#2 汽輪機主汽門、調門異常擺動分析及處置

王勝輝，高振淵

（中天合創(chuàng)能源有限責任公司化工分公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

中天合創(chuàng)能源有限責任公司是國內目前在運最大規(guī)模的煤制烯烴項目，項目于2016 年10 月試運行，熱力發(fā)電系統(tǒng)設計有6 臺高壓煤粉鍋爐，配有總量為300 MW 的發(fā)電機組（#1 汽輪發(fā)電機組為30 MW 背壓機組、#2、#3 汽輪發(fā)電機組為135 MW 抽凝機組）；公司裝置區(qū)正常工況運行時用電總負荷在330 MW 左右，其中#2、#3 汽輪發(fā)電機組共計發(fā)電量270 MW·h，#1 汽輪發(fā)電機組由于蒸汽不平衡暫無法運行，缺額電量從外電網吸取。

中天合創(chuàng)能源有限責任公司廠區(qū)所在烏審斷面處于電網供電的末端，受制于外電網供電能力不足的影響，電力公司對公司下網用電頻繁限制，不能完全滿足公司安全生產用電需求。在這種情況下，若#2、#3汽輪發(fā)電機組發(fā)電機因故障或檢修停運時，電網沒有足夠的電力負荷供應，需要生產系統(tǒng)大量裝置迅速停車、壓減負荷來保證供電穩(wěn)定。

#2、#3 汽輪機均采用DEH（Digital Electric Hydraulic，汽輪機數(shù)字電液）控制系統(tǒng)，其控制精度高、反應速度快、動態(tài)響應好，DEH 控制系統(tǒng)在整個系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用。然而主汽門、調門控制系統(tǒng)就地設備所處的環(huán)境溫度高，振動大，EH 油（抗燃油）的品質時刻影響著伺服閥的工作性能，特別是EH 油油質劣化變質后形成的油泥、凝膠等物質將造成整個EH 油系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，甚至造成機組非計劃停機事故發(fā)生[1]。

汽輪機主汽門、調門異常擺動故障在熱電廠中出現(xiàn)頻次較多，但具體原因大都是某個部件出現(xiàn)問題。本文通過對故障部件進行解體檢查，在深入研究的基礎上查找出導致汽輪機主汽門、調門異常擺動的根本原因，并給出較為完善的解決方案，對其他同類型的電廠解決相似的問題具有一定的借鑒作用。

1 設備、控制系統(tǒng)簡介

1.1 汽輪機EH 油系統(tǒng)

中天合創(chuàng)能源責任公司熱電部汽機裝置#2 汽輪機采用上海電氣集團股份有限公司生產的CCZK135-11.8/1.8/0.9 型汽輪機，該機組為超高壓、單軸、直接空冷、具有2 級可調整抽汽式汽輪機；DEH 系統(tǒng)采用艾默生過程控制有限公司的產品，為高壓抗燃油型數(shù)字電液調節(jié)系統(tǒng)，機組EH 液壓系統(tǒng)配置有2 個高壓自動主汽門油動機（TV1、TV2）、4 個高壓調節(jié)汽門油動機（GV1—GV4）、3 個中壓抽汽門油動機（IV1—IV3），所有油動機都采用單側進油、連續(xù)控制式結構，油動機靠油壓作用開啟閥門，靠彈簧作用關閉閥門。

1.2 機組主汽門、調門控制系統(tǒng)工作原理

#2 汽輪機高壓調節(jié)汽門油動機屬連續(xù)控制型執(zhí)行機構，可以將高壓調節(jié)汽門控制在任一位置上，成比例地調節(jié)進汽量以適應汽輪機運行。它一般是由伺服閥、伺服回路控制卡（伺服卡）、線性位移傳感器（Linear Variable Differential Transformer，LVDT）、EH 油液壓系統(tǒng)組成。

經DEH 控制器運算處理后，開大或關小高調門的電氣信號，經過伺服放大器放大后，在電液伺服閥中將電氣信號轉換為液壓信號，使電液伺服閥主閥芯移動，并將液壓信號放大后控制高壓抗燃油的通道，使高壓抗燃油進入執(zhí)行機構活塞桿下腔，使執(zhí)行機構活塞向上移動，帶動高壓調節(jié)汽閥使之開啟，或者是使壓力油自活塞桿下腔泄出，借彈簧力使活塞下移，關閉高壓調節(jié)汽閥。當執(zhí)行機構活塞移動時，同時帶動2個LVDT 線性位移傳感器，將執(zhí)行機構活塞的位移轉換成電氣信號，作為負反饋信號與前面計算機處理后送來的信號相疊加，輸入伺服放大器。當伺服放大器輸入信號為0 時，伺服閥的主閥回到中間位置，不再有高壓油通向執(zhí)行機構活塞桿下腔，此時高壓調節(jié)汽閥便停止移動，停留在一個新的工作位置。

油動機控制塊上裝有一個卸載閥。當汽機轉速超過103%額定轉速或發(fā)生故障需緊急停機時，危急中斷系統(tǒng)動作時，使機組OPC（OLE for Process Control，針對現(xiàn)場控制系統(tǒng)的一個工業(yè)標準接口）母管油壓泄去，卸載閥快速打開，迅速泄去執(zhí)行機構活塞桿下腔的壓力油，在彈簧力的作用下迅速關閉各高壓調節(jié)汽門[1]。

2 故障現(xiàn)象及直接損失

2.1 故障現(xiàn)象

2021-11-02#2 汽輪發(fā)電機組為配合電儀裝置#2 主變清掃預試停機8 h，根據(jù)技術監(jiān)督導則要求完成了相關靜態(tài)試驗，自2021-11-02 啟動并網發(fā)電2021-12-09，機組在EH 母管油壓無波動和主汽門、調門閥門指令不變的情況下，多次出現(xiàn)閥門開度異常擺動的現(xiàn)象，如表1 所示。電負荷波動較大，而且中壓調門異常關閉導致中低壓抽汽管道安全閥起跳，嚴重影響裝置運行。

表1 機組主汽門、調門若干次擺動情況匯總

2.2 直接損失

根據(jù)“內發(fā)改價費字〔2020〕1290 號”文件中2021—2022 蒙西電網輸配電價表規(guī)定：最大需量電費為28 元/kW·月，中天合創(chuàng)能源有限責任公司正常工況下的下網電量為6 萬kW·h 左右，#2 汽輪機主汽門、調門故障期間，最大下網電量達到了10 萬kW·h，相當于最大需量電量增加了4 萬kW·h，當月帶來的直接經濟損失約112 萬。故障期間為保證#2 汽輪發(fā)電機組工況安全穩(wěn)定可控，機組被迫以低負荷運行，環(huán)比十月份同一時段少發(fā)電量約60 萬kW·h，按照每kW·h 需0.4 元/（kW·h）的電費計算，故障期間產生經濟損失約24 萬元。

3 主汽門、調門異常擺動原因分析

由油動機動作原理可知，DEH 控制器上輸出閥門控制信號與LVDT 位置反饋信號的比較形成位置偏差信號，該信號經伺服卡（伺服放大器）放大后控制電液伺服閥改變油動機活塞下腔室油量，進而控制閥門開度，控制原理如圖1 所示。由圖1 可知，伺服卡、伺服閥、卸載閥故障均有可能導致主汽門、調門油動機出現(xiàn)異常擺動故障。

圖1 油動機動作原理圖[2]

3.1 伺服卡、LVDT 線性位移傳感器故障

根據(jù)機組調節(jié)保安系統(tǒng)說明書可知，當LVDT 線性位移傳感器出現(xiàn)故障，輸出電壓信號突然變大時，機組調門在DEH 有差調節(jié)作用下將關閉閥門；當伺服卡接線松動或卡件損壞時，伺服卡將無法輸出電壓信號，機組調門油動機油壓將緩慢卸去，在油動機壓簧的作用下，閥門也將下關。

#2 汽輪機主汽門、調門開度異常波動期間，儀表人員對波動調門（IV3）伺服卡輸出電壓信號和LVDT反饋電壓信號進行現(xiàn)場實測，當IV3調門指令為100%、反饋為100%時，伺服卡輸出電壓值變化呈恒定上波浪型波動曲線，LVDT 反饋電壓信號呈恒定下波浪型波動曲線；證明機組DEH 調節(jié)系統(tǒng)工作正常，伺服卡和LVDT 線性位移傳感器處于正常調節(jié)狀態(tài)。當IV3 調門指令為100%、反饋為0%時，伺服卡輸出電壓值為最大恒定值，LVDT 反饋電壓信號為小電壓恒定值；該現(xiàn)象反映了調門故障情況下機組DEH 調節(jié)系統(tǒng)工作正常，伺服卡和LVDT 線性位移傳感器也處于正常調節(jié)狀態(tài)。

通過上述分析，結合機組調門擺動期間伺服卡和LVDT 線性位移傳感器輸出電壓值變化情況，可初步判斷主汽門、調門故障由機組主汽門、調門故障非伺服卡和LVST 線性位移傳感器故障引起。

3.2 卸載閥故障

卸載閥動作原理如圖2 所示。由圖可知，正常情況下杯形閥A 和錐形閥B 均處于關閉狀態(tài)（錐形閥B可控制杯形閥A 的開度），進入油動機下腔室的壓力油無法卸出，油動機下腔壓力油油壓恒定，油動機開度維持不變。

圖2 卸載閥動作原理圖[2]

當杯形閥A 存在開度時，油動機下腔壓力油就會從油壓回油母管卸出，進而導致油動機開度處于關閉狀態(tài)，使閥門開度發(fā)生變化。引起杯形閥A 由關變開的因素有：閥A 上壓簧彈性減弱、閥B 上壓簧彈性減弱、危急遮斷油母管壓力（AST 油壓）不足。

#2 汽輪機主汽門、調門開度擺動期間，AST 就地壓力表壓力恒定正常，指針無擺動，可排除危急中斷油母管壓力不足因素；閥A、閥B 上壓簧彈性減弱導致閥門開度降低為不可逆過程，從主汽門、調門開度下關后可回位可排除閥A、閥B 上壓簧彈性減弱因素；可知機組主汽門、調門故障不是由卸載閥故障引起。

通過對國內外不同國家和地區(qū)的城市污水處理廠EDCs去除情況分析可知，由于各種EDCs的不同性質以及痕量性，導致它們在當前傳統(tǒng)污水處理廠中的去除往往不完全，而且變化很大，從12.5%到100%不等.因此，優(yōu)化廢水處理，構筑EDCs排放的絕對障礙，仍舊是今后一項高度優(yōu)先的任務.盡管二級生物處理無法完全有效地去除EDCs，但它的功效可以通過延長SRT和HRT、提升溫度和調控氧化還原條件等措施得到改善.

3.3 伺服閥故障

3.3.1 伺服閥工作原理

DEH 控制器發(fā)出閥位開啟指令后，通過電磁線圈作用，將擋板轉動，擋板移近左邊噴嘴時，該噴嘴的泄油面積減小，流量減小，與左側噴嘴相通的滑閥左側油壓升高；與此同時右邊噴嘴與擋板的距離增大，流量增加；與右側噴嘴相通的滑閥右側油壓降低；當滑閥左右兩側的油壓不相等時，差壓導致滑閥向右邊移動，使滑閥凸肩所控制的油口開大，壓力油進入油動機活塞下部；增加油動機進油量，使油動機活塞上升，開啟主汽門、調門[1]。伺服閥動作原理如圖3 所示。

圖3 伺服閥動作原理圖[2]

3.3.2 伺服閥故障分析

#2 汽輪機主汽門、調門開度擺動故障發(fā)生后，為TV1、IV2、IV3 控制機構更換新伺服閥，機組在后續(xù)運行過程中不再出現(xiàn)主汽門、調門異常擺動故障。經拆卸檢查伺服閥發(fā)現(xiàn)，高壓油進油濾網、伺服閥入口濾網、伺服閥滑閥中部積累了大量油泥、凝膠等臟物，如圖4 所示。

圖4 伺服閥部分部件內部圖

當伺服閥噴嘴回油口處積聚大量臟物時，與伺服閥噴嘴相通的滑閥左右側油壓差減小，使得油動機油缸下腔進油量減少，油動機開度減小；當伺服閥噴嘴回油口憋壓后，積聚臟物被沖開，與噴嘴相通，滑閥左右側油壓差形成，油動機油缸下腔進油量增大，油動機開度增大。故可判定伺服閥故障是導致機組#2 汽輪機主汽門、調門開度擺動故障的主要因素[3]。

4 主汽門、調門故障處置

4.1 工藝應急處置

針對#2 汽輪發(fā)電機組出現(xiàn)主汽門、調門開度異常擺動的情況，為確保#2 汽輪發(fā)電機組安全穩(wěn)定運行，避免中低壓抽汽管道安全閥頻繁起跳，當發(fā)生類似情況時，運行班組應按照以下步驟進行應急處置：①#2汽輪發(fā)電機組正常運行時，發(fā)電功率暫定不超過135 MW，并保持一定的中低壓抽汽量；②如IV3、IV1、IV2 調閥異常關閉，#2 汽輪發(fā)電機組應及時下調機組功率或增加中低壓抽汽量，確保機組中低壓蒸汽抽汽口的壓力小于等于2.2 MPa；③如GV1 或GV2、GV3、GV4 調閥異常關閉，關注其余高調閥是否正常開啟，如功率無法保持，則降低機組發(fā)電功率；④如TV1 或TV2 主汽門異常關閉，關注剩余主汽門是否正常開啟（單個主汽門時，機組最大功率為100 MW），并將電負荷盡快降低至100 MW，主汽門恢復正常開度后，可恢復機組至正常負荷；⑤增設主汽門、調門單閥未全開的聲光報警，當閥門開度異常擺動時提前警醒班組。

4.2 伺服閥在線清洗

4.3 重視EH 油油質管理

伺服閥滑閥中部積累的大量“凝膠”是#2 汽輪機主汽門、調門異常擺動故障發(fā)生的根本原因，機組EH油系統(tǒng)形成凝膠的原因是EH 油電阻率和酸值均不滿足運行油標準，故障發(fā)生后聯(lián)系西安熱工研究院有限公司對#2 汽輪機EH 油系統(tǒng)進行油質分析及再生處理等試驗，結果表明#2 汽輪機EH 油酸值、電阻率超標，已嚴重劣化變質，伺服閥滑閥中部的凝膠為油質劣化形成。#2 汽輪機EH 油再生處理前后數(shù)據(jù)對比如表2所示。

表2 #2 汽輪機EH 油再生處理前后數(shù)據(jù)對比

#2 汽輪機主汽門、調門異常擺動故障發(fā)生后，采用西安熱工研究院有限公司的“西熱超機”濾油機濾油45 d，EH 油油質得到了明顯改善，如圖5 所示。

圖5 #2 汽輪機EH 油油質變化圖

#2 汽輪機主汽門、調門再未發(fā)生異常擺動情況，可見高度重視機組EH 油的品質、加強EH 油的監(jiān)督管理、發(fā)現(xiàn)問題及時采取措施進行處理，對機組安穩(wěn)運行有著極其重要的意義。

4.4 重視伺服閥預檢工作

二十五項反措第8.1.17 條規(guī)定電液伺服閥（包括各類型電液轉換器）的性能必須符合要求，否則不得投入運行。運行中要嚴密監(jiān)視其運行狀態(tài)，不卡澀、不泄漏和系統(tǒng)穩(wěn)定。大修中要進行清洗、檢測等維護工作。發(fā)現(xiàn)問題及時處理或更換。備用伺服閥應按照制造廠的要求妥善保管。需在大修伺服閥期間進行清洗、檢測工作，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。但2020 年大修#2汽輪機過程中未按照要求對伺服閥進行清洗檢測，也是本次#2 汽輪機主汽門、調門異常擺動故障發(fā)生的原因。

5 結束語

受限于外電網供電能力不足，#2 汽輪發(fā)電機組在日常運行過程中要求盡量以高負荷運行，一旦機組因故停機，分公司將被迫減負荷運行，造成的損失難以估量，而汽輪機調節(jié)保安油系統(tǒng)是機組正常運行的關鍵所在，同時也是一個極為精密的系統(tǒng)，運行條件苛刻；廠家配套調節(jié)保安油說明書中已經明確其維護導則，嚴格按照維護導則對機組調節(jié)保安系統(tǒng)進行定期維護是確保機組長期安穩(wěn)運行的根本所在。