核電汽輪機(jī)閥門性能診斷實(shí)踐及改進(jìn)

吳松林　陳湛楊

【摘 要】介紹了我國某核電站M310汽輪機(jī)進(jìn)汽閥工作原理和性能測試現(xiàn)狀，結(jié)合汽輪機(jī)進(jìn)汽閥門的主要故障模式，提出對當(dāng)前汽輪機(jī)進(jìn)汽閥進(jìn)行系統(tǒng)在線性能測試的改進(jìn)方案，研究將先進(jìn)閥門診斷技術(shù)應(yīng)用于對汽輪機(jī)進(jìn)汽閥門的故障診斷、分析、事故預(yù)防、性能再鑒定以及預(yù)防性維護(hù)活動中，促進(jìn)優(yōu)化汽輪機(jī)進(jìn)汽閥門預(yù)防性維修策略，以提高核電站汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行可靠性。

【關(guān)鍵詞】汽輪機(jī)；主汽閥門；預(yù)防性維護(hù)

中圖分類號： TK264.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）14-0049-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.021

Diagnosis practice and improvement of the performance of nuclear steam turbine valve

WU Song-lin CHEN Zhan-yang

（Fuqing Nuclear Power Plant， Fuqing Fujian 350318， China）

【Abstract】This paper introduces the working principle and performance test status of the steam inlet valve of M310 steam turbine in a nuclear power station in our country. Combined with the main fault mode of the steam turbine inlet valve， an improved scheme for the on-line performance testing of the current steam turbine inlet valve is put forward， and the advanced valve diagnosis technology is applied to the steam turbine inlet valve. In order to improve the safety operation reliability of steam turbine generator set in nuclear power plant， the preventive maintenance strategy of steam turbine inlet valve is promoted in the activities of obstacle diagnosis， analysis， accident prevention， performance re identification and preventive maintenance.

【Key words】Steam turbine； Main steam valve； Preventive maintenance

0 引言

汽輪機(jī)在運(yùn)行的過程中，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)汽輪機(jī)進(jìn)汽閥開度實(shí)現(xiàn)對汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速、功率、頻率、壓力等動態(tài)指標(biāo)進(jìn)行控制，并對機(jī)組的轉(zhuǎn)速超限、轉(zhuǎn)速加速度超限、負(fù)荷變化速度及蒸汽需求等進(jìn)行限制。汽輪機(jī)進(jìn)汽閥作為汽輪機(jī)控制調(diào)節(jié)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其工作性能必須足夠可靠才能保證發(fā)電機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行，為此汽輪機(jī)進(jìn)汽閥的性能測試和鑒定顯得格外重要。汽輪機(jī)進(jìn)汽閥的故障原因種類較多，故障原因的發(fā)現(xiàn)、診斷、解決、預(yù)防往往需要做大量研究工作，在實(shí)踐過程中總結(jié)了各方面經(jīng)驗(yàn)，并做了部分改進(jìn)研究，以期提高汽輪機(jī)進(jìn)汽閥門工作的可靠性。

1 汽輪機(jī)主汽閥工作原理簡介

汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制中，汽機(jī)負(fù)荷控制邏輯通過目標(biāo)負(fù)荷計(jì)算出閥門開度指令，控制系統(tǒng)通過模擬量輸出卡件輸出閥門開度指令電流信號至伺服放大器卡件，伺服放大器根據(jù)上游收到的主汽閥閥門開度指令和收到的來自主調(diào)閥閥位反饋信號、比例閥先導(dǎo)閥位置反饋信號、比例閥主閥位置反饋信號運(yùn)算出作用在比例閥先導(dǎo)閥上的開度指令信號，比例方向閥主閥的位置反饋決定了主調(diào)閥閥門的進(jìn)油，從而控制汽輪機(jī)閥門開度。因此用于汽輪機(jī)主調(diào)節(jié)閥控制的比例閥是一個(gè)兩極放大的比例閥。初級閥為先導(dǎo)級電磁閥，次級閥為滑閥系統(tǒng)。初級閥是一個(gè)比例閥，其主要元件為比例電磁鐵和滑閥，電信號通過比例電磁鐵轉(zhuǎn)化為滑閥的直線往返運(yùn)動，將電信號轉(zhuǎn)換為液壓信號；次級是主滑閥系統(tǒng)，初級滑閥A、B口輸出的液壓信號分別控制主滑閥兩端的控制油壓，進(jìn)而控制主滑閥芯的位置，從而控制主滑閥A、B口油壓。主滑閥和先導(dǎo)閥均帶有電氣反饋傳感器，能將閥芯的位置信號轉(zhuǎn)化為4～20mA的電流信號。

2 汽輪機(jī)進(jìn)汽閥性能測試實(shí)踐與思考

在機(jī)組調(diào)試初期汽輪機(jī)進(jìn)汽閥性能測試使用的是一套由閥門廠家開發(fā)的就地離線閥門調(diào)試安裝工具裝置，該裝置需要將控制系統(tǒng)中的伺服放大器卡件拆除并安裝在試驗(yàn)裝置上，將汽輪機(jī)主調(diào)閥的各信號電纜并將閥門信號接口通過專用電纜連接至試驗(yàn)裝置，以實(shí)現(xiàn)在閥門安裝現(xiàn)場對閥門的性能和控制進(jìn)行調(diào)試。該試驗(yàn)裝置的特點(diǎn)是僅適用于閥門初期的安裝調(diào)試，功能單一，僅為閥門本體上的傳感器提供電源，為閥門伺服放大器提供安裝載體，為各信號電纜提供接口等，具體實(shí)施過程需要的附加工作條件多，工作效率低，便捷化程度低，還需要另外的信號發(fā)生和采集設(shè)備才能實(shí)現(xiàn)。該試驗(yàn)裝置的另一個(gè)特點(diǎn)是僅僅能夠進(jìn)行閥門的離線性能測試，在機(jī)組運(yùn)行后使用該裝置進(jìn)行試驗(yàn)不具可行性。

在汽輪機(jī)處于功率運(yùn)行過程中，由于汽輪機(jī)進(jìn)汽閥門一直處于工作狀態(tài)，不可能對閥門進(jìn)行長時(shí)間離線動作試驗(yàn)，閥門動作將對汽輪發(fā)電機(jī)的輸出功率有直接影響，過程具有高風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)。而汽輪機(jī)進(jìn)汽閥的動作可靠性需要進(jìn)行充分的測試驗(yàn)證，前述試驗(yàn)裝置不可能滿足實(shí)際閥門性能測試的需要，為此需要對閥門的性能進(jìn)行在線測試。為此汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一套在線動作試驗(yàn)邏輯。按照試驗(yàn)邏輯，通過自動化控制邏輯測試程序?qū)⑵啓C(jī)調(diào)節(jié)閥門的控制切換到測試狀態(tài)，閥門的開度指令由測試程序發(fā)出，處于測試狀態(tài)的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥按照測試邏輯指令緩慢開小，然后全關(guān)對應(yīng)進(jìn)汽回路汽輪機(jī)主汽閥，這樣使得其它處于工作狀態(tài)的汽輪機(jī)進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥緩慢開大維持汽輪機(jī)進(jìn)汽總量穩(wěn)定，達(dá)到避免功率擾動過大的目的。通過順序控制指令閥門在預(yù)期時(shí)間內(nèi)能夠正常開關(guān)動作，閥門反饋正常即可完成試驗(yàn)，控制邏輯自動產(chǎn)生試驗(yàn)合格信號反饋。該閥門性能試驗(yàn)的方法主要特點(diǎn)是能夠進(jìn)行在線性能測試，具有快速便捷的特點(diǎn)，自動化程度較高，但是存在高風(fēng)險(xiǎn)，會對于汽輪機(jī)組的功率產(chǎn)生影響，引發(fā)功率波動，會對機(jī)組安全運(yùn)行也產(chǎn)生一定不利影響。另外該方法得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)僅包含了閥位動作曲線，僅僅能夠反映閥門的活動性能是否正常，不能夠滿足試驗(yàn)不合格情況下進(jìn)行異常原因分析的數(shù)據(jù)需求，導(dǎo)致即使發(fā)現(xiàn)閥門異常也往往束手無策。

上述系統(tǒng)在線狀態(tài)下的閥門性能試驗(yàn)方法亦不能很好滿足對汽輪機(jī)進(jìn)汽閥門性能測試和異常原因診斷的需求，為此本文提出了一種在實(shí)踐中摸索出的機(jī)組功率運(yùn)行條件下汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥性能測試方法作為補(bǔ)充，以滿足核電機(jī)組長檢修周期發(fā)展趨勢下對汽輪機(jī)進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥進(jìn)行性能測試的方法。下面是該方法的情況概述：

通過在汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中接入信號采集裝置采集汽輪機(jī)進(jìn)汽閥的主閥位反饋信號、比例先導(dǎo)閥閥位反饋、比例主閥閥位反饋信號、比例閥控制指令信號、油動機(jī)壓力信號，在汽輪機(jī)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)工程師站中輸入指令將調(diào)節(jié)閥開度緩慢減小全關(guān)位置，再將對應(yīng)環(huán)路的主汽閥置為全關(guān)狀態(tài)。這樣就將汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥門放到一種可動作而不影響汽輪機(jī)功率的安全狀態(tài)，通過輸出不同閥門動作指令而獲取閥門的動態(tài)動作數(shù)據(jù)，為進(jìn)行故障原因診斷提供充足依據(jù)。采用該方法已經(jīng)成功完成了多次閥門動作異常的原因分析，產(chǎn)生了不錯(cuò)的實(shí)際應(yīng)用效果。

在上述汽輪機(jī)進(jìn)汽閥門性能測試活動中，面對汽輪機(jī)閥門故障的種類加較多，閃發(fā)異常動作類故障往往更難難進(jìn)行故障原因的定位，在閥門出現(xiàn)非上游控制指令導(dǎo)致的異常動作后需要加裝臨時(shí)數(shù)據(jù)采集裝置，采集裝置同汽輪機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行連接的保留時(shí)間往往需要等待故障再次閃發(fā)后才能撤除，不能及時(shí)將故障排除，為機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行留下較大隱患。

3 汽輪機(jī)進(jìn)汽閥性能測試改進(jìn)方向研究

經(jīng)過上節(jié)的對汽輪機(jī)進(jìn)汽閥性能測試實(shí)踐與思考，我們不難總結(jié)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前汽輪機(jī)進(jìn)汽閥門性能測試工作存在較多不足之處：

（1）汽輪機(jī)進(jìn)汽閥離線性能測試不能滿足核電廠對閥門性能可靠性測試的要求，尤其是現(xiàn)在核電廠正朝長檢修周期發(fā)展背景下，僅僅適用于設(shè)備的安裝調(diào)試，且工作效率較低，功能單一。

（2）汽輪機(jī)進(jìn)汽閥帶負(fù)荷狀態(tài)下性能測試所獲取的數(shù)據(jù)過少，不足以滿足對閥門的異常診斷以及原因分析的數(shù)據(jù)需求。

（3）當(dāng)前實(shí)踐過程中采取的通過技術(shù)人員介入控制系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)存在重復(fù)勞動量大，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度低，數(shù)據(jù)分析應(yīng)用困難，數(shù)據(jù)采集頻度低，自動化程度低，數(shù)據(jù)獲取不及時(shí)等問題。

結(jié)合在第2節(jié)汽輪機(jī)進(jìn)汽閥性能測試的實(shí)踐與思考，我們可以一系列改進(jìn)實(shí)現(xiàn)各種性能測試方法的優(yōu)點(diǎn)集成，在電站已有汽機(jī)進(jìn)汽閥門自動化性能測試基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，將汽輪機(jī)進(jìn)汽閥的主閥位反饋信號、比例先導(dǎo)閥閥位反饋信號、比例主閥閥位反饋信號、比例閥控制指令信號、油動機(jī)壓力信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，接入電站實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，這樣利用汽機(jī)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)本身對汽輪機(jī)進(jìn)汽閥門的性能進(jìn)行測試，省去了人工進(jìn)行閥門性能試驗(yàn)帶來的大量數(shù)據(jù)采集工作，同時(shí)也能為閥門工作狀態(tài)下發(fā)生異常情況時(shí)提供充分的分析數(shù)據(jù)。

4 汽輪機(jī)進(jìn)汽閥常見動作異常原因識別

下表是基于核電廠汽輪機(jī)進(jìn)汽閥檢修歷史數(shù)據(jù)總結(jié)的常見的閥門動作異常原因分析和排除方法。分析依據(jù)主要參考閥門的控制指令、閥門位置反饋、控制油壓力、控制油壓力。因此掌握了控制指令、閥門位置反饋、控制油壓力、控制油壓力特性曲線，通過以往發(fā)生故障的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取即可快速確定閥門動作異常的具體原因。

5 汽輪機(jī)進(jìn)汽閥性能測試發(fā)展與展望

當(dāng)前閥門診斷技術(shù)在智能型氣動閥運(yùn)行和維護(hù)上經(jīng)過多年發(fā)展，應(yīng)用已經(jīng)較為廣泛，但是由于各個(gè)閥門廠商的特殊性及汽輪機(jī)進(jìn)汽閥門的工作原理的特殊性，應(yīng)用于汽輪機(jī)進(jìn)汽閥的閥門診斷技術(shù)研究設(shè)備和軟件較少。

更進(jìn)一步的研究改進(jìn)方向是將先進(jìn)的閥門診斷技術(shù)應(yīng)用于汽輪機(jī)進(jìn)汽閥門的故障診斷和預(yù)防性維修活動中，利用閥門診斷技術(shù)不需要對閥門解體即可準(zhǔn)確找到故障原因所在，從而減少對汽輪機(jī)進(jìn)汽閥門預(yù)防性維修解體帶來的維修成本高、檢修工期長、備件更換量大、預(yù)防性檢修頻次少、異常診斷完全依賴個(gè)人經(jīng)驗(yàn)、閥門異常不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)等問題，提高核電機(jī)組的汽輪機(jī)運(yùn)行的可靠性。

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