大唐許昌龍崗發(fā)電有限責(zé)任公司 劉 佳
大唐許昌龍崗發(fā)電有限責(zé)任公司二期兩臺機(jī)組為哈爾濱汽輪機(jī)廠制造的660MW超超臨界機(jī)組,液壓系統(tǒng)采用了哈汽廠成套的高壓抗燃油EH裝置,其控制系統(tǒng)為北京日立公司的H5000M系統(tǒng),2009年12月份兩臺機(jī)組正式投產(chǎn)運(yùn)行,投運(yùn)期間運(yùn)轉(zhuǎn)正常。但其中一臺機(jī)組次年11月16日啟動沖轉(zhuǎn)階段,目標(biāo)轉(zhuǎn)速由高壓主汽門TV切換到高壓調(diào)門GV控制時,高壓主汽門失控,轉(zhuǎn)速出現(xiàn)大幅波動并一度引起OPC動作,雖最終恢復(fù)正常,但問題的存在嚴(yán)重威脅機(jī)組安全運(yùn)行,下文對此進(jìn)行了詳細(xì)地分析,以供借鑒。
圖1 TV-GV閥切換過程記錄曲線
2010年11月16日4號機(jī)組冷態(tài)啟動,汽輪機(jī)采用高壓缸沖轉(zhuǎn)方式。06:43:52機(jī)組開始沖轉(zhuǎn),沖轉(zhuǎn)壓力為3.805MPa,沖轉(zhuǎn)初期順利,未發(fā)現(xiàn)異常。07:06:08當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到2910rpm時,左右TV閥開度分別為19.98%和20.17%,4個GV閥全開時,運(yùn)行人員按下TV-GV閥切換按鈕,但左右TV閥和4個GV閥均保持不變,轉(zhuǎn)速逐步上升至2978rpm,直至07:08:29左右TV閥閥位反饋開始變小,轉(zhuǎn)速才開始逐步回落,當(dāng)左右TV閥關(guān)至9%時轉(zhuǎn)速降至2885rpm。07:09:07,TV-GV閥切換指示消失,轉(zhuǎn)速由GV調(diào)節(jié)控制。左右TV閥迅速開啟,但開度到20%時再次保持不動,4個GV閥緩慢關(guān)閉。07:11:21,4個GV閥關(guān)至15.9%,左右TV閥迅速全開;07:11:08轉(zhuǎn)速第一次達(dá)到3000rpm,但仍保持上升趨勢,直至轉(zhuǎn)速飛升最高達(dá)到3098rpm時OPC動作。07:15:54轉(zhuǎn)速下降并最終穩(wěn)定在2900rpm,TV-GV閥切換成功。汽輪機(jī)繼續(xù)升速,運(yùn)行人員改變目標(biāo)值至3000rpm,汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速緩慢上升至目標(biāo)值,機(jī)組恢復(fù)正常升速,圖1是TV-GV閥切換過程記錄曲線。
龍崗電廠機(jī)組設(shè)計TV閥為控制型閥門,在汽輪機(jī)高壓缸啟動升速過程中,轉(zhuǎn)速2900rpm之前由TV控制轉(zhuǎn)速,TV-GV閥切換完成后,TV至全開由GV控制轉(zhuǎn)速或負(fù)荷。TV閥轉(zhuǎn)速控制邏輯如圖2所示,其控制有自動或手動二種方式。在自動方式下,轉(zhuǎn)速設(shè)定值與實際值的偏差作用在TV控制的轉(zhuǎn)速PID回路上,發(fā)出伺服閥指令使左右TV閥開度由零逐漸增大,以此控制汽輪機(jī)實際轉(zhuǎn)速;在手動方式下TV閥接受控制盤上的增加指令,直接開大或關(guān)小TV閥;在做主汽門嚴(yán)密性試驗、AST油壓未建立時,將主控輸出置0,同時關(guān)閉TV1和TV2;在做TV活動試驗時全關(guān)單側(cè)TV,試驗結(jié)束后,重新開到100%,也就是說在試驗過程中僅僅屏蔽了其正常的閥位指令。在汽機(jī)跳閘時,將主控輸出置-2,同時關(guān)閉TV1和TV2。
圖3 TV-GV閥切換GV控制邏輯圖
表1
圖2 TV閥轉(zhuǎn)速控制邏輯圖
通過調(diào)取沖轉(zhuǎn)當(dāng)時的歷史曲線及數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)整個沖轉(zhuǎn)過程中,左右TV閥曾出現(xiàn)了兩次不受控的狀況。第一次發(fā)生在汽輪機(jī)冷態(tài)升速階段,TV-GV閥切換前,此時轉(zhuǎn)速由TV閥控制。當(dāng)左右TV閥開度達(dá)20%左右時,閥門開度不再隨伺服閥指令的增加而開大,由于TV控制轉(zhuǎn)速控制回路PID的作用,左右TV閥指令不斷增大,最大達(dá)到了100%,左右TV閥的開度始終保持在20%。因DEH原設(shè)計中無伺服指令偏差報警,故沖轉(zhuǎn)初期沒有注意,直到轉(zhuǎn)速的上升使伺服指令小于20%時,左右TV閥才再次恢復(fù)受控狀態(tài)。
另外在接到TV-GV閥切換命令后為什么GV閥保持原位不變,沒有立即關(guān)小呢?正常的TV-GV閥切換過程如圖3所示,接受到切換命令后, GV開始以0.4%/s的速率緩緩關(guān)小,當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速下降20rpm, 表明GV閥已有節(jié)流能力,已影響到汽機(jī)轉(zhuǎn)速可以控制轉(zhuǎn)速,GV閥開始接受轉(zhuǎn)速PID回路的控制指令,同時TV閥立即全開,由GV閥開度控制轉(zhuǎn)速,TV-GV閥切換成功。值得注意的是為了防止切換過程中轉(zhuǎn)速波動,GV閥接到閥切換命令后的關(guān)小指令,是根據(jù)當(dāng)前TV閥位指令折算出GV閥位指令,折換函數(shù)如表1所示。本次切換之前TV閥位指令在閥切換之前就達(dá)到了100%,根據(jù)TV閥位指令折算出來的GV閥位指令還是100%,所以出現(xiàn)了閥切換命令發(fā)出后,TV、GV均保持原位不動的現(xiàn)象,導(dǎo)致汽機(jī)轉(zhuǎn)速不斷上升,最高達(dá)到了2978rpm。此時TV-GV閥沒有切換完成,轉(zhuǎn)速還是由TV閥控制,汽機(jī)轉(zhuǎn)速PID控制器需要維持2900rpm,發(fā)出關(guān)小TV閥指令,TV閥指令不斷降低,直到指令降至20%以下,TV閥才開始受控。
當(dāng)左右TV閥位指令降至20%以下后,左右TV閥跟隨指令最小關(guān)至9%,轉(zhuǎn)速降低至2885rpm。在運(yùn)行人員發(fā)出TV-GV閥切換指令時,汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速為2910rpm,此時轉(zhuǎn)速降低至2885rpm,二者偏差達(dá)到20rpm,DEH邏輯判斷“TV-GV閥切換成功”。GV閥開始接受轉(zhuǎn)速PID回路的控制指令,同時TV閥立即以1%/s開啟。但是左右TV閥開度到20%時再次保持不動,查看歷史曲線發(fā)現(xiàn)左右TV閥指令早已升至100%,左右TV閥第二次出現(xiàn)不受控。正常的TV-GV閥切換成功判斷條件“汽機(jī)轉(zhuǎn)速下降20rpm”,是為了判斷GV閥具有節(jié)流作用,能夠控制轉(zhuǎn)速。TVGV閥切換完成后,GV閥能夠迅速控制汽機(jī)轉(zhuǎn)速,達(dá)到汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)穩(wěn)定。而此次“汽機(jī)轉(zhuǎn)速下降20rpm”,完全依賴左右TV閥調(diào)節(jié)使汽機(jī)轉(zhuǎn)速下降,而GV閥還保持在全開位,GV閥的關(guān)閉還無法迅速控制汽機(jī)轉(zhuǎn)速,所以出現(xiàn)了隨后的DEH控制邏輯判斷“TV-GV閥切換成功”后,轉(zhuǎn)速再次出現(xiàn)大幅波動并一度引起OPC動作。
在此次DEH邏輯判斷“TV-GV閥切換成功”后,左右TV閥在全開過程中開到20%左右時,閥門再次保持不動,左右TV閥出現(xiàn)了第二次不受控。直到4個GV閥逐步關(guān)至16%左右時,左右TV閥迅速從20%至全開。正是TV-GV閥切換前后兩次左右TV閥門不受控而停滯在20%開度上數(shù)分鐘,最終導(dǎo)致TV-GV閥切換異常、轉(zhuǎn)速失調(diào),并觸發(fā)了OPC動作。
針對左右TV閥在GV閥保持全開時最大只能開至20%,只有在GV閥開度關(guān)至16%以下時,左右TV閥才能完全開啟的問題,我們組織了專業(yè)分析與探討。
從上述情況來看,閥門失去控制,主要伺服系統(tǒng)故障原因可能為:
一是由于開閥側(cè)噴嘴的濾網(wǎng)堵塞,導(dǎo)致伺服閥活塞的B口通T口,將液壓缸動力腔油壓泄光,這種可能性中,堵塞不可能很快恢復(fù),一般閥門將關(guān)至關(guān)死位置。
二是油質(zhì)較差,小的顆??ㄔ谒欧y滑閥中,導(dǎo)致滑閥卡澀,不接收控制。當(dāng)閥門開啟時,閥門指令與閥門反饋相差越來越大,由于伺服卡中的比例控制回路的左右,伺服閥電流也越來越大,甚至可達(dá)到伺服卡最大限制。隨著電流的增加,電磁線圈帶動偏轉(zhuǎn)杠向開閥位置偏轉(zhuǎn),偏轉(zhuǎn)杠與噴嘴越近,泄流面積越小,油壓越高,作用在滑閥上的壓力越大,而另外一側(cè)噴嘴由于偏轉(zhuǎn)杠與其距離相差較大,油壓下降,作用在滑閥上的油壓下降,滑閥兩側(cè)油壓差增大,將能克服滑閥卡澀的摩擦力,使滑閥復(fù)位。在這種可能性中,伺服閥在閥門關(guān)閉的過程中可能會恢復(fù)正常。
此外還有因油質(zhì)的問題引起泄載閥卡澀的可能,使動力油漏泄到無壓回油管路,但一般需要重新清洗卸載閥才能恢復(fù)。
高壓主閥的機(jī)械結(jié)構(gòu)與其他調(diào)節(jié)性閥門有所不同,主汽閥是帶預(yù)啟閥的單座閥,其預(yù)啟閥裝在主閥碟的內(nèi)部,作用在閥碟上的進(jìn)汽壓力與兩個壓縮彈簧的彈簧力,通過閥桿把閥碟緊壓在閥座上,以保證其關(guān)閉的嚴(yán)密性。預(yù)啟閥與閥桿連成整體,當(dāng)閥桿動作要打開主閥時,預(yù)啟閥先被打開,少量蒸汽通過預(yù)啟閥流至主閥碟后,減少主閥碟兩側(cè)的壓差,由此減少打開主閥碟所需的提升力。
對沖轉(zhuǎn)過程仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn),兩次TV閥均在20%左右開度停滯不前,而且?guī)缀踝笥襎V閥同時發(fā)生。左右TV閥同時出現(xiàn)卡澀的幾率可認(rèn)為是小概率事件。查閱左右TV閥門的原始數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),預(yù)啟閥的密封行程為17(17~19)mm,而閥門的總行程為99.3(97.5~102.5)mm,預(yù)啟閥最大可開至17mm,然后帶動主閥向上開啟。預(yù)啟閥行程占總行程的百分比為17/99.3×100=17.2%。與DEH指示約差3%左右,這表明了當(dāng)時主閥是接近全關(guān)位置。而3%的誤差可能源于主閥與預(yù)啟閥之間的行程、或閥門的機(jī)械總行程(預(yù)啟閥及主閥行程)發(fā)生了變化、或DEH在安裝調(diào)試過程中有微小的偏差,以及閥桿在運(yùn)行過程中不可避免的熱膨脹導(dǎo)致 DEH有小的偏差,因此認(rèn)為當(dāng)時主閥閥桿在全關(guān)位置比較合理,而卡澀的可能極小。預(yù)啟閥應(yīng)在全開位置,這也可解釋伺服閥在閥門關(guān)閉過程即刻恢能正常工作的原因。
由前分析,整個沖轉(zhuǎn)階段伺服閥可視為正常工作。根據(jù)伺服閥與液壓缸的工作原理,由于指令與反饋存在很大的偏差,此時伺服閥的進(jìn)油直通液壓缸,液壓缸壓力將達(dá)到系統(tǒng)壓力。TV閥門無法開啟,還需進(jìn)一步從閥門的受力方面進(jìn)行分析。
當(dāng)預(yù)啟閥處于全開且主閥處于關(guān)閉位置時,只有主閥閥桿受力F大于零,主閥才能開啟主閥閥桿受力F的公式為:
式中:Fy為液壓缸提升力,F(xiàn)T為主閥彈簧壓力,Pst為主蒸汽壓力,1P為調(diào)節(jié)級壓力,K為作用在主閥液壓缸提升力方向上的主汽差壓分量系數(shù)。
一般情況,1P在沖轉(zhuǎn)過程中壓力很小,而FT與TV閥體位移成比例變化,位移量越大FT越大,因而Fy一定的情況下,F(xiàn)T越小主閥就越容易開啟。而主蒸汽壓Pst除了自身對F影響外又決定了TV閥體位移量的大小,即Pst過大或Pst過小使TV閥門位移量加大,均需提高Fy才能保證主閥的順利開啟。這也是機(jī)組沖轉(zhuǎn)時要求滿足一定主蒸汽壓力的原因之一。
可見,機(jī)組在開始沖轉(zhuǎn)前主蒸汽壓力為3.805 MPa,而哈汽廠家說明書要求壓力為8.4MPa,兩者相差近4.6MPa。
綜上所述,可以認(rèn)為此事故中,當(dāng)TV閥首次處于全關(guān)位置而預(yù)啟閥在全開位置時,由于閥門前后壓差及彈簧力之和大于液壓缸的提升力,TV閥無法繼續(xù)開啟,只能維持原有開度,直至TV閥隨伺服指令下降而恢復(fù)控制。而當(dāng)機(jī)組閥切換時,TV閥再次開啟到預(yù)啟閥全開時,液壓缸的提升力仍未能滿足開啟需求而再次保持不動。直到GV閥門開度的減小,主汽門前后差壓的持續(xù)下降,最終使液壓缸提升力大于彈簧力與蒸汽壓差之和后方才開啟。而TV閥門失控,最終引起轉(zhuǎn)速的失調(diào),大幅波動。
是否TV閥存在液壓缸提升力不足,經(jīng)分析予以否定。在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)初期,采用TV閥(預(yù)啟閥部分)沖轉(zhuǎn),少量的蒸汽就能保證汽輪機(jī)的升速。轉(zhuǎn)速達(dá)到2900rpm后,TV-GV閥切換時,GV閥關(guān)小,蒸汽差壓部分變得很小,液壓缸提升力F滿足要求,TV閥開啟。TV閥采用帶預(yù)啟閥的單座閥,目的在于保證主汽門關(guān)閉的嚴(yán)密性,以防止汽輪機(jī)超速;同時由于預(yù)啟閥的通徑較主汽閥小得多,它便于用小流量蒸汽對汽輪機(jī)進(jìn)行沖轉(zhuǎn)并平穩(wěn)升速,所以TV閥液壓缸提升力需要經(jīng)過嚴(yán)格的計算、測試,不可過大或過小應(yīng)選擇合適值。在隨后的啟動過程中,按照廠家說明書選擇沖轉(zhuǎn)參數(shù),啟動正常未曾出現(xiàn)過此類問題。
(1)DEH邏輯是根據(jù)汽輪機(jī)機(jī)械特性而制作的。DEH邏輯、汽輪機(jī)機(jī)械特性、運(yùn)行操作三者是相互關(guān)聯(lián),缺一不可。所以操作者應(yīng)嚴(yán)格按照廠家說明書及啟動運(yùn)行規(guī)程進(jìn)行操作,合理選擇參數(shù)。
(2)加強(qiáng)監(jiān)視EH油質(zhì),定期進(jìn)行油樣化驗,增加主汽閥活動試驗的次數(shù),使液壓缸中的油能夠置換,以防止由于高溫導(dǎo)致油質(zhì)變化后的油垢在進(jìn)行閥門活動試驗時進(jìn)入伺服閥。
(3)DEH系統(tǒng)增加伺服系統(tǒng)報警邏輯,并在生產(chǎn)運(yùn)行加大監(jiān)盤力度,對出現(xiàn)的問題積極處理。作為DEH維護(hù)人員在處理這些問題時,應(yīng)進(jìn)行全面分析,通過分析各個環(huán)節(jié)找到問題根源,不放過任何蛛絲馬跡和異常。
(4)機(jī)務(wù)和熱控各專業(yè)之間加強(qiáng)溝通,互相學(xué)習(xí),熟練掌握汽輪機(jī)特性,從而保證開機(jī)過程順利進(jìn)行。
[1]哈爾濱汽輪機(jī)廠.cch01a啟動運(yùn)行說明書[Z].
[2]孫長生,朱北恒等. 提高電廠熱控系統(tǒng)可靠性技術(shù)研究[J]. 中國電力,2009,42(2),56-59.
[3]肖增弘,徐豐. 汽輪機(jī)數(shù)字式電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)[M].北京:中國電力出版社.
[4]胡念蘇.汽輪機(jī)設(shè)備及系統(tǒng)[M].北京:中國電力出版社.