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1  概述

    上海高橋石化公司熱電事業(yè)部共有六爐五機(jī)，其汽輪機(jī)均是由上海汽輪機(jī)有限公司生產(chǎn)的抽汽機(jī)組和背壓機(jī)組，采用母管制方式運(yùn)行，調(diào)節(jié)系統(tǒng)均為純液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)。2003年熱電事業(yè)部與北京和利時(shí)系統(tǒng)工程股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為和利時(shí)公司）合作，在機(jī)爐DCS系統(tǒng)改造的同時(shí)，對(duì)汽輪機(jī)組的液壓調(diào)節(jié)、保安系統(tǒng)進(jìn)行了DEH電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)改造，其中，針對(duì)主汽閥的改造方案經(jīng)歷了多次的探索和研究。

2  改造前主汽閥的功能

   在高壓汽輪機(jī)的純液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，主汽閥又稱(chēng)自動(dòng)主汽門(mén)或自動(dòng)關(guān)閉器，由操縱座、滑閥和閥體三部分組成，其主要作用是：
   (1)  機(jī)組沖轉(zhuǎn)、升速、暖機(jī)過(guò)程中，通過(guò)操作手輪控制主汽閥內(nèi)預(yù)啟閥的開(kāi)度，調(diào)節(jié)進(jìn)入汽輪機(jī)的主蒸汽流量，手動(dòng)開(kāi)環(huán)控制汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速，滿足全速條件后，升速至2850rpm附近，轉(zhuǎn)速再切換到由調(diào)速系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)控制，由手動(dòng)將主汽閥開(kāi)足。這是用主汽閥沖轉(zhuǎn)的方式。另外也可以先將主汽閥開(kāi)足，采用電動(dòng)主閘門(mén)旁路門(mén)沖轉(zhuǎn)。
   (2)  保障機(jī)組安全，當(dāng)機(jī)組超速110%n₀后，保護(hù)（電氣、機(jī)械）動(dòng)作或其他停機(jī)保護(hù)動(dòng)作打閘時(shí)，安全油壓力失去，迅速關(guān)閉主汽閥和調(diào)節(jié)汽閥。主汽閥的全程關(guān)閉時(shí)間要求小于1秒。
   (3)  脫扣保護(hù)，當(dāng)打閘后主汽閥關(guān)到零位，操縱座內(nèi)活塞與罩蓋脫開(kāi)，活塞下部壓力油通過(guò)其上部打開(kāi)的小孔泄油，當(dāng)掛閘復(fù)位后安全油壓建立，主汽閥不會(huì)自動(dòng)開(kāi)出，必須將手輪關(guān)到零位，活塞上部小孔封閉，主汽閥才能繼續(xù)開(kāi)出。可防止誤操作引起機(jī)組超速事故。

3  主汽閥的改造目標(biāo)和存在的問(wèn)題

    根據(jù)制造廠的規(guī)定，母管制運(yùn)行的機(jī)組不宜采用調(diào)節(jié)汽閥沖轉(zhuǎn)，以防止噴嘴局部進(jìn)汽對(duì)汽缸加熱不均勻，而造成溫差過(guò)大，熱應(yīng)力超標(biāo)。所以要求機(jī)組啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)時(shí)，全開(kāi)調(diào)節(jié)汽閥，而用主汽閥中的預(yù)啟閥啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)。

    對(duì)汽輪機(jī)組的調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)進(jìn)行DEH電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)改造后，要求實(shí)現(xiàn)主汽閥的自動(dòng)控制，主汽閥應(yīng)當(dāng)具備大范圍的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制功能，即能對(duì)機(jī)組啟動(dòng)時(shí)的暖機(jī)轉(zhuǎn)速、暖機(jī)時(shí)間、升速率等進(jìn)行準(zhǔn)確平穩(wěn)的自動(dòng)控制。

    綜上所述，主汽閥的改造目標(biāo)如下：
    (1)  主汽閥由手動(dòng)控制改為自動(dòng)控制（技術(shù)指標(biāo)為：轉(zhuǎn)速控制范圍：40～3600r/min，轉(zhuǎn)速控制精度≤±1 r/min）；
    (2)  保留主汽閥原有的保護(hù)功能，一是當(dāng)安全油失壓后，快速關(guān)閉，二是當(dāng)其打閘關(guān)閉后，必須經(jīng)過(guò)重新掛閘，才能建立起安全油壓；
    (3)  主汽閥內(nèi)的預(yù)啟閥應(yīng)具有根據(jù)行程對(duì)蒸汽流量的平穩(wěn)控制的功能，即其流量特性應(yīng)近似線性；
    (4)  能夠?qū)崿F(xiàn)汽機(jī)跳閘后的快速掛閘。
    為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)存在兩個(gè)問(wèn)題，一是主汽閥由手動(dòng)控制改為自動(dòng)控制，要有新的控制系統(tǒng)；二是主汽閥閥桿改造問(wèn)題。

4  改造方案的對(duì)比和選擇

    關(guān)于主汽閥閥桿改造問(wèn)題比較簡(jiǎn)單，筆者將原來(lái)球形的預(yù)啟閥型線改造為梨形的預(yù)啟閥型線，預(yù)啟閥座也配套更新，滿足預(yù)啟閥流量特性近似線性的要求。而閥桿其他尺寸保持不變，以確保與原部套通用。

    關(guān)于主汽閥的自動(dòng)控制改造問(wèn)題比較復(fù)雜，有以下三種改造方案。
    方案一：采用更換大部分的主汽閥閥芯部分的零部件，包括閥桿和預(yù)啟閥座，取消原主汽閥操縱座，改用單側(cè)進(jìn)油的油動(dòng)機(jī)，該油動(dòng)機(jī)通過(guò)杠桿控制主汽閥閥桿的位移。
    方案二：采用伺服電機(jī)代替原主汽閥操縱座的手輪，來(lái)控制主汽閥閥桿的位移，從而控制機(jī)組轉(zhuǎn)速。
    方案三：對(duì)原主汽閥操縱座實(shí)行局部改造，保留操縱座的筒體、活塞、彈簧等部件，作為單側(cè)油動(dòng)機(jī)使用，設(shè)計(jì)增加一套操縱座控制滑閥和一套安全油復(fù)位控制滑閥。

    三套方案的綜合比較如表1所示。

表1  三套方案的綜合比較

    方案二的伺服電機(jī)方案是早期老機(jī)組DEH改造中常用的方法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)施，但有一顯著缺點(diǎn)是很難實(shí)現(xiàn)跳閘后的快速掛閘，例如在做完撞擊飛環(huán)的超速試驗(yàn)后，要求能進(jìn)行快速掛閘，否則機(jī)組的轉(zhuǎn)速會(huì)降得很低。而用伺服電機(jī)將主汽閥全行程關(guān)閉是不可能做到快速的。

    方案一的上汽改造方案是近幾年DEH改造的常用方法，改造范圍大，完全符合DEH改造的各項(xiàng)技術(shù)要求，但是由于市場(chǎng)供求形勢(shì)的變化，其價(jià)格日趨昂貴，系統(tǒng)也很復(fù)雜。

    方案三正是在方案一無(wú)法實(shí)施的困難條件下，由和利時(shí)公司和上海高橋石化公司技術(shù)人員經(jīng)過(guò)大膽創(chuàng)新，設(shè)計(jì)出的一套全新的改造方案。該方案滿足了DEH改造的各項(xiàng)技術(shù)要求，而且其跳閘油路為冗余配置，安全性最好，價(jià)格適中。但新方案沒(méi)有應(yīng)用業(yè)績(jī)，是否能成功有待驗(yàn)證。

5  改造方案簡(jiǎn)介

    新的主汽閥控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示。為適應(yīng)自動(dòng)升速控制功能的需要，對(duì)主汽閥操縱座進(jìn)行改造，更換部分零件，將手動(dòng)控制改為自動(dòng)控制。

圖1  主汽閥控制系統(tǒng)原理圖

    在主汽閥操縱座的活塞與罩蓋間增加一彈簧，將原來(lái)帶手輪傳動(dòng)的上蓋去掉，更換一個(gè)帶油缸的上蓋，在無(wú)安全油壓時(shí)罩蓋將被彈簧彈起；安全油壓建立時(shí)，在油壓力作用下，罩蓋被壓下，脈動(dòng)油即可控制活塞向上移動(dòng)。

    增加一套主汽閥操縱座控制塊（滑閥）。該滑閥由DDV閥控制，功能相當(dāng)于單側(cè)油動(dòng)機(jī)的放大滑閥，把從電液轉(zhuǎn)換器DDV閥來(lái)的脈動(dòng)油控制信號(hào)放大，使得壓力油轉(zhuǎn)變?yōu)槎蚊}動(dòng)油，去控制活塞的行程。活塞移動(dòng)帶動(dòng)閥桿的移動(dòng)，與閥桿相連的LVDT（行程發(fā)訊器）將實(shí)際的行程作為反饋信號(hào)輸入DEH控制系統(tǒng)。另外還增加一套安全油復(fù)位控制滑閥，該滑閥由掛閘油（即復(fù)位油）控制。示意圖如圖1所示。設(shè)P₁為壓力油，P₂為安全油，P₃為掛閘油，P_X為脈動(dòng)油，S表示面積。當(dāng)P₂?S₂>P₁?S₁，即安全油P₂大于0.55 P₁時(shí)，滑閥能保持自鎖。安全油接通平衡油，作用于主汽閥操縱座上部的油缸；當(dāng)安全油P₂小于0.55 P₁時(shí)，滑閥能跌落，不再自鎖。安全油與平衡油均接通排油，使主汽閥操縱座上的罩蓋被彈簧彈起。

    在執(zhí)行掛閘操作時(shí)，掛閘油壓力建立，P₃=P₁=1.2MPa，則：
    掛閘油的作用力F₃=P₃?S₃=738N，壓力油的作用力F₁=P₁?S₁=420 N。

    F₃>F₁，可確保掛閘油克服壓力油的阻力，將滑閥推至上部，然后掛閘油壓力消失，但滑閥在安全油的作用下，已能保持自鎖。

    上文所述其跳閘油路為冗余配置，正是指安全油復(fù)位控制滑閥和主汽閥操縱座控制塊（滑閥）這兩套油路。當(dāng)機(jī)組保護(hù)系統(tǒng)發(fā)出跳閘信號(hào)后，AST電磁閥動(dòng)作，泄去安全油壓力，安全油復(fù)位控制滑閥跌落，平衡油接通排油，罩蓋彈起，使活塞上部封油口打開(kāi)并排油。同時(shí)DEH系統(tǒng)控制DDV閥復(fù)位，主汽閥操縱座控制塊動(dòng)作，使得二次脈動(dòng)油接通排油。在兩套油路共同作用下，確保主汽閥迅速關(guān)閉。

6  結(jié)論

    DEH系統(tǒng)改造結(jié)束后，委托華東電力試驗(yàn)研究院進(jìn)行了機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)性能試驗(yàn)。其中主汽閥關(guān)閉時(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2  主汽閥關(guān)閉時(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)

    上述數(shù)據(jù)均小于1秒，符合制造廠標(biāo)準(zhǔn)，而且比改造前0.9秒左右的時(shí)間有明顯改善，提高了機(jī)組的安全性。

    其他技術(shù)指標(biāo)如轉(zhuǎn)速控制范圍、精度等，通過(guò)試驗(yàn)，均符合設(shè)計(jì)指標(biāo)。這些試驗(yàn)和數(shù)據(jù)證明改造是成功的。

    在我國(guó)石化等行業(yè)的自備電廠、熱電廠中，有著大量類(lèi)似上海高橋石化公司的中、小型汽輪發(fā)電機(jī)組，該公司在DEH改造中主汽閥控制系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新的成功有著積極的推廣意義，為以后的技術(shù)改造增加了一個(gè)經(jīng)濟(jì)、安全的選擇方案。