC執(zhí)行器具有良好的氣動(dòng)性能，帶有后置氣動(dòng)放大器的I/P模塊來控制氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)增壓或減壓是連續(xù)的，可以達(dá)到良好的控制效果。

采用智能控制系統(tǒng)，執(zhí)行器內(nèi)置操作面板，便于調(diào)試和運(yùn)行監(jiān)控，取代了過去機(jī)械式定位，增加了執(zhí)行器的穩(wěn)定性和精確度。

TZIDC執(zhí)行器輸出控制氣量較小，不易控制需氣量大的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，需在控制氣路中加裝VolumeBooster來保證控制時(shí)間。

2.2 改造方案

高壓旁路閥原執(zhí)行器型號(hào)是SA/CL-1/EPDN1/4，閥門采用了滑軌式凸輪和Motion Converter（MC）-角行程轉(zhuǎn)換器將閥門直行程轉(zhuǎn)換為執(zhí)行器和閥位反饋?zhàn)兯推鞯慕切谐?。TZID-C執(zhí)行器本身可以包含模塊化的閥位反饋?zhàn)兯推?，所以只需要一個(gè)安裝位置，執(zhí)行器的接口標(biāo)準(zhǔn)和原來閥門所用的閥位反饋裝置2030的接口相同，改造盡量避免對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和原有氣路作大的改動(dòng)，盡量保持原來的氣管路位置不變。接口處如圖1所示（圖中尺寸單位為毫米）。

圖1 執(zhí)行器剖面接口圖

如果根據(jù)閥門行程和連桿長度計(jì)算得出的實(shí)際行程造成的轉(zhuǎn)動(dòng)角度可以滿足新的執(zhí)行器的要求，改造過程中就將盡量保留原有的反饋連接件和角行程轉(zhuǎn)換器，拆除原有執(zhí)行器IP和反饋?zhàn)兯推?030，在2030位置上固定安裝新的執(zhí)行器；視現(xiàn)場(chǎng)情況，在原有MC的位置安裝新的角行程轉(zhuǎn)換器和新的凸輪?？紤]到兩種定位器輸出氣流量大小的區(qū)別，為了保證足夠的空氣流量，不影響閥門動(dòng)作速度，建議在原有氣路的基礎(chǔ)上增加VolumeBooster，用執(zhí)行器的較小流量控制較大的氣流保證閥門的動(dòng)作時(shí)間。執(zhí)行器和原有反饋連接桿之間需要加工延長軸進(jìn)行連接。同時(shí)，要對(duì)執(zhí)行器進(jìn)出口和VolumeBooster的進(jìn)出口用合適的轉(zhuǎn)接頭和不銹鋼氣源管進(jìn)行重新配接。安裝過程要注意調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)角度，保證執(zhí)行器順利接入管路。圖2、圖3將改造前后氣路作以對(duì)比。

圖2 改造前的氣路圖

圖3 改造后的氣路圖

中低旁壓力調(diào)節(jié)閥采用和高旁壓力調(diào)節(jié)閥同樣的方案，因?yàn)橹械蛪号月吩瓉硪呀?jīng)設(shè)計(jì)VolumeBooster，所以不需要如高旁一樣對(duì)氣路作較大改動(dòng)，只需要安裝執(zhí)行器和適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換器、連接新的氣源管路就可以了。

2.3 改造過程中出現(xiàn)的問題及其解決方法

電廠采用的是杭州鍋爐廠的NG-M701F-R三壓、一次中間再熱、臥式、無補(bǔ)燃、自然循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)余熱鍋爐，與M701F型燃?xì)廨啓C(jī)相匹配。其汽包尺寸見表1。

表1 鍋爐汽包參數(shù)

由表1可知，中壓汽包體積比高壓，低壓汽包要小很多，在機(jī)組運(yùn)行中工作水位限定范圍較窄，特別是在機(jī)組啟停的變工況條件下，對(duì)中壓汽包水位的控制要求比較高，由于燃?xì)廨啓C(jī)輪機(jī)機(jī)組為調(diào)峰機(jī)組，每天日起停，所以中壓水位的控制顯得尤為重要。

燃機(jī)電廠為高、中、低三壓鍋爐，中壓蒸汽系統(tǒng)受高壓旁路和中壓過熱蒸汽兩個(gè)系統(tǒng)的影響，工藝過程復(fù)雜。汽輪機(jī)旁路閥開度的變化直接會(huì)影響到中壓汽包水位，所以旁路閥響應(yīng)的快速性和動(dòng)作的準(zhǔn)確性對(duì)中壓汽包水位的穩(wěn)定控制有著極其重要的作用。

旁路閥改造的同時(shí)，該廠對(duì)鍋爐汽包水位測(cè)量系統(tǒng)也進(jìn)行了優(yōu)化改造。水位測(cè)量系統(tǒng)的改造，使得汽包測(cè)量水位的變化更準(zhǔn)確，更靈敏。而這也就對(duì)旁路閥動(dòng)作響應(yīng)的快速性和準(zhǔn)確性提出了更高的要求。為保證中壓汽包水位的穩(wěn)定，機(jī)組的安全運(yùn)行，對(duì)此進(jìn)行了分析，具體采用以下優(yōu)化方法。

提高閥門的動(dòng)作響應(yīng)速度。按照ABB廠家資料，CCI旁路閥全開時(shí)間在10s以內(nèi)，都為正常。安裝執(zhí)行器后動(dòng)作時(shí)間與改造前相差在2s以內(nèi)，且在10s以內(nèi)，為正常狀態(tài).為使閥門動(dòng)作更快，同比例增加智能執(zhí)行器的PID參數(shù)，已使閥門開快，但是在參數(shù)改變的范圍不大，效果不是非常明顯，P參數(shù)過大使閥門在動(dòng)作過程中出現(xiàn)在一個(gè)位置反復(fù)振蕩的情況。為進(jìn)一步加快閥門相應(yīng)時(shí)間，但同時(shí)不出現(xiàn)振蕩情況，在執(zhí)行器的氣缸前增加一組氣動(dòng)放大器，來增大回路中的氣量，從而達(dá)到提高閥門響應(yīng)速度的目的。

控制邏輯優(yōu)化。在對(duì)旁路閥的控制邏輯進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)旁路閥開度控制PID參數(shù)（SG模塊TBP15SG007）的下限設(shè)置為-5%（如圖4所示）。每當(dāng)旁路閥由關(guān)至開時(shí)，PID輸出總是從-5%開始向正向進(jìn)行積分，當(dāng)PID輸出大于0%時(shí)，閥門才開始開啟。據(jù)實(shí)際觀察，PID輸出從-5%開始正向積分至0%，平均耗時(shí)大概15s，而在15s的這段時(shí)間里，中壓汽包水位由于系統(tǒng)憋壓造成的虛假水位下降幅度可以達(dá)到150mm左右。因此，可以適當(dāng)提高此下限值，縮短PID正向積分時(shí)間，從而提高閥門響應(yīng)速度，減小虛假水位帶來的不利影響。

圖4 中壓旁路控制邏輯圖

圖5 中壓旁路控制邏輯圖

如圖5所示，控制邏輯中在旁路閥的輸入，輸出指令增加了函數(shù)功能F（X）模塊。因?yàn)樵瓩C(jī)械式執(zhí)行器定位不準(zhǔn)確，實(shí)際閥位動(dòng)作值與指令有偏差，所以引入了F（X）模塊對(duì)閥位指令和閥位反饋進(jìn)行修正。安裝智能執(zhí)行器后，就地閥門定位準(zhǔn)確，閥位指令、就地閥門開度位置和閥位反饋基本一致，所以將F（X）設(shè)定恢復(fù)為線性。為加快旁路閥從零位的開啟時(shí)間（從運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)得知，旁路閥從零位開啟時(shí)間對(duì)水位的影響很大），可以對(duì)F（X）進(jìn)行適當(dāng)修正，即在輸入為大于0的小信號(hào)時(shí)，略微加大輸出信號(hào)指令，使旁路閥盡快開啟，在動(dòng)作到1%左右時(shí)，再恢復(fù)線性控制。實(shí)際效果也需要起停機(jī)時(shí)進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。

2.4 改造效果

電廠先后對(duì)1號(hào)、2號(hào)機(jī)組旁路閥執(zhí)行器及I/P，氣體部套實(shí)施了升級(jí)改造。改造后，又通過進(jìn)一步改進(jìn)就地設(shè)備，同時(shí)對(duì)汽包水位邏輯進(jìn)行優(yōu)化很好地解決了以下問題：

1）旁路閥門動(dòng)作指令與閥位反饋非線性的問題。

2）旁路閥誤動(dòng)和拒動(dòng)的問題。

3）優(yōu)化旁路閥門動(dòng)作特性，較好地配合了機(jī)組啟停過程中鍋爐水位的變化，提高了機(jī)組運(yùn)行的可靠性。

4）解決了閥位反饋經(jīng)常出現(xiàn)漂移的問題。

3 結(jié)論

從對(duì)上述問題的分析不難看出，要使旁路閥動(dòng)作準(zhǔn)確，且能很好地配合機(jī)組起動(dòng)過程中水位的變化，是一件困難的事。但是通過對(duì)旁路閥執(zhí)行器及I/P，氣體部套升級(jí)改造和后續(xù)的控制控制邏輯優(yōu)化，保證了旁路閥在機(jī)組起停過程中正常動(dòng)作，并減少了旁路閥動(dòng)作對(duì)鍋爐汽包水位變化的影響，保障了機(jī)組安全運(yùn)行和順利起停，防止了機(jī)組跳閘的嚴(yán)重后果，給電廠帶來了直接經(jīng)濟(jì)效益。

[1] ABB. ABB定位器使用手冊(cè)[Z]. 2009.

[2] 三菱重工業(yè)有限公司. 三菱Diasys控制邏輯手冊(cè)[Z]. 2003.

Analysis of Steam Turbine Bypass Valve Actuator in M701F Combine Cycle Power Plant

Li Dong
(Shenzhen Energy Group Co., Ltd, Dongbu Power Plant, Shenzhen, Guangdong 51812)

Turbine bypass valve is an important part of Steam Turbine playing an important role when the units start and stop. For the gas turbine combined cycle unit that is particularly important fully automatic bypass system. This article analyzes and concludes the hazards of turbine bypass valve and proposing an optimization program. The problems encountered in the process of transformation and the treatment methods are described in detail.

gas turbine; bypass system of steam turbine; intelligent actuator; boiler level

李 東（1981-），男，技術(shù)工程師，現(xiàn)從事燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠檢修安全管理工作。