核電汽輪機調節閥開度抖動現象分析及處理

梁君，章鵬華

中核核電運行管理有限公司，浙江嘉興，314300

0 引言

某核電采用國產引進阿爾斯通ARABELLE型汽輪機，汽輪機為單軸、中間再熱、三缸、四排汽，凝汽式汽輪機。高壓進汽閥前主蒸汽壓力為6.43MPa，溫度為280.1℃，質量流量為1613.4kg/s，額定功率為1089.075MW。

汽輪機高壓進汽由四根連接至高壓主汽調節閥的主汽管送汽，高壓閥門分四組，每一組由主汽閥和調節閥組成。蒸汽在高壓缸內做功膨脹，然后經過兩個MSR（汽水分離再熱器）后，蒸汽經過中壓蝶閥，再進入中壓缸。中壓進汽閥門也分為四組，每組由主汽閥和調節閥組成。主汽閥實現快速關斷蒸汽功能，調節閥位于主汽閥之后，通過閥門開度調節蒸汽流量，實現調節功能。高壓及中壓主汽調節閥通過剛性聯軸器與油動機活塞桿相連，主汽閥油動機及操縱座用于主汽閥的開啟和關閉兩位控制，調節閥油動機及操縱座用于調節閥開度的連續控制[1]。

1 汽輪機調節閥控制基本原理

汽輪機組調節閥實現進汽流量的調節功能。高壓油動機及操縱座用于調節閥開度的連續控制，由比例閥、伺服板、位移傳感器及汽輪機電液控制系統組成了調節閥閉環控制回路。調門的開啟采用油動機內活塞下腔室的充油，液壓驅動活塞將壓縮外部的彈簧，使得閥門開啟，當二者力量平衡時，閥門處于某一特定位置，彈簧處于蓄能狀態；當液壓缸下腔失去油泄壓時，油動機活塞反向運行，閥門在彈簧的作用下關閉。

調節閥控制回路組成：P320控制器中，汽機負荷邏輯根據機組目標負荷計算出閥門開度指令——輸出至信號分配——信號分配卡輸出至VICKERS卡——VICKERS卡接收閥門開度指令、閥門位置反饋、比例先導閥位反饋、比例閥主閥位信號，通過運算后輸出閥門開度指令，作用在比例閥上，比例閥控制油動機充排油實現閥門開度變化。比例閥的結構如圖1所示，由比例電磁鐵、先導閥、減壓閥和主閥四部分組成[2]。

功率運行下，調門執行小幅慢速的開度變化。閥位控制原理如圖2所示，閥桿的運動主要由比例閥執行PID型的自動控制。此動作條件下，電磁閥并不投運，卸載閥關閉。當控制卡發出位移控制信號/位置偏差信號，則電磁閥信號將推動比例閥閥芯，左右移動，改變油動機上下腔的進油排油情況，油壓的變化與彈簧力相抵消后，引起閥門開關位置改變。

2 調節閥開度抖動問題分析

某電廠二號機組在運行期間，三號高壓調節閥突然全關，持續1秒后快速開啟，3秒后達到初始開度，造成了一定的功率擾動。2020年9月開始，該機組三號高壓調節閥、四號高壓調節閥、二號高壓調節閥均發生了類似問題。經分析調節閥開度抖動的可能原因如下。

2.1 卡件回路工作異常

假設本次缺陷是卡件回路工作異常導致，其動作過程應是：微調模式下，比例閥主閥閥芯和先導閥閥芯均左右持續性短程移動，當出現閥芯的卡澀后，閥芯的運動受到阻滯，輸出液壓信號恒定，不再變向，閥位控制的油動機行程持續放大，控制卡接收到的位移反饋信號，持續與預定輸出偏離，將不斷加大對此運動的抑制信號。直至造成0%或100%的控制要求。這種控制的不斷加大即將克服閥芯的阻滯，完成閥門的動作。達成0%或100%的閥門位置控制要求后，由于與實際功率的不匹配，將繼續要求閥門的開度動作，如果該行程過程中卡澀并未緩解，會繼續執行上述流程，直至閥位響應達標，整個控制流程順暢。在現場安裝了錄波儀后發現信號出現震蕩的起始在于比例閥主閥的位移信號，而不是卡件輸出的控制信號。因此可排除卡件指令信號回路異常的可能性。

2.2 EH油油質問題

某電廠二號機組發生了多次調節閥開度抖動問題，普遍性的缺陷與單個比例閥的性能相關性較低，考慮主要影響源自工作介質EH油。EH油在劣化過程中，水解、低溫氧化、高溫降解等污染物均會產生油泥，積蓄在整個EH油系統中。隨運行時間累積，油泥問題日益凸顯，引起過濾器堵塞、電磁閥卡澀等問題。由以下圖3至圖7分析，EH油油質指標中顆粒度、酸值、電阻率、水分均處于較好水平[3]。針對漆膜指數這一指標，油品廠家的建議限值≤30（方法為ASTM D7843），該機組漆膜傾向指數這一指標在較長時間內超出建議值，因此油品不達標可能是造成閥位抖動的原因之一[4]。

2.3 比例閥響應偏差

該缺陷發生后，電廠對缺陷比例閥在試驗臺上進行響應試驗，現其試驗曲線出現較大的偏差，圖8為異常比例閥的試驗情況，圖9為正常比例閥的試驗曲線。

現場的拆解過程中，閥芯的拆除較為困難，存在明顯的卡澀，觀察閥芯的表面存現明顯的劃痕（見圖10），在圓周方向也發現了明顯的磨損痕跡。拆解比例閥的過程中，收集比例閥內部殘余EH油，在比例閥主閥內發現絲狀物體和黑色固體球形物（見圖11）。

對絲狀物體和黑色球狀異物檢測結果進行分析（見圖12），異物主要是鐵元素Fe，含量占可檢測物質比例94%左右，結果中未檢測出Cr成分，可以確認該異物是外來引入，而非系統內普遍的不銹鋼。

EH油在系統內的流通過程見圖13。主油泵進口設有過濾器，過濾精度為149um，濾網材質為不銹鋼；主油泵出口設有過濾器，過濾精度為5um，濾網材質為合成纖維。濾芯孔徑遠小于異物，同時異物成分也與濾芯材質不符（異物主要是鐵元素Fe），因此異物來源于過濾器的可能性較小。而油動機EH油進口無濾網裝置，比例閥中的金屬顆粒來源于雙聯濾油器下游管線后的可能性較大。

對油動機的入口軟管更換過程進行核查。軟管采購驗收時，執行水壓試驗，后采取清潔壓空吹掃干凈，更換金屬軟管前，用高純氮氣吹掃，并采取內窺鏡檢查確認的方法確認內部的清潔度。更換比例閥備件后，未進行系統油沖洗工作。金屬波紋管內部溝壑復雜，壓空及高純氮氣吹掃可能未完全清理出管路中的微小顆粒，更換比例閥后未進行管路沖洗可能也是導致異物進入的原因之一。

3 調節閥組控制系統優化運行

針對高壓調節閥的上述問題，制定了一系列優化運行措施。

3.1 EH油泵出口過濾器至油動機管段清潔度控制

由于某電廠閥門控制系統油動機比例閥前未設置過濾器，油泵出口過濾器至油動機管段的清潔工作顯得尤為重要。在油動機金屬軟管更換的過程中，采用壓縮空氣及氮氣吹掃不足以保證微小顆粒物的完全去除，某電廠采用超聲波清洗以確保管路清潔。比例閥閥芯配合間隙為微米級，小顆粒去除不完全可能導致比例閥閥芯動作不暢。更換比例閥后，執行大流量油沖洗工作，實施單臺閥門的油沖洗。

3.2 EH油品質控制

某電廠液壓調節系統采用三芳基磷酸酯液壓油，抗磨性好，物理性質穩定。該EH油易吸收水分，高溫狀態易發生降解，低溫狀態易發生氧化。針對EH油品質的控制，某電廠采取了以下措施：嚴格控制酸值、水分、電阻率、顆粒度至標準范圍內；增加MPC值為油品的控制指數之一（控制到30以下）；對EH油箱采取壓縮空氣吹掃以降低EH油對空氣水分的吸收；增加EH油取樣監測頻率并采用體外濾油的方式保證油品品質[5]。

采取以上措施后，機組運行期間再未出現汽輪機調節閥開度抖動問題，成功消除了閥位抖動缺陷，為汽輪機組的穩定運行提供了有力保障。

4 結語

本文針對ALSTOM的汽輪機調節閥控制原理進行了探討，并針對閥門開度抖動問題進行了分析，提出了油動機前管路清理的方案及液壓系統油品控制的方法。通過某電廠閥門開度抖動缺陷的處理，證實了該分析及方案的可行性，為后續同類機組在預防和處理該問題提供借鑒。