汽轮机调节汽阀抖动原因分析及处理

汽轮机调节汽阀抖动原因分析及处理

刘洋洋

浙江华业电力工程股份有限公司   浙江省宁波市北仑区  315800

摘要：目前国内常用的汽轮机为杭汽的三系列积块式汽轮机，这种汽轮机以其小巧的体积、高效率、强大的功率、长久的使用寿命、稳定可靠的运行、易于控制的转速、无易燃和易爆的特性，以及能够有效利用工厂的余热等优点，被广大的石油、石化和发电行业所采纳。该机型运行稳定可靠、结构简单，在我国得到广泛使用。然而，其复杂的安全控制系统由于其高度的关联性和对配合精度的高要求，也为维修和安装调试过程带来了不少挑战。特别在一些大型机组中由于其结构复杂而导致的调节阀门动作频繁、振动较大等问题尤为突出。本篇文章针对汽轮机调节汽阀出现抖动的原因进行了深入的分析，并提出了相应的处理建议。

关键词：汽轮机；调节汽阀；抖动原因；处理

1阀门开度抖动原因分析

1.1上位机与下位机控制信号检查

机组操作员协同设置了三种不同的机组控制模式：反应堆控制棒的自动模式和汽轮机调节系统上位机的自动模式；汽轮机调节系统上位机与反应堆之间的联锁功能，以及在运行中出现异常时报警和停机保护等。反应堆的控制棒处于自动化状态，而汽轮机的调节系统则是上位机处于手动模式；核电站正常运行时反应堆控制棒和汽轮机调节系统控制状态。反应堆的控制棒处于手动状态，而汽轮机的调节系统上位机也是手动操作。当核电站处于这两种状态时，由于阀门定位不准确导致了调节阀动作错误。观察阀门定位器和阀杆的抖动，我们发现在三种不同的状态下，通过现场安装的百分表仍然可以观察到，其幅度和频率之间并没有显著的差异。利用下位机的阀门模块，输出信号被设定为一个恒定的数值，确保阀门保持在一个固定的开度，而定位器和阀门的开度仍然会发生抖动。同时测量阀门位移量并记录，当位移超过设定阈值时报警，并且触发调节阀进行泄压操作。

1.2定位器抖动原因

在液压元件的运动副里，存在大量的环状缝隙，这些缝隙通常会充满油液。由于液压油粘度大、密度高、流动性差等特点，因此，当活塞与液压缸或油缸壁接触时即产生一定的摩擦力，使它们之间发生相对运动。在常规操作中，当移动阀芯时，只需要解决较小的粘性摩擦问题。如果阀口与介质之间没有很好地接触，则必须施加一个较大的作用力才能使阀芯顺利移动。然而，在中高压系统中，阀芯在停止移动一段时间后，阻力可能会增加到数百牛顿，这使得仅依靠电磁力无法推动阀芯，导致液压卡紧，就像“卡死了”一样。这就是液压卡紧现象。液压卡紧可能是由于油的温度上升引起的阀芯膨胀，或者是由于径向力的不均衡导致阀芯偏离中心并与阀体紧密接触，从而产生巨大的摩擦力，当杂质进入到配合间隙时，这种情况会变得更为严重。

在系统设计中，对定位器的快速响应有很高的要求。因此，我们选择在控制信号中加入高频交流信号，并在伺服阀阀芯上设计坡口，以强迫阀芯产生高频扰动。这样，阀芯就能始终保持悬浮状态，同时产生湍流，减少亚微米颗粒物的附着，从而避免液压卡紧这样的设计可能会引起定位器的震动，一旦这种震动超过了某个界限，阀门的正常操作就会受到影响。本文提出了一种改进方法，即改变定位弹簧刚度来减小振动幅度并提高精度。定位器制造商的试验台抖动标准定为±0.025mm，但这一标准偏低，无法满足核电站的功率稳定性需求。当定位器的抖动小于或等于0.01mm时，对汽轮机的进汽阀产生的影响是微小的。

2定位器抖动应对措施

2.1定位器试验台复现抖动现象

定位器厂家最初在测试时使用的控制信号没有交流分量，将抖动定位器返厂检查试验性能无下降，各项参数均正常。模拟电厂实际情况按比例增加交流分量并通过改变温度和压力可以复现部分定位器抖动。

通过试验发现定位器对温度和压力较为敏感。厂家定位器翻新程序要求油温为40℃，油压为14MPa。对比核电厂现场汽阀工作温度可达到48-52℃，油压为13.8MPa。部分定位器在40℃时特性稳定，当油温升至45℃时出现明显抖动。一些定位器在14MPa压力时稳定性良好，试验压力降低后出现明显抖动。

各部件的配合度会影响定位器性能。拆下伺服阀进行单独检测，也发现在不同压力、温度条件下存在输出压力大幅波动的情况。不更换备件仅重新组装后输出压力大幅波动时对应的压力、温度也不相同。对所有液压部件进行更换后，伺服阀输出压力波动现象出现概率有明显下降，判断备件使用后因冲蚀、磨损、结垢等原因导致品质出现下降。输出压力无明显波动的伺服阀组装到定位器油缸上后，也有抖动复现的情况。

伺服阀装配程序中要求伺服阀在额定供油压力下其挡板两侧喷嘴额定压力为2.2-2.6MPa。通过试验和分析发现，实际工作中由于系统压力变化和伺服阀部件特性变化，伺服阀实际供油压力不是额定值，运行中喷嘴压力随供油压力变化。由于配件制造差异，两侧喷嘴压力的线性区间不同，在某一供油压力下两侧喷嘴压力失去平衡即发生定位器抖动。通过调整喷嘴的压力，能使其在供油压力的变化范围内都处于线性区域，补偿配件差异影响和运行后状态的变化，提高定位器的工作效率和稳定性。试验结果表明喷嘴压力在1.5-1.8MPa时，可适应的供油压力范围广，动态稳定性好。伺服阀装配程序中要求通过打磨伺服阀阀芯坡口增加阀芯扰动提高定位器频率响应和阶跃响应能力。反之，减少打磨伺服阀阀芯坡口，降低阀芯扰动，可以降低定位器抖动。

2.2定位器抖动验收标准

定位器厂家以往标准不能满足现场使用要求，电厂在保证定位器整体性能的基础上增加了针对抖动的检查标准：

伺服阀壳体表面温度≥46℃；

充油后伺服阀线圈阻值波动量≤0.5Ω；

控制信号中增加18%颤振分量，使用百分表测量定位

器油缸活塞抖动幅度≤0.01mm。

2.3现场验证情况

高压调节汽阀出现故障后开始将伺服阀喷嘴压力从2.2-2.6MPa降低到1.5-1.6MPa。在定位器翻新过程中减少打磨伺服阀阀芯坡口，将定位器5%阶跃响应指标从120ms改为150ms并仅作为参考标准。日常机组运行期间跟踪确认定位器抖动现象消失，但在阀门带负荷试验期间出现定位器卡顿现象，分析原因为伺服阀长期运行后节流器、喷嘴、挡板、滑阀上会存在抗燃油老化产生的亚微米颗粒物聚集，伺服阀启动油压偏小，导致其克服杂质阻力的能力减弱。将伺服阀喷嘴压力恢复至2.2MPa后，日常机组运行期间观察到部分定位器抖动现象复现。

2.4定位器更换标准

为了及时发现异常避免定位器抖动影响机组功率稳定，电厂制定了定位器监视和更换标准。当阀门指令阀位减去实际阀位（POSITIOMTRIM）超过10%，或者两次带负荷试验后的偏差值变化量超过6%，需要加强关注。

当POSITIOMTRIM超过12%，则进行阀门刻度，给阀门模块重新建立其所对应的阀门驱动电流与阀位的特性数据表。当POSITIOMTRIM超过16%，则更换定位器。跟踪满功率状态下机组功率波动量为3-5MW，当波动超过5MW时调节系统无法补偿定位器抖动带来的功率变化，需要对抖动定位器进行更换。

结束语：定位器在固定开度时，伺服阀阀芯处于中间位置，定位器上下油缸进油量完全相等，实际工作中伺服阀阀芯在高频扰动时会左右摆动，造成定位器上下油缸反复进油，表现为定位器抖动。经过实践证明定位器抖动属于设备固有特性，无法彻底消除。通过减少伺服阀阀芯坡口打磨量降低扰流量，可以有效改善定位器抖动情况。通过制定适当的监测和更换标准并及时干预，可以有效避免出现机组功率异常波动的情况。

参考文献：

[1]苏林森.广东核电培训中心．900MW压水堆核电站系统与设备[M].一版.北京：原子能出版社，2005．

[2]周园，胡乃文．300MW汽轮机组EH系统电液伺服阀常见问题分析及对策[J].电站系统工程，2006（02）：31-32．

[3]文广，梁民勤，张智鹏，等.三级电液伺服阀稳定性及其对系统的影响[J].机床与液压，2008（07）：113-115.

[4]王晓晶.新型液压元件及选用[M].一版.北京：化学工业出版社，2020．