汽輪機供熱蝶閥故障在線處置方法

張浩龍，張倍堯，楊明望，崔 燦，劉 威

(華能澠池熱電有限責任公司，河南 三門峽 472400)

近年來，隨著風電、太陽能發電等新能源裝機容量迅猛增長，非化石能源的裝機容量比重占42.4%，風電和太陽能發電裝機比重占22.8%[1]。預計到2050年，新能源發電裝機容量將超過50%[2]，火電機組全年利用小時數將至4293 h，突破新低。風電、太陽能發電的隨機性和間歇性較強，給電網安全帶來了極大的負面影響，為提供新能源消納能力，火電機組須承擔電網調峰任務[3-4]。

隨著國民經濟快速增長，行業用熱量、居民供熱需求大幅增加，國家節能減排政策使小型熱鍋爐和小容量供熱機組逐步關停[5]，大容量火電機組成為主要熱力來源，但是隨著火電機組深度調峰運行成為常態，如何解決供熱期參與調峰工作與滿足供熱需求之間的矛盾問題成為供熱機組亟需解決的課題[6-7]。目前許多供熱機組通過抽汽改造和低壓缸切缸改造來提高機組深度調峰情況下的供熱能力。低壓缸切除技術調整負荷和供熱能力主要通過供熱蝶閥實現，供熱蝶閥作為供熱機組在深度調峰情況下調節機組功能的重要部件，起到調節抽汽流量和保證低壓缸安全的作用，其安全、穩定、可靠運行和調節非常重要。但實際運行中因為供熱蝶閥故障影響機組供熱能力的事件頻頻發生[8]，如何在線解決供熱蝶閥故障和減少供熱蝶閥故障頻次成為供熱機組需要解決的重要課題。

本文針對某熱電聯產機組汽輪機供熱蝶閥故障分析原因，根據在線處置故障的經驗，提出一種供熱蝶閥故障在線處置的方法和解決供熱蝶閥易故障的方案。

1 典型事故案例

某熱電聯產機組汽輪機總體熱力系統如圖1所示，機組配備工業蒸汽調節閥、采暖調節閥和供熱蝶閥，根據熱負荷大小，機組可以靈活選擇純凝、抽凝2種運行方式。每臺機組配置2臺并聯熱網加熱器，根據熱負荷大小調整采暖抽汽量。負荷降低時，通過增大采暖調節閥開度和減小供熱蝶閥開度來保證熱負荷。由于該機組未進行低壓缸切除改造，為保證機組安全運行，必須保留一定的低壓缸排汽量，當低壓抽汽壓力≤0.04 MPa時，供熱蝶閥保護全開，切除供熱。

圖1 總體熱力系統

該機組負荷為175 MW，投入供熱，供熱蝶閥開度為29.3%，低壓抽汽壓力為0.049 MPa，采暖調節閥開度均為34%，采暖抽汽流量為215 t/h，供熱流量為7640 t/h。低壓抽汽壓力逐漸下降，運行人員立即關小采暖調節閥，低壓抽汽壓力未上升，依然逐漸下降，最終達到0.04 MPa，觸發供熱切除保護，供熱蝶閥指令給至100%，但供熱蝶閥反饋依然在29.3%保持不動，就地檢查供熱蝶閥實際已全開，確認反饋裝置故障。經過對反饋裝置在線更換后恢復正常供熱。此事故造成供熱負荷低數小時，未造成其他后果。

2 原因分析

事故發生后，對現場進行檢查，發現供熱蝶閥實際已全開，開關量反饋顯示全開，模擬量反饋在30%開度左右，與DCS反饋一致，如圖2所示。根據日常巡檢情況和DCS歷史數據分析，供熱蝶閥在30%開度以下存在閥門振動的情況，同時DCS顯示閥門反饋也存在波動。供熱蝶閥設計1個開關量反饋裝置和1個模擬量反饋裝置，反饋裝置通過連桿與閥門連接，其中模擬量反饋裝置通過卡銷與閥門連桿連接，而開關量反饋裝置通過連桿拐臂連接。由于閥門長時間振動，造成模擬量反饋裝置連桿斷裂使反饋失準為本次事故的直接原因。供熱蝶閥小開度下前后差壓大，可能出現臨界流動，甚至閥后繼續擴容降壓加速流動，是引起蝶閥振動的原因，也是本次事故的根本原因。

圖2 供熱蝶閥反饋裝置

3 在線處置方法

由于機組深度調峰，若不采用供熱蝶閥調節采暖抽汽流量則無法滿足居民供暖需求。更換供熱蝶閥反饋裝置存在閥門不受控制，異常擺動使汽輪機軸向位移和振動大造成機組非正常停機的風險。但若停機更換供熱蝶閥反饋裝置，需要費用20萬元以上，并且造成居民停止供暖24 h以上。

供熱蝶閥控制系統和各控制元件原理見圖3。由圖3可知，在系統電源正常，無故障信號的情況下，模擬式位置調節器對設定值和實際值進行比較，將偏差發送給閥放大器，通過積分調節器輸出閥信號至伺服閥驅動閥門動作。當信號電纜斷線或電源異常時發出故障信號，閥門故障或未啟動信號存在時禁用調節器和閥門信號，保持閥門在原位置。

圖3 供熱蝶閥控制原理

根據原理分析可能造成的風險和防范措施，最終采取在線更換的方法解決供熱蝶閥反饋裝置故障的問題。

打開模擬量反饋裝置端蓋發現，模擬量反饋裝置連桿斷裂，可以隨意轉動且模擬量反饋隨轉動變化。為保證在線更換過程無意外情況進行如下試驗。

a.系統電源斷電試驗。經試驗系統電源斷電后閥門不動作，但送電過程中由于模擬式位置調節器初始化過程中檢測設定值與實際值有偏差，閥門會輕微擺動，但不會造成機組軸向位移及振動的變化，影響較小。

b.電纜斷線試驗。因做此試驗風險較大，易造成誤動，未進行該項試驗，擬在更換反饋裝置過程中進行該試驗。

c.設定值和實際值偏差試驗。經試驗當實際值大于設定值時，閥門關閉，模擬量反饋裝置顯示CLOSING；當實際值小于設定值時，閥門打開，模擬量反饋裝置顯示OPENING;當實際值與設定值一致時閥門保持不動，模擬量反饋裝置顯示STOPPED，如圖4所示。可利用此特性，轉動故障模擬量反饋裝置連桿使閥門進行動作。

圖4 供熱蝶閥模擬量反饋裝置

d.模擬量反饋裝置定位試驗。為確保模擬量反饋裝置能夠成功在線定位，采用外加24 V供電回路進行模擬試驗。試驗進行全開和全關2個位置定位即可完成整個行程的定位，保證模擬量反饋裝置輸出的反饋信號準確平穩。

經過以上試驗驗證，采取可靠的防范措施和進行正確的更換步驟可以實現在線更換供熱蝶閥模擬量反饋裝置的目標。決定采取以下方法在線更換供熱蝶閥模擬量反饋裝置。

a.更換前準備工作:①將機組負荷降低至150 MW，并保持工況穩定,機組負荷越低供熱蝶閥突開、突關對軸向位移和振動影響越小;②利用實際值小于設定值時閥門打開的特性，轉動故障模擬量反饋裝置連桿小于設定值，驅動閥門至全開位，斷開供熱蝶閥控制回路電源;③強制閥門設定值為50%固定值。

b.更換供熱蝶閥模擬量反饋裝置:①拆除故障反饋裝置，檢查反饋裝置連桿損壞情況，并更換新的反饋裝置;②安裝新的反饋裝置時調整連桿安裝角度，確認內環盤上的紅點在外環紅色死區外，并固定安裝牢固;③通過外加24 V供電回路確保故障模擬量反饋實際值與設定值一致后，將故障模擬量反饋裝置依然連接至控制回路;④供熱蝶閥控制回路電源送電，調整故障模擬量反饋裝置轉軸驅動閥門緩慢至全關位。

c.新的模擬量反饋裝置整定：①新的模擬量反饋裝置外加24 V供電回路，進行2點順時針局部校準，確認閥門在全關位，存儲零位，零位整定完成；②調整故障模擬量反饋裝置轉軸驅動閥門緩慢至全開位，確認閥門在全開位，儲存滿位，顯示閥門定位成功；③新的模擬量反饋裝置串入萬用表，調整故障模擬量反饋裝置轉軸，驅動閥門緩慢至全關位，檢查反饋裝置電流應從20 mA緩慢降至4 mA，整個過程電流連續穩定變化，電流與實際閥門位置對應；④調整故障模擬量反饋裝置轉軸，驅動閥門緩慢至全開位，檢查反饋裝置電流應從4 mA緩慢升至20 mA，整個過程電流連續穩定變化，電流與實際閥門位置對應。閥門在緩慢關閉和開啟過程中新的模擬量反饋裝置輸出電流變化平穩且與閥門實際位置對應，表明閥門定位成功。

d.閥門傳動試驗:①整定完成后驅動閥門至全開位，斷開供熱蝶閥控制回路電源，拆除外加信號回路，同時將新的模擬量反饋裝置接入供熱蝶閥控制回路;②強制供熱蝶閥設定值為100%，供熱蝶閥控制回路送電；③通過強制供熱蝶閥設定值進行全行程傳動試驗，檢查設定值、實際值、閥門實際開度是否一致，若不一致再次進行調整。傳動試驗正常后表明模擬量反饋裝置在線更換整定成功。

通過以上方法，成功在線更換供熱蝶閥模擬量反饋裝置，后期整個供熱季供熱蝶閥使用過程中無任何異常，調節良好。

4 解決方案

a.采用雙作用大扭矩執行機構解決供熱蝶閥振動大的問題。當閥門處于小開度時，閥門前后差壓較大，流體產生渦旋，渦旋使閥門扭矩發生變化。解決此問題的方法是保證執行器輸出足夠大扭矩，同時為避免閥門嚴重卡澀時閥門閥桿和法蘭無法承受較大扭矩，更換單作用執行器為雙作用大扭矩執行器。

b.采用新型角位移反饋裝置和改造安裝方式解決反饋裝置因振動大易故障的問題。新型角位移反饋裝置具有很強的抗振性能，且為雙位移反饋裝置，1個反饋裝置故障時自動切換到另外1個反饋裝置工作，確保供熱蝶閥長周期安全運行；改造反饋裝置安裝方式，使閥門連桿直接通過鉚接方式與反饋裝置連接，保證轉軸的同心度和強度，減少因振動大等因素造成連桿磨損斷裂的問題發生。

5 結語

本文通過對某熱電聯產機組汽輪機供熱蝶閥的故障原因進行分析，提出一種在線處置供熱蝶閥故障的方法，同時提出解決供熱蝶閥振動大、不穩定的方案，可為同類型機組提供參考。