E級燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組高壓旁路減壓閥自關(guān)分析及處理

摘 要：某燃?xì)鉄犭姽?54 MW聯(lián)合循環(huán)機(jī)組汽輪機(jī)旁路為100%高、低壓并聯(lián)旁路，對燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組安全運行有著非常重要的作用。本文詳細(xì)介紹了該公司高壓旁路減壓閥控制存在的問題以及處理情況，對氣動執(zhí)行器輸出力以及閥門不平衡力進(jìn)行了的簡化計算。

關(guān)鍵詞：氣動執(zhí)行器；輸出力；閥門不平衡力；氣容量；FT定位器

某燃?xì)鉄犭姽景惭b3套SGT52000E燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組，投產(chǎn)于2012年。由于所用的高壓旁路閥的性能缺陷，導(dǎo)致3套機(jī)組的高壓旁路減壓閥一直不能正常投入運行。直接影響到機(jī)組的安全性、燃?xì)鈾C(jī)組的快速啟動性能以及機(jī)組對電網(wǎng)負(fù)荷的適應(yīng)性，同時對機(jī)組經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)也產(chǎn)生影響。

1 處理前高壓旁路情況

該西門子SGT52000E燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組汽輪機(jī)配置了德國博普羅依特公司生產(chǎn)的100%容量氣動高、低壓并聯(lián)旁路裝置，以實現(xiàn)整套聯(lián)合循環(huán)機(jī)組啟停時或在汽輪機(jī)跳閘狀態(tài)下保證機(jī)組安全、回收蒸汽，同時在機(jī)組啟動期間可以減少啟動時間以及消除汽輪機(jī)的熱應(yīng)力。

旁路控制系統(tǒng)設(shè)計有手動和自動兩種運行方式，旁路控制系統(tǒng)納入DCS系統(tǒng)管理，在機(jī)組啟動及故障狀態(tài)過程中

1.1 高壓旁路技術(shù)數(shù)據(jù)（表1）

1.2 高壓旁路減壓閥控制功能

① 儀用空氣壓力消失閥門自關(guān)；② 高壓旁路減壓閥全關(guān)移動全開行程控制時間≤10 s；③ 高壓旁路減壓閥全開移動全關(guān)行程控制時間≤10 s；④ 高壓旁路減壓閥快開≤3秒；⑤ 高壓旁路減壓閥快關(guān)≤3 s。

1.3 閥門故障情況

1） 2012年3套機(jī)組調(diào)試期間，在燃機(jī)燃燒調(diào)整基本負(fù)荷情況下，高壓旁路多次發(fā)生在開度35%時自關(guān)，運行人員手動快開。

2） 2013年1月13日，#2機(jī)開機(jī)過程中，高旁壓力3.5MPa，閥門開度約50%，突然發(fā)生自關(guān)，運行人員手動快開。

3） 2013年8月8日，博普羅伊特公司更換了#2機(jī)高旁閥芯籠罩，冷態(tài)試驗良好。8月9日，#2機(jī)開機(jī)過程中，在主汽壓力為2.6 MPa，DCS指令為100%開度時，高旁最大只能開到70%左右。

4） 2013年9月29日，博普羅伊特公司安排技術(shù)人員至現(xiàn)場更換了#3機(jī)高旁閥芯籠罩，10月13日，在#3開機(jī)過程中，高旁在55%開度時仍存在卡澀、自關(guān)現(xiàn)象，運行人員手動快開。

2 原因分析

2.1 閥門氣路原理及定位器特性分析

高壓旁減壓閥門接受4～20 mA DC連續(xù)控制的條件是：氣源正常；EV1快高壓旁減壓閥門接受4～20mA DC連續(xù)控制的條件是：氣源正常；EV1快關(guān)電磁閥帶電；EV2快開電磁閥失電。ABB TZIDC智能定位器控制氣輸出至VB1、VB2流量放大器放大（圖2）后經(jīng)D3、D1；D4、D2切換閥后至氣缸上、下腔室，形成差壓作用于活塞，進(jìn)而輸出執(zhí)行器的推力，克服高旁減壓閥的不平衡力后驅(qū)動閥門啟閉。

分析高壓旁路減壓閥的氣路圖，可以看到該氣路圖是較為復(fù)雜的單體控制系統(tǒng)，具有斷氣、斷電、斷信號保護(hù)和快開快關(guān)功能，配置了較多的氣控元器件，給實際維護(hù)保養(yǎng)工作帶來不少麻煩，并且維護(hù)成本較高。

圖2 流量放大器

2.2 氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力分析

執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計過程中，輸出力（該執(zhí)行器為SC/V型雙作用無彈簧活塞式執(zhí)行器）是關(guān)鍵的設(shè)計參數(shù)，在機(jī)構(gòu)的實際運動過程中，各部件之間的摩擦是無法避免的，執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力就是用以克服介質(zhì)負(fù)荷的有效力， 而負(fù)荷包括不平衡力、密封緊壓力、摩擦力、重量等， 對于該氣動薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 其力平衡公式為

F=Ft+F0+Ff+Fw。（1）

式中：F為執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力；Ft為閥芯所受的不平衡力；F0為調(diào)節(jié)閥全閉時， 閥芯對閥座密封所需附加的緊壓力。一般取相當(dāng)于5 kPa 乘以薄膜有效面積（m2）的力；Ff為閥桿所受摩擦力；Fw為閥芯等活動部件重量。

正常情況下Ff很小， 各種活動件重量Fw也不大，故式（1）可簡化為

F=Ft+F0。（2）

由式（2） 可以看出， 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力主要是克服調(diào)節(jié)閥的不平衡力。計算執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力簡便忽略了該摩擦的影響，故輸出推力為F。

F=P×S。（3）

式中：P為供氣壓力（Pa）；S為活塞有效面積（m2）。

2.3 高壓旁路減壓閥門不平衡力分析

對于直行程的調(diào)節(jié)閥， 如單座閥、角型閥等， 當(dāng)流體通過調(diào)節(jié)閥時， 閥芯介質(zhì)靜壓和動壓的作用， 產(chǎn)生上下移動的軸向力。這種軸向力執(zhí)行機(jī)構(gòu)信號與位移的關(guān)系， 因此， 將閥芯所受到的軸向合力稱為不平衡力， 以Ft表示。

影響調(diào)節(jié)閥不平衡力的因素很多， 例如閥的結(jié)構(gòu)形式、口徑、流體物理狀態(tài)。如果工藝介質(zhì)及調(diào)節(jié)閥都已確定， 不平衡力主要與閥前壓力和閥前后壓差有關(guān)， 也與流體與閥芯的相對流向有關(guān)。當(dāng)流體流向不同時， 閥芯所受的不平衡力相同。對于直通單座閥、角型閥， 其不平衡力計算公式：

Ft=π/4×（ dN2ΔP+dS2）。（4）

式中：Ft為不平衡力（N）；dN為閥芯直徑（m）；dS為閥桿直徑（m）；ΔP為閥前后差壓（Pa），ΔP= P1 P2，P1為閥前壓力（Pa），P2為閥后壓力（Pa）。由式（4）可以看出， Ft始終為正值， 閥桿處于受壓狀態(tài)。dN、ΔP和P2越大， 則不平衡力Ft越大。高壓差、高靜壓， 大口徑的單座閥不平衡力Ft也較大。閥芯在全關(guān)位置時， 不平衡力Ft最大， 隨著閥芯開啟而逐漸變小 由于中間位置動壓難以用公式表示， 在計算調(diào)節(jié)閥不平衡力時， 主要根據(jù)全關(guān)和全差壓狀態(tài)下時來確定。

2.4 高旁減壓閥不平衡力及執(zhí)行器輸出力計算

博普羅伊特高旁閥芯直徑80 mm，閥桿直徑32 mm，閥門前后最大壓差6.699 MPa。根據(jù)式（4）計算得出高壓旁路減壓閥的不平衡力約等于為34158 N。

高壓旁路執(zhí)行器制造商STI公司提供的SC/V 320執(zhí)行器有效面積794 cm2，氣缸在0.5 MPa壓縮空氣作用下，執(zhí)行器輸出力為39700 N。執(zhí)行器輸出力于減壓閥不平衡力之比為1.16（國內(nèi)通常采用1.4倍來選用執(zhí)行器）。如F/Ft之比過大則很可能造成閥桿斷裂的可能。

2.5 結(jié)果分析

根據(jù)2.3項計算結(jié)果表明，高壓旁路旁減壓閥是能夠在設(shè)計工況下滿足正常的啟閉。但結(jié)合發(fā)生的故障現(xiàn)象，只有當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力F小于調(diào)節(jié)閥的不平衡力Ft時， 才能造成調(diào)節(jié)閥開不出或隨著閥前后差壓的增大而逐漸朝關(guān)閉方向移動。

當(dāng)高壓旁路減壓閥發(fā)生自關(guān)后，運行人員通過強(qiáng)制快開的方法（儀用壓縮空氣0.6 MPa加載至執(zhí)行器下氣缸，上氣缸全排空），將高壓旁路強(qiáng)制至全開狀態(tài)。這表明高壓旁路減壓閥內(nèi)部閥桿、閥芯與閥座之間不存在卡澀的問題。

根據(jù)高旁減壓閥出現(xiàn)的故障現(xiàn)象，分析認(rèn)為引起高旁減壓閥冷態(tài)動作正常，但在高差壓工況下，高壓旁路自關(guān)或不能升程開啟的原因是：高壓旁路減壓閥所配套TZIDC智能定位以及流量增速器的輸出氣容量或者壓力不足，造成執(zhí)行器上下腔室凈差壓小于0.5 MPa（雙作用無彈簧活塞式），導(dǎo)致執(zhí)行器輸出力的大幅下降，不能克服高旁減壓閥的不平衡力。

3 解決方案

根據(jù)高壓旁路減壓閥異常情況的結(jié)果分析，最可行的方案是：提升智能定位器的輸出氣容量，解決執(zhí)行器輸出力不足。由博普羅依特公司將TZIDC定位器更換為一款大流量高精度的智能定位器，來解決目前高旁存在的故障的方案的可行。

3.1 定位器選型

對比STI公司FT定位器以及查閱ABB公司TZIDC定位器相關(guān)選型資料TZIDC智能定位器的最大氣流量為10 Nm3/h（6 bar），而FT智能定位器最大能達(dá)到180 Nm3/h（6 bar），在實際應(yīng)用中，F(xiàn)T智能定位器可通過PC機(jī)數(shù)據(jù)線TTL232或者HART手操器的連接來實現(xiàn)定位器自調(diào)整，在PC機(jī)的操作畫面中，可以得知各種系統(tǒng)參數(shù)，如開度指令、傳感器位置、當(dāng)前輸入工作氣源壓力和定位器輸出氣口間差壓等豐富的實際值參數(shù)。

3.2 定位器功能

借助FT智能定位器氣容量大、執(zhí)行器體積以及外圍流量放大器的可選擇性等特點，可以擺脫定位器自身由于流量不足而對氣動流量放大器的依賴，因此決定將原高旁氣路實現(xiàn)簡化設(shè)計。取消VB1、VB2流量放大器的使用，保留原高壓旁路減壓閥快開、快關(guān)、低氣壓自鎖功能。

4 調(diào)試期間遇到的問題

智能氣動定位禁止將+24VDC直接接入指令端子。定位器對連接電源規(guī)范要求是二線制輸入（最小3.5 mA，12～30 V DC）。在#2機(jī)調(diào)試發(fā)生了高壓旁路減壓閥門冷態(tài)正常，但熱態(tài)閥門只能開啟到25%的情況，經(jīng)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)DCS卡件輸出容量不足，導(dǎo)致接入定位器后，指令電壓下跌至9V，超出了定位器正常電源電壓范圍，后經(jīng)更換DCS的輸出卡件解決了該問題。

5 結(jié)語

目前該3套燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組高壓旁路控制閥智能定位器的改造已全部結(jié)束，不需要人工干預(yù)。故障狀態(tài)下的快開功能滿足技術(shù)要求，從而保證了機(jī)組運行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

參考文獻(xiàn)：

[1]FT智能定位器產(chǎn)品使用操作手冊[M].

[2]ABB TZIDC智能定位器操作使用手冊[M].

[3]任志城，楊俊輝.氣動薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力不足的分析[J].大氮肥，2010，33（1）：2931.

作者簡介：王紅，男，技師，華電江蘇能源有限公司句容發(fā)電廠設(shè)備部黨支部書記兼副主任。