660MW機組冷態啟動中轉速控制異常原因分析

大唐許昌龍崗發電有限責任公司 劉 佳

大唐許昌龍崗發電有限責任公司二期兩臺機組為哈爾濱汽輪機廠制造的660MW超超臨界機組，液壓系統采用了哈汽廠成套的高壓抗燃油EH裝置，其控制系統為北京日立公司的H5000M系統，2009年12月份兩臺機組正式投產運行，投運期間運轉正常。但其中一臺機組次年11月16日啟動沖轉階段，目標轉速由高壓主汽門TV切換到高壓調門GV控制時，高壓主汽門失控，轉速出現大幅波動并一度引起OPC動作，雖最終恢復正常，但問題的存在嚴重威脅機組安全運行，下文對此進行了詳細地分析，以供借鑒。

圖1 TV-GV閥切換過程記錄曲線

1 事件經過

2010年11月16日4號機組冷態啟動，汽輪機采用高壓缸沖轉方式。06:43:52機組開始沖轉，沖轉壓力為3.805MPa，沖轉初期順利，未發現異常。07:06:08當汽輪機轉速達到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，轉速才開始逐步回落，當左右TV閥關至9%時轉速降至2885rpm。07:09:07，TV-GV閥切換指示消失，轉速由GV調節控制。左右TV閥迅速開啟，但開度到20%時再次保持不動，4個GV閥緩慢關閉。07:11:21，4個GV閥關至15.9%，左右TV閥迅速全開；07:11:08轉速第一次達到3000rpm，但仍保持上升趨勢，直至轉速飛升最高達到3098rpm時OPC動作。07:15:54轉速下降并最終穩定在2900rpm，TV-GV閥切換成功。汽輪機繼續升速，運行人員改變目標值至3000rpm，汽輪機轉速緩慢上升至目標值，機組恢復正常升速，圖1是TV-GV閥切換過程記錄曲線。

2 汽機轉速波動原因

2.1 TV閥控制邏輯分析

龍崗電廠機組設計TV閥為控制型閥門，在汽輪機高壓缸啟動升速過程中，轉速2900rpm之前由TV控制轉速，TV-GV閥切換完成后，TV至全開由GV控制轉速或負荷。TV閥轉速控制邏輯如圖2所示，其控制有自動或手動二種方式。在自動方式下，轉速設定值與實際值的偏差作用在TV控制的轉速PID回路上，發出伺服閥指令使左右TV閥開度由零逐漸增大，以此控制汽輪機實際轉速；在手動方式下TV閥接受控制盤上的增加指令，直接開大或關小TV閥；在做主汽門嚴密性試驗、AST油壓未建立時，將主控輸出置0，同時關閉TV1和TV2；在做TV活動試驗時全關單側TV，試驗結束后，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。在汽機跳閘時，將主控輸出置-2，同時關閉TV1和TV2。

圖3 TV-GV閥切換GV控制邏輯圖

表1

圖2 TV閥轉速控制邏輯圖

2.2 汽機轉速波動原因分析

通過調取沖轉當時的歷史曲線及數據，發現整個沖轉過程中，左右TV閥曾出現了兩次不受控的狀況。第一次發生在汽輪機冷態升速階段，TV-GV閥切換前，此時轉速由TV閥控制。當左右TV閥開度達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控制轉速控制回路PID的作用，左右TV閥指令不斷增大，最大達到了100%，左右TV閥的開度始終保持在20%。因DEH原設計中無伺服指令偏差報警，故沖轉初期沒有注意，直到轉速的上升使伺服指令小于20%時，左右TV閥才再次恢復受控狀態。

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的速率緩緩關小，當汽輪機轉速下降20rpm， 表明GV閥已有節流能力，已影響到汽機轉速可以控制轉速，GV閥開始接受轉速PID回路的控制指令，同時TV閥立即全開，由GV閥開度控制轉速，TV-GV閥切換成功。值得注意的是為了防止切換過程中轉速波動，GV閥接到閥切換命令后的關小指令，是根據當前TV閥位指令折算出GV閥位指令，折換函數如表1所示。本次切換之前TV閥位指令在閥切換之前就達到了100%，根據TV閥位指令折算出來的GV閥位指令還是100%，所以出現了閥切換命令發出后，TV、GV均保持原位不動的現象，導致汽機轉速不斷上升，最高達到了2978rpm。此時TV-GV閥沒有切換完成，轉速還是由TV閥控制，汽機轉速PID控制器需要維持2900rpm，發出關小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。

當左右TV閥位指令降至20%以下后，左右TV閥跟隨指令最小關至9%，轉速降低至2885rpm。在運行人員發出TV-GV閥切換指令時，汽輪機轉速為2910rpm，此時轉速降低至2885rpm，二者偏差達到20rpm，DEH邏輯判斷“TV-GV閥切換成功”。GV閥開始接受轉速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，查看歷史曲線發現左右TV閥指令早已升至100%，左右TV閥第二次出現不受控。正常的TV-GV閥切換成功判斷條件“汽機轉速下降20rpm”，是為了判斷GV閥具有節流作用，能夠控制轉速。TVGV閥切換完成后，GV閥能夠迅速控制汽機轉速，達到汽輪機轉速調節穩定。而此次“汽機轉速下降20rpm”，完全依賴左右TV閥調節使汽機轉速下降，而GV閥還保持在全開位，GV閥的關閉還無法迅速控制汽機轉速，所以出現了隨后的DEH控制邏輯判斷“TV-GV閥切換成功”后，轉速再次出現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閥出現了第二次不受控。直到4個GV閥逐步關至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%開度上數分鐘，最終導致TV-GV閥切換異常、轉速失調，并觸發了OPC動作。

3 TV閥失控原因分析

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，我們組織了專業分析與探討。

3.1 伺服系統故障引起閥門卡澀可能

從上述情況來看，閥門失去控制，主要伺服系統故障原因可能為：

一是由于開閥側噴嘴的濾網堵塞，導致伺服閥活塞的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，一般閥門將關至關死位置。

二是油質較差，小的顆粒卡在伺服閥滑閥中，導致滑閥卡澀，不接收控制。當閥門開啟時，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，甚至可達到伺服卡最大限制。隨著電流的增加，電磁線圈帶動偏轉杠向開閥位置偏轉，偏轉杠與噴嘴越近，泄流面積越小，油壓越高，作用在滑閥上的壓力越大，而另外一側噴嘴由于偏轉杠與其距離相差較大，油壓下降，作用在滑閥上的油壓下降，滑閥兩側油壓差增大，將能克服滑閥卡澀的摩擦力，使滑閥復位。在這種可能性中，伺服閥在閥門關閉的過程中可能會恢復正常。

此外還有因油質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。

3.2 主閥停留實際位置分析

高壓主閥的機械結構與其他調節性閥門有所不同，主汽閥是帶預啟閥的單座閥，其預啟閥裝在主閥碟的內部，作用在閥碟上的進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，以保證其關閉的嚴密性。預啟閥與閥桿連成整體，當閥桿動作要打開主閥時，預啟閥先被打開，少量蒸汽通過預啟閥流至主閥碟后，減少主閥碟兩側的壓差，由此減少打開主閥碟所需的提升力。

對沖轉過程仔細分析發現，兩次TV閥均在20%左右開度停滯不前，而且幾乎左右TV閥同時發生。左右TV閥同時出現卡澀的幾率可認為是小概率事件。查閱左右TV閥門的原始數據發現，預啟閥的密封行程為17（17～19）mm，而閥門的總行程為99.3（97.5～102.5）mm，預啟閥最大可開至17mm，然后帶動主閥向上開啟。預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，這表明了當時主閥是接近全關位置。而3%的誤差可能源于主閥與預啟閥之間的行程、或閥門的機械總行程（預啟閥及主閥行程）發生了變化、或DEH在安裝調試過程中有微小的偏差，以及閥桿在運行過程中不可避免的熱膨脹導致 DEH有小的偏差，因此認為當時主閥閥桿在全關位置比較合理，而卡澀的可能極小。預啟閥應在全開位置，這也可解釋伺服閥在閥門關閉過程即刻恢能正常工作的原因。

3.3 閥門受力分析

由前分析，整個沖轉階段伺服閥可視為正常工作。根據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，此時伺服閥的進油直通液壓缸，液壓缸壓力將達到系統壓力。TV閥門無法開啟，還需進一步從閥門的受力方面進行分析。

當預啟閥處于全開且主閥處于關閉位置時，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，FT為主閥彈簧壓力，Pst為主蒸汽壓力，1P為調節級壓力，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。

一般情況，1P在沖轉過程中壓力很小，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，FT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。這也是機組沖轉時要求滿足一定主蒸汽壓力的原因之一。

可見，機組在開始沖轉前主蒸汽壓力為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，可以認為此事故中，當TV閥首次處于全關位置而預啟閥在全開位置時，由于閥門前后壓差及彈簧力之和大于液壓缸的提升力，TV閥無法繼續開啟，只能維持原有開度，直至TV閥隨伺服指令下降而恢復控制。而當機組閥切換時，TV閥再次開啟到預啟閥全開時，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，最終引起轉速的失調，大幅波動。

是否TV閥存在液壓缸提升力不足，經分析予以否定。在汽輪機沖轉初期，采用TV閥(預啟閥部分)沖轉，少量的蒸汽就能保證汽輪機的升速。轉速達到2900rpm后，TV-GV閥切換時，GV閥關小，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閥采用帶預啟閥的單座閥，目的在于保證主汽門關閉的嚴密性，以防止汽輪機超速；同時由于預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進行沖轉并平穩升速，所以TV閥液壓缸提升力需要經過嚴格的計算、測試，不可過大或過小應選擇合適值。在隨后的啟動過程中，按照廠家說明書選擇沖轉參數，啟動正常未曾出現過此類問題。

4 建議與措施

（1）DEH邏輯是根據汽輪機機械特性而制作的。DEH邏輯、汽輪機機械特性、運行操作三者是相互關聯，缺一不可。所以操作者應嚴格按照廠家說明書及啟動運行規程進行操作，合理選擇參數。

（2）加強監視EH油質，定期進行油樣化驗，增加主汽閥活動試驗的次數，使液壓缸中的油能夠置換，以防止由于高溫導致油質變化后的油垢在進行閥門活動試驗時進入伺服閥。

（3）DEH系統增加伺服系統報警邏輯，并在生產運行加大監盤力度，對出現的問題積極處理。作為DEH維護人員在處理這些問題時，應進行全面分析，通過分析各個環節找到問題根源，不放過任何蛛絲馬跡和異常。

（4）機務和熱控各專業之間加強溝通，互相學習，熟練掌握汽輪機特性，從而保證開機過程順利進行。

[1]哈爾濱汽輪機廠.cch01a啟動運行說明書[Z].

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[3]肖增弘,徐豐. 汽輪機數字式電液調節系統[M].北京:中國電力出版社.

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