汽動給水泵調門反饋桿斷裂事故的分析與處理

鄭冬浩，柏元華，董勇衛

（華能長興電廠，浙江 長興 313100）

0 引言

汽動給水泵是火電廠汽水循環系統的重要輔機，超超臨界機組對給水系統可靠性的要求更加嚴格,尤其是汽動給水泵單列運行的機組，由于沒有備用給水泵，一旦給水泵停運，將直接引起機組跳閘。調門反饋桿斷裂是較常見的給水泵系統熱控設備故障類型之一。

本文通過實際案例分析，探討給水泵運行狀態下調門反饋桿斷裂的在線處理方法，提出后續改進措施，為類似故障的檢修提供借鑒。

1 給水系統運行情況

1.1 給水系統控制方式

某發電廠2×660 MW機組給水系統采用單元制，每臺機組設置1臺100%容量汽動給水泵，2臺機組共用1臺30%容量啟動定速電動給水泵。給水泵汽輪機配有自動進行切換汽源的機構，在主機負荷變化到40%時（主機定壓運行時），可自動切換汽源，由高壓到低壓或低壓到高壓。切換過程中也允許高壓和低壓2種蒸汽同時作為給水泵汽輪機的工作汽源，工藝流程如圖1所示。給水泵汽輪機連續穩定運行的最低負荷要求為30%THA（熱耗率驗收工況），不同工況下的主要參數如表1所示。

1.2 給水泵汽輪機調門控制系統

給水泵汽輪機調門控制系統由低壓調門和高壓調門2個執行機構組成。系統接受來自控制系統或運行人員手動輸入的轉速控制指令，經計算后將指令分別分配到高壓調門和低壓調門，以調節給水泵汽輪機轉速。轉速自動模式下，當低壓調門控制指令小于74%時，高壓調門關閉，由低壓調門調節汽輪機轉速；當低壓調門控制指令高于74%時，高壓調門逐漸開啟，與低壓調門一起調節汽輪機轉速，其控制邏輯如圖2所示。

圖1 給水泵系統工藝流程

MEH（給水泵汽輪機電液控制）系統采用艾默生Ovation 3.5系統，該系統通過閥位定值模塊提供閉環閥位控制。如圖3所示，VP（閥位定值）卡發出輸出控制信號，從而驅動電動液壓伺服閥執行機構線圈，控制調門開度的大小。使用從安裝在閥桿上的LVDT（線性可變差分變壓器）獲取的閥位測量結果閉合反饋回路。控制回路采用PI（比例-積分）調節模式。

2 故障現象及原因分析

2.1 故障概述

圖2 給水泵汽輪機調門控制邏輯

圖3 VP模塊控制閉環回路

表1 給泵汽輪機主要參數

某日，運行人員在機組降負荷過程中發現給水泵汽輪機低壓調門開度頻繁晃動，引起給水泵汽輪機轉速在5 200～5 700 r/min快速波動，給水泵汽輪機失去控制，機組面臨被迫停運。檢查后發現給水泵汽輪機低壓調門反饋桿斷裂，閥位反饋桿停留在64.372%位置。運行人員立即撤出AGC（自動發電控制）運行方式，保持負荷不變。反饋桿斷裂前后各參數曲線如圖4所示。

圖4 反饋桿斷裂前后主要參數曲線

2.2 現象分析

反饋桿斷裂后，給水泵汽輪機低壓調門反饋信號停留在64.372%不變，其實際閥位的變化無法通過LVDT反饋到VP卡上，不能形成閉環控制。根據伺服閥的特性可知，當調門指令大于64.372%時，閥門不斷開大，直至全開；當調門指令小于64.372%時，閥門不斷關小，直至全關。由于給水泵汽輪機處于轉速自動控制狀態，在這種故障工況下，調門的動作方向和速度只與實際轉速和設定值的偏差有關。在一定的轉速震蕩區間內，可以近似地等效為一個純比例控制系統，因此系統無自動消除穩態偏差的能力，給水泵汽輪機轉速始終在設定值附近震蕩。而由于當時機組進行了降負荷操作，給水泵汽輪機轉速設定值下降，增加了系統的擾動，導致給水泵汽輪機低壓調門的大幅晃動。

3 方案制定與實施情況

3.1 異常情況預設

由于超超臨界機組沒有汽包結構，鍋爐對給水流量的暫態要求非常嚴格，且該機組無備用給水泵，對給水泵汽輪機低壓調門反饋桿的檢修只能在給水泵運行的狀態下進行。由VP卡特性可知，只有使卡件收到的指令和反饋信號平衡，才能使給水泵汽輪機低壓調門停止晃動，從而進行下一步的檢修計劃。

在制定方案時，檢修人員預想了以下幾種在檢修中可能出現的異常情況：

（1）檢修中閥門突然全開，進汽量快速增加，有可能導致給水泵汽輪機轉速突增，瞬間失速。

（2）檢修中閥門突然關閉，給水泵汽輪機轉速突降，給水流量快速下降，有可能導致給水泵出口給水局部汽化，并觸發“給水流量低于531 t/h”保護動作，機組停運。

（3）在對調門指令信號進行數值強制、手動輸入指令數值等操作時，存在系統響應延遲。因此，從操作人員輸入指令到調門實際響應指令，有短暫的遲滯時間。由于閥門指令大幅快速波動，在遲滯時間內，無法有效控制其瞬間的動作情況，可能會出現閥門快開、快關或大幅波動等情況。

（4）檢修過程中斷裂的反饋桿因現場振動脫離當前閥位，使閥門向未知狀態動作。

3.2 方案制定

考慮到上述情況，制定以下措施：

（1）優先實施對調門指令信號進行數值強制的措施，令調門指令信號與卡件收到的反饋信號（64.372%）數值相等，從而使閥位穩定，且這一過程中調門對給水泵汽輪機轉速的擾動較小。

（2）若現場監視人員發現閥門波動幅度增加或反饋桿脫離原先位置，則立即解除指令數值強制，使調門全開。

（3）閥位穩定后，更換斷裂的反饋桿，解除數值強制，重新投入控制系統。

3.3 實施情況

將給水泵汽輪機低壓調門反饋信號切除掃描并強制為當前值（64.372%），操作后各參數保持之前狀態，無異常變化。

將給水泵汽輪機低壓調門指令信號強制為64.372%，此時閥門開始關小，給水泵前置泵入口流量和給水泵汽輪機轉速開始減小。隨后，給水泵汽輪機高壓調門逐漸開大，低壓調門先開后關，給水泵汽輪機轉速下降速率減緩，給水泵前置泵入口流量出現先增加后降低的情況。

發現轉速下降后，立刻解除給水泵汽輪機低壓調門指令信號的數值強制。解除強制后，低壓調門快速開啟，直至全開。同時，由于給水泵前置泵入口流量低于400 t/h，汽泵給水再循環調節閥連鎖快開，給水泵前置泵入口流量和給水泵汽輪機轉速開始回升，給水流量低至700 t/h后開始回升。隨后工況逐漸穩定，給水流量保持約2 000 t/h，給水泵汽機轉速保持4 840 r/min。

給水泵汽輪機低壓調閥全開后，拆除脫落的反饋桿，用備件進行回裝。回裝過程中，現場檢修人員將反饋桿緩慢裝入線圈原先位置，同時保持與控制室通信，防止反饋信號高于指令信號，造成閥門關閉。控制室密切監視LVDT反饋的電壓信號，并在反饋信號達到100%時通知現場人員反饋桿已到位。隨后現場檢修人員安裝緊固螺母，并檢查反饋桿受力情況，確認正常后結束現場作業。

解除給水泵汽輪機低壓調門反饋信號的數值強制，低壓調門反饋信號由強制值64.372%恢復到實際值100%，系統各參數正常。給水泵汽輪機轉速控制系統投入自動模式，并逐步減小轉速設定值。隨著給水泵汽輪機轉速設定值逐漸減小，高壓調門及汽泵給水再循環調節閥逐漸關小，直至全關，給水系統恢復正常運行。實時趨勢如圖5所示。

圖5 反饋桿回裝前后參數曲線

4 動態過程分析

如圖6、圖7所示，將給水泵汽輪機低壓調門指令信號強制為64.372%后，在系統延遲響應的時間段內，指令輸出信號保持在強制前的59.8%。由于指令小于反饋值，VP卡輸出關閥信號，閥門關小，給水泵前置泵入口流量和給水泵汽輪機轉速開始減小。系統延時結束之后，給水泵汽輪機低壓調門指令與反饋信號值都被強制為64.372%。此時閥位定值模塊中比例作用消失，但是由于之前偏差的積累，積分作用依然存在，且不斷變化，因此，閥門并沒有保持在當前位置，在積分作用下，VP卡依然發出關閥指令。

圖6 指令強制前后參數曲線1

圖7 指令強制前后參數曲線2

與此同時，由于給水泵汽輪機轉速不斷下降，調門自動控制指令不斷上升。當低壓調門指令超過74%時，給高壓調門開始開啟，高壓氣源開始供汽。當低壓調門指令達到100%時，高壓調門也開至100%。因此，給水泵汽輪機轉速下降趨勢減緩。

給水泵汽輪機低壓調門指令信號數值強制解除后，由于給水泵汽輪機轉速控制系統輸入閥位定值模塊的指令信號為100%，LVDT輸入的反饋值為64.372%，VP卡輸出開閥指令，給水泵汽輪機低壓調門快速開啟，直至全開。同時，由于給水泵前置泵入口流量低于400 t/h，汽泵給水再循環調節閥聯鎖快開，給水泵前置泵入口流量和給水泵汽機轉速開始回升。

至此，給水泵汽機低壓調門穩定在全開位置，各工藝參數也恢復穩定。

5 改進措施

5.1 更改連接方式

原反饋桿連接件如圖8所示，閥門桿支架與LVDT使用橫向聯桿加萬向節過度連接，橫向聯桿使用M5螺絲固定在支架上，此次斷裂原因為連接件橫向聯桿較細小，機械受力能力較弱，長期受力導致金屬疲勞斷裂，LVDT反饋桿與調閥門桿平行度的變化也是受力增大原因之一。

圖8 原連接方式

針對此次事件，簡化了閥桿與LVDT的連接方式，采用整體化連接件，減少連接環節，增加連接機械強度，并在反饋桿的固定螺母上涂抹螺紋緊固劑，以防止固定螺母松脫，改進后的連接方式如圖9所示。

圖9 更改后連接方式

5.2 卡件冗余配置

機組設計為單汽動給水泵，其安全性等同于主機，現使用單LVDT與單VP卡配置，存在安全隱患，考慮采用冗余配置的改造工作，避免因LVDT故障引起機組非停事件的發生。圖10為冗余配置的調門控制系統。

5.3 檢查平行度

利用機組檢修期間，檢查所有LVDT與調閥門桿的平行度，重點對解體檢修后的調節系統進行檢查，預防受力不均引起的機械疲勞斷裂。

圖10 冗余配置的控制回路

6 結語

實踐證明，在機組工況穩定的情況下，將故障調門保持在全開位置進行反饋桿斷裂事故的檢修，是較為可行的方法。檢修的全過程應考慮閥位定值模塊的動作特性，以及指令反饋通道精度對模塊的影響，使閥門始終處于穩定安全位置，防止檢修過程中閥門的誤動。同時，在機組檢修階段，應加強對調門反饋桿平行度及受力情況的檢查，加固機械強度較低的連接件，對發現的問題及時進行處理，預防類似事件的發生。