（惠州深能源丰达电力有限公司 广东惠州 516000）
摘要：阀门是汽轮机的关键部件之一，其关闭时间是否超出规程要求将直接影响到机组的安全。针对许多电厂都存在主汽阀、调节阀和抽汽逆止阀的关闭超时问题，本文从机械和热工两方面出发，对主汽阀、调节阀和抽汽逆止阀的关闭超时问题进行了分析，并提出了合理的解决方案，对其它电厂解决相似问题具有一定借鉴意义。
关键词：汽轮机；阀门关闭超时；解决方案
引言
在电厂运行工作的过程中，汽轮机是必不可少也是尤为重要的器件设备。汽轮机阀门总关闭时间是指由发出跳闸指令至油动机关闭的全过程时间，若阀门关闭超时，可能会导致汽轮机在停机或甩负荷时超速，给机组带来极大的超速风险，不利于机组安全稳定运行。大多数电厂在做主汽阀、调节阀和抽汽逆止阀的关闭时间测试试验的过程中，都发现了阀门关闭超时问题的存在，鉴于此，本文就阀门关闭超时原因进行分析，并提出了解决方案。
1.阀门总关闭时间的构成
阀门总关闭时间主要由3部分构成：控制回路延时时间、机械延时时间及阀门纯关闭时间[1]。Ttotal=Tctl+Tdelay+Tshut（1）式中，Ttotal为阀门总关闭时间，也就是从跳闸指令发出到阀门完全关闭的全过程时间，s；Tctl为控制回路延时时间，也就是从跳闸指令发出到继电器动作的时间，s；Tdelay为机械延时时间，也就是从继电器动作到阀门开始关闭的时间，s；Tshut为阀门纯关闭时间，也就是阀门从开始关闭到完全关闭的时间，s。
控制回路的延时时间主要是控制器的扫描周期，有些电厂的跳闸回路经过ETS控制器，所以一般是指ETS控制器的扫描周期。如果跳闸信号为台盘手动打闸信号，那么跳闸回路走硬接线，不经过继电器，此时控制回路的延时时间为0。
机械延时时间主要与油路有关，电磁阀动作时泄油到阀门动作需要一个过程，因此从电磁阀动作到阀门开始关闭也有一段延时。阀门纯关闭时间就是阀门本体的关闭时间，该时间真实地反映了阀门自身的工作特性。
2.常规ETS跳闸回路构成
常规ETS跳闸回路如图1所示。
如图1所示，ETS控制器将跳闸信号处理后，送给AST电磁阀，4个AST电磁阀只要任意两个串联的电磁阀失电接通，高压安全油就会迅速泄掉，使汽轮机各主汽阀和调节阀关闭。常规的ETS跳闸回路有很多跳闸信号，阀门关闭试验经常采用的跳闸信号是发电机主保护信号、并网消失信号和台盘手动打闸停机信号[2]。对于许多电厂来说，台盘手动打闸一般走的是硬接线，跳闸信号走硬接线的时间比ETS输出跳闸的时间短，所以，如果采用台盘手动打闸测量阀门关闭时间，那么测得的是最短的关闭时间（没有经过ETS），但是该时间对汽轮机超速问题的分析没有代表性，原因是超速现象发生时，运行人员根本无法迅速反应，这时只能靠并网消失信号或者发电机主保护信号使ETS动作，关闭各主汽阀和调节阀。因此，建议用并网消失信号或者发电机主保护信号作为跳闸信号来进行汽轮机的阀门关闭测试试验。
图1 常规ETS跳闸回路图
3.阀门关闭超时分析
3.1主汽阀关闭超时分析
主汽阀分为高压主汽阀和中压主汽阀。高压主汽阀根据操纵机构的连接方式又分为油动机直连式高压主汽阀和卧式高压主汽阀。主汽阀的关闭时间超过规程要求，有机械和热工两个方面的原因[3]。
3.1.1机械原因
主汽阀关闭超时的机械原因主要有以下3点：
（1）弹簧刚度不够。运行中的机组由于各种原因可能导致弹簧刚度不够，弹簧力下降。由于主汽阀是靠弹簧力关闭的，弹簧力的下降会直接造成阀门关闭时间变长。
（2）机械阻力大。主汽阀阀体在运动的过程中，可能由于内部间隙不够、多个连接杆不同心、接触面不光滑、阀内有异物、阀杆热变形和阀杆锈蚀等原因造成主汽阀机械阻力大，从而导致阀门关闭时间变长。
（3）蒸汽反作用力大。对于高压主汽阀，如果运行中高压调节阀先关闭，会在主汽阀腔体产生一个比较大的蒸汽反作用力，抵消了一部分弹簧力，使主汽阀关闭时间变长。
3.1.2热工原因
主汽阀关闭超时的热工原因主要有以下两点：
（1）跳闸逻辑过控制器。实践证明，继电器和电缆线路对主汽阀关闭时间的影响微乎其微。跳闸逻辑过控制器对主汽阀关闭时间的影响非常大。当并网消失或电气保护信号发出时，ETS控制器经过运算输出跳闸指令使主汽阀关闭，那么ETS的扫描周期就是主汽阀关闭时间的重要组成部分。当ETS扫描周期异常增大时，会直接导致主汽阀关闭时间变长。例如，某电厂设置的ETS扫描周期只有30ms，但是实际运算周期达到200ms左右，这就极大地延长了主汽阀的关闭时间。
（2）冷态情况下主汽阀关闭时间合格，不代表热态下主汽阀关闭时间不会影响机组超速。一般都是停机时在冷态下做阀门关闭试验的，这个时候阀门是没有蒸汽流过的。但是实际运行中阀门关闭的时候阀门里是有高温高压的蒸汽流动的。有试验表明，热态会使阀门关闭时间变长。
3.2调节阀关闭超时分析
汽轮机调节阀分为高压调节阀和中压调节阀。调节阀的关闭时间超过规程要求，有机械和热工两个方面的原因。
3.2.1机械原因
调节阀关闭超时的机械原因主要有以下4点：
（1）快关电磁阀下端转接板的节流孔过小。调节阀快关电磁阀动作时，供油压力的下降速度与节流孔的直径直接相关，如果节流孔的直径过小，会导致供油压力下降过慢，从而导致阀门动作比较慢。不过，节流孔也不能放得过大，否则流量波动时会把阀门打开。
（2）阀门机械阻力大。阀门机械阻力大与设计、安装、检修等都有关系，即使投产时没有问题，在机组运行过程中，也不可避免地会造成阀门性能下降，比如，转臂轴与套之间有严重的结垢导致转动不灵活、调节阀杆有锈迹、调节阀杆发生弯曲等。
（3）弹簧刚度下降或弹簧预紧力过小。弹簧性能出现问题会直接影响弹簧力，从而影响阀门关闭时间。
（4）油动机缓冲装置的配合间隙不当。为了保护门头，设计时一般在油动机活塞尾部设有液压缓冲装置，当油动机接近全关时，该装置会对压力油排油进行节流。缓冲装置配合间隙的大小也影响着阀门的关闭时间。
3.2.2热工原因
调节阀关闭超时的热工原因主要有以下3点：
（1）热工跳闸回路ETS控制器运算时间较长。有许多电厂是通过ETS控制器控制高中压调节阀快关的，所以当跳闸信号发出到高中压调节阀完全关闭，期间还包含了ETS控制器的运算。ETS控制器运算时间越长，高中压调节阀的关闭时间就越长。
（2）热工跳闸回路跨控制器。如果跳闸信号跨控制器，也会使阀门关闭时间变长。
（3）其它热工跳闸回路的问题。比如，延迟时间设置不合适，导致跳闸信号无法发出等。
3.3抽汽逆止阀关闭超时分析
汽轮机抽汽管路上的逆止阀具有十分重要作用，当汽轮机甩负荷时，它保护汽轮机不致因蒸汽的回流而超速，并防止加热器及管路带水进入汽轮机。
抽汽逆止阀有两种形式，一种为回热抽汽管路上的逆止门；另一种是通过大流量的高压汽缸排汽管路上的摇板式逆止门。它们一般都靠压力水来作为控制动力。为了实现远距离和自动关闭的闭锁作用，设有一套控制水系统，简称逆止门压力传送装置。
抽汽逆止阀的关闭时间超过规程要求，有机械和热工两个方面的原因。
3.3.1机械原因
抽汽逆止阀关闭超时的机械原因主要有以下两点：
（1）对于回热抽汽逆止阀（靠水压关闭的类型）来说，阀门关闭超时可能因为机械阻力大、弹簧刚度太大或预紧力太大、水压建立不够及时或水压不够大。机械阻力大的原因包括间隙设置不合理、内壁周围有异物或拉毛等。由于靠水压关闭的抽汽逆止阀需要克服弹簧力作用，如果弹簧力过大，也会使阀门关闭时间变长。水压建立不够及时或水压不够大，也会使阀门关闭超时。
（2）对于摇板式抽汽逆止阀，比如高排逆止阀，阀门关闭超时可能因为机械阻力大、弹簧刚度或预紧力过小、水压解除不够及时。机械阻力大的原因包括间隙设置不合理、内壁周围有异物或拉毛、轴发生弯曲变形、轴开裂等等。由于摇板式抽汽逆止阀是靠弹簧力关闭的，弹簧刚度过小会直接导致逆止阀关闭时间变长。此外，排水管路堵塞或设计不合理，使水压解除不够及时，也会导致逆止阀关闭时间变长。
3.3.2热工原因
抽汽逆止阀关闭超时的热工原因主要有以下3点：
（1）有的厂逆止阀保护回路的电磁阀用的是常闭的机械接点。如果采用机械接点，当该接点卡涩失灵造成接点断不开，会导致电磁阀线圈烧毁。机械接点接触不良则会造成拒动，使逆止阀失去保护作用。
（2）组态逻辑设计不合理。阀门关闭试验中可以对超时的抽汽逆止阀分别测量其控制器运算时间和逆止阀纯关闭时间，如果测得的结果发现控制器运算时间大大超过逆止阀纯关闭时间，则基本可以判定是组态逻辑设计不合理的问题。
（3）逆止门压力传送装置故障。无论是回热抽汽逆止阀，还是高排逆止阀，都是靠压力传送装置动作的。压力传送装置故障会直接导致阀门关闭时间变长，甚至无法关闭。
4.阀门关闭超时问题的解决方案
针对主汽阀、调节阀和抽汽逆止阀关闭超时问题，提出了相应的解决方案。
4.1主汽阀关闭超时解决方案
4.1.1机械方面的解决方案
从机械方面着手，有以下几个解决方案：
（1）增加弹簧预紧力。在弹簧机构可调整的情况下，增加弹簧预紧力是从机械上减少阀门关闭时间的非常有效的手段。但是实际可行度如何要与厂家商议，因为增加预紧力还涉及增加弹簧垫片的问题。
（2）重视主汽阀检修工艺，尽可能地减小机械方面的阻力。
（3）将卧式主汽阀结构改变为油动机直连式主汽阀结构，彻底消除侧向力对主汽阀的影响。直连式主汽阀可以在弹簧内部设计锥面套筒结构，在阀门全开时该套筒支撑着导杆、连接头、弹簧座等部件，可有效防止阀杆弯曲，同时由于锥面套筒前部为球面与锥面的组合面，该组合面可以引导锥面内套筒顺利进入外套筒。上述措施减少了机械阻力，从而减少阀门关闭时间。
（4）对于卧式主汽阀结构，用新阀杆替换已经发生热弯曲的阀杆；调整导杆的支撑状况使之接近两端等高支撑；保留杠杆机构，在杠杆与油动机活塞杆相连接的销子圆孔处加工一个滑槽（滑槽的长度应满足杠杆在主汽阀开关过程中的最大伸长量），并将另一端的支点用支架固定，成为仅允许杠杆转动的铰链式支点；在弹簧室端盖上为主汽阀加装导杆托架，使作用于杠杆上的3个力保持在一个平面内。
4.1.2热工方面的解决方案
从热工方面着手，有以下几个解决方案：
（1）从热工角度减少主汽阀关闭时间，最有效的措施就是把并网消失和电气保护信号引入机组后备紧停回路，直接走硬接线跳闸。对于过控制器的跳闸回路，该解决方案直接跳过了控制器的运算过程，使阀门关闭时间不再受控制器性能的干扰。该方案需要对跳闸回路进行改动。某电厂3号、4号机组成功应用该方案缩短了将近200ms关闭时间，极大地减小了机组超速风险，如图2所示。
（2）对ETS进行改进。改进的方法包括缩短ETS控制器扫描周期；升级ETS控制器；改变ETS控制器的逻辑结构，使之尽量简化。最终的目的都是要使ETS的运算时间尽量短，以缩短阀门关闭时间。
（3）避免跳闸逻辑跨控制器。
4.2调节阀关闭超时解决方案
4.2.1机械方面的解决方案
从机械方面着手，有以下几个解决方案：
（1）将快关电磁阀下端转接板的节流孔径适当放大。绥中1000MW机组汽轮机的中压调节阀关闭时间过长，通过将快关电磁阀下端转接板的节流孔径改为1.5，最终缩短了中压调节阀的关闭时间。
（2）重视调节阀的检修工艺，尽可能地减小机械方面的阻力。
图2 后备紧停回路增加并网、电气保护控制原理图
（3）增加弹簧预紧力。增加弹簧预紧力，可有效提高调节阀关闭初始阶段速度，在活塞下部形成的缓冲油压也越高，泄油也越快，但需注意，当泄油间隙前后压比达到临界压比时，泄油流量不再随弹簧预紧力增大而增加，而只与泄油间隙有关。
（4）检查和调整油动机缓冲装置的配合间隙。
4.2.2热工方面的解决方案
从热工方面着手，有以下几个解决方案：
（1）更改热工跳闸回路逻辑。一般电厂内DEH控制器的扫描周期都要比ETS控制器的扫描周期短，特别是有些模块扫描周期更短，可以利用DEH控制器的某些模块来实现调节阀的跳闸。比如对于某发电厂4号机组的汽机调节阀来说，DEH控制器的OPC模块的扫描周期只有10ms左右，因此将DEH的OPC模块直接与并网消失或电气保护信号相连接，同时将DEH转速大于3090r/min的信号直接送到调节阀快关电磁阀，可以实现调节阀的快速关闭，有效防止机组超速，如图3所示。该方案实施后效果良好。
（2）对ETS控制器进行改进。改进的方法包括缩短ETS控制器扫描周期；升级ETS控制器；改变ETS控制器的逻辑结构，使尽量简化。最终的目的都是要使ETS的运算时间尽量短，以缩短阀门关闭时间。
（3）避免跳闸逻辑跨控制器。
4.3抽汽逆止阀关闭超时解决方案
4.3.1机械方面的解决方案
从机械方面着手，有以下几个解决方案：
（1）经常做阀门活动性试验。机组长期运行中，抽汽逆止阀难免发生卡涩，所以要经常做低负荷的阀门活动性试验，最好一个月一次。
（2）重视抽汽逆止阀检修工艺，确保抽汽逆止阀正常工作。定期解体清洗，清除异物，消除拉毛和凹凸，测量间隙达到厂家说明书要求，测量轴的弯曲度和变形程度，测试弹簧刚度和预紧力是否符合标准，测试逆止门压力传送装置是否正常工作。
（3）对于回热抽汽逆止阀（靠水压关闭的类型），可以适当降低弹簧预紧力或提高水压，以加速关闭；对于摇板式逆止阀，可以适当增加弹簧预紧力以加速关闭。但需注意，弹簧预紧力和水压的调整不能对系统起副作用，所以弹簧预紧力的大小要与厂家沟通确定。
图3 某电厂跳闸回路示意图
4.3.2热工方面的解决方案
从热工方面着手，有以下几个解决方案：
（1）对于电磁阀带机械接点的电厂，可以将电磁阀线圈的机械接点替换为接触器的常闭接点，同时加装延时控制回路。
（2）根据各厂DCS的具体情况，优化组态逻辑，减小热工回路延时时间。举两个例子，某厂1号机组用的新华DCS，其抽汽逆止阀组态逻辑包括上网点的上网、下网、数据扫描周期及页面执行周期等。将抽汽逆止阀页面执行周期由500ms改为200ms，并减少跨DPU（ETS直接到对应DPU）、减少上网点和下网点的数量，信号传递尽量引用，同时对组态逻辑的运算顺序进行了修改，最终缩短了各段抽汽逆止阀的总关闭时间。某厂150MW机组抽汽逆止阀关闭时间过长，通过修改DCS系统的组态逻辑（DCS为西屋OVATION），将所有抽汽逆止阀跳闸逻辑更改到扫描时间最短的分区内，并将抽汽逆止阀的保护动作条件逻辑点的广播频率由慢速改为了快速，解决了抽汽逆止阀关闭时间过长的问题。
（3）将抽汽逆止阀动作的控制动力由水控系统改为气控系统。更换为气控系统有以下优点：气控系统避免了凝结水在控制室活塞环产生的结垢、生锈和腐蚀等问题；气体系统检修、安装较为简单，并且有滤网过滤，避免了凝结水将大量杂质带入活塞室的问题；改造后的气控系统是一个独立的系统，有缺陷时，可以在不影响机组正常运行的情况下检修，避免了水控系统故障影响到凝结水系统的运行问题；节约成本，减少维修费用与零部件更换费用。某钢厂150t干熄焦余热发电机组抽汽逆止阀关闭迟缓，长达10s左右，将水控系统改为气控系统后，有效解决了该问题。
5.结束语
综上所述，汽轮机阀门关闭超时是影响机组安全的重要问题，应给予高度的重视。主汽阀、调节阀和抽汽逆止阀的关闭时间是影响机组超速问题的重要参数。通过对阀门关闭超时问题的分析，找出了造成这一问题的主要原因是主汽阀、调节阀和抽汽逆止阀的机械方面问题主要与弹簧和机械阻力有关，而热工方面问题主要与跳闸回路的组态逻辑和控制器的运算周期有关。为及时有效地解决阀门关闭超时这一问题，技术人员应当首先确认该问题是由机械还是热工原因造成的，进而才能针对具体情况制定解决方案。
参考文献：
[1]甘超齐，李春光，汪勇刚. 汽轮机主汽阀关闭时间超标原因分析及处理措施[J]. 热力发电，2014（7）：139-142.
[2]李占元，杨建兴，王学成. 亚临界600 MW机组汽轮机主汽阀关闭异常的原因分析及处理措施[J]. 广东电力，2010，23（6）：61-64.
[3]杜学慧，关志峰. 600MW亚临界汽轮机组汽阀关闭异常的检修[J]. 科技创新导报，2011（17）：87-87.
论文作者:张业富
论文发表刊物:《电力设备》2018年第13期
论文发表时间:2018/8/20
标签：时间论文; 阀门论文; 弹簧论文; 控制器论文; 机械论文; 回路论文; 调节阀论文; 《电力设备》2018年第13期论文;