时间:2024-07-28
刘 军
(广东粤电靖海发电有限公司,广东 揭阳 515223)
某电厂1 000 MW超超临界机组汽轮机由东方汽轮机厂生产,汽轮机型式为超超临界、一次中间再热、单轴、四缸四排汽、双背压、凝汽式、八级回热抽汽,型号为N1000-25.0/600/600。汽轮机采用高压缸启动方式,在机组启动或停机时,主蒸汽通过一级大旁路经减压减温后进入凝汽器。高压缸排汽管道上没有设置逆止门,只在4号高压调门与高压缸进汽高压导汽管至凝汽器之间设置了1只高排通风阀(简称VV阀),在汽轮机跳闸保护系统(ETS)中增加了VV阀故障跳闸保护。
VV阀现场安装在4号高调阀后与凝汽器之间的导汽管上,如图1所示,其主要作用是在汽轮机停机时该阀门开启,利用高压缸排汽来冷却高压缸的叶片。
在机组甩负荷时,冷段再热冗余汽倒流入高压缸,对整个高压通流进行充分冷却,防止汽轮机转子鼓风叶片超温,确保转子的安全运行,并最终经通风管路排入凝汽器。
为降低机组运行过程中VV阀前后管段的温度差,设置了节流孔板作为VV阀的旁路,可以达到暖管作用。
图1 VV阀布置示意
VV阀采用双气缸的气动执行机构,控制回路为单电磁阀控制回路,其控制原理如图2所示。电磁阀1YV采用110 V DC电源供电,电磁阀带电时,经减压过滤后的仪用压缩空气引至气锁阀D,将仪用压缩空气作为控制气引入上、下切换阀。当电磁阀1YV得电时,1,2控制气接通,气锁阀D也会接通,气锁阀D1的S,U接通,上气缸进气,气锁阀D2的S,U接通,下气缸排气,通风阀关闭。当电磁阀1YV失电时,1,3控制气接通,电磁阀1YV排气,气锁阀D失气,切断上、下切换阀的控制气,气锁阀D,D1,D2阀杆在弹簧的作用力下恢复原位,气锁阀D2的E,U接通,下气缸进气,气锁阀D1的E,U接通,上气缸排气,通风阀开启。储气罐T配合入口处的逆止阀CV使用,其作用相当于蓄能器。当控制气源自逆止阀CV进入储气罐T后,即便压缩空气失去,因逆止阀CV的作用,储气罐T内会保持压缩空气的压力不变。储气罐T气源引入下切换阀作为控制气缸的动力气源。
图2 VV阀控制原理
为了实现VV阀的控制功能,其控制逻辑主要设计有:
(1) 汽机跳闸,自动打开VV阀,其主要作用是快速排出高压缸的高温蒸汽,防止因高压缸超温导致高压转子叶片过热而损坏;
(2) 汽机挂闸,自动关闭VV阀,其主要作用是切断高温蒸汽直接排入凝汽器,保证机组正常运行的需要;
(3) 机组正常运行时,VV阀就地异常开启,机组跳闸,其主要作用是防止VV异常开启导致高温高压蒸汽直接排到凝汽器而损坏钛管;
(4)为了防止运行人员误操作,只设计VV阀的逻辑联锁功能,不提供VV阀的画面操作功能,以绝后患。
在ETS系统中设计有VV阀故障跳汽轮机保护功能,VV阀故障由DCS系统综合判断后发出送至ETS系统,最终输出跳闸信号。
VV阀故障停机逻辑原理如图3所示。
4个高压调节阀不在关位或者高压调节阀控制指令大于22 %时,VV阀无全关信号,发出“VV阀故障开”停机信号。
2014-09-13T03:15,3号机组负荷700 MW,3号机组跳闸,跳闸首出为“VV阀故障开”。现场检查发现3号汽轮机VV阀就地控制气源至VV阀气缸的连接件(气锁阀与分气阀连接处)断裂,VV阀就地故障开启。更换接头后,VV阀开关正常。
2016-06-08T17:25,3号机组负荷700 MW,3号机组跳闸,跳闸首出为“VV阀故障开”。检查发现VV阀控制用电磁阀烧坏,导致VV阀就地故障开启,触发“VV阀故障开”跳闸逻辑,引起机组跳闸。更换电磁阀后VV阀开关正常。
由于在机组的ETS系统中引入了VV阀故障跳汽轮机保护的条件,VV阀作为一个单一的设备无法做到保护的冗余设置,因此如何提高VV阀运行的可靠性,以保障机组的安全运行是一个急需解决的问题。
原VV阀的控制管路及部件全部安装在阀体上部,采用不锈钢管硬连接方式。VV阀阀体前后分别为4号高压导汽管以及凝汽器,前后的压差大,导致管道及阀体振动大,阀体温度最高达到250 ℃。长期的高温环境及振动不利于热控设备的安全稳定运行。正常运行时,VV阀为失气开启,其气动控制回路中任何一个地方发生故障,均有可能造成气缸失气,VV故障开启。
图3 VV阀故障停机逻辑
2014-09-13,3号机组VV阀气源管接头断裂VV阀非正常开启,导致机组非正常停运。其主要原因就是随阀门配供的控制气源管路连接件(位于气锁阀与分气锁阀连接处)强度不足,运行中疲劳损坏断裂,VV阀气缸无法进气,阀门在弹簧力作用下自动开启,在没有开指令的情况下,导致汽轮机“VV阀故障开”保护动作,汽轮机跳闸。
汽轮机机组正常运行时,VV阀控制用电磁阀处于长期带电状态,电磁阀接线松动、电缆断裂或线圈烧毁等原因均可能造成电磁阀失电,导致气锁阀D无气压输出,下切换阀通气,上切换阀排气,阀杆在弹簧的作用力下恢复原位,使VV阀开启,引起机组跳闸。如2016-06-08,3号机组VV阀电磁阀线圈烧毁,导致VV阀非正常开启,再次导致机组非正常停运。
本着“减少误动,防止拒动”的原则,为了防止异常时VV阀不能正常开启,在保留VV阀失气开启功能的基础上,改动了控制回路,其控制原理如图4所示。
(1) 将VV阀原有的“失电开”控制方式改为“带电开”,再以并联方式增加1个电磁阀2YV。在正常运行时,只要2个电磁阀有1个带电就可以使VV阀正常开启。这种方式既可以减少电磁阀长期带电运行故障导致的VV阀非正常开启风险,又能避免由单个电磁阀故障导致的VV阀拒动风险。
(2) 并联的2个电磁阀1YV,2YV同时接受DEH系统控制,新增的电磁阀同时接受操作台硬手操控制。任何1个电磁阀带电都将开启阀门。原有的电磁阀控制电源保留,仍取自DEH系统110 V DC电源,新增电磁阀控制电源独立取自电气直流馈线柜。由于2个电磁阀的110 V DC电源分别来自不同的电源,其控制指令也是来自不同的地方,做到了全过程的冗余设计,降低了故障风险,提高了系统可靠性。
(3) 在原有气路的基础上,并联增加1路进气气源及过滤减压阀组件,增加前后手动门以方便检修隔离;在2路气源减压阀后各增加1个逆止阀,防止由于过滤减压阀组件故障引起VV阀失气故障开启。
(4) 就地设置控制箱,将以上所有控制元件从温度较高的VV阀阀体上部全部移至控制箱内,VV阀本体仅保留气源管道接头及行程开关。控制箱位于VV阀旁边的平台上。
原VV阀全开信号仅靠1个行程开关检测,可靠性低。改造后,将VV阀全开信号设计为“3取2”。3个限位开关为触头式开关,1个位于气缸顶部,靠活塞连杆压住触头,另外2个安装于气缸底部,依靠阀杆上焊接的连杆压住触头。顶部为全开信号,底部2个为全关信号。全开信号取非,加上底部2个全关信号。
这3个信号中任意2个信号出现,才发出VV阀全关信号。由于控制逻辑中VV阀全关信号取非(VV阀无全关信号),判断为VV阀故障开启状态(见图3),进入VV阀故障开启停机保护逻辑。现场检测发现VV阀阀体温度约90 ℃,为了防止高温直接接触造成行程开关的故障,将限位开关向外移动一定距离,并增加管道保温厚度,同时在行程开关和阀体之间增加保温隔离。这样将行程开关处的温度降至约40 ℃,确保VV阀限位信号传递的可靠性;同时将3个信号均送至DCS系统画面显示报警,便于运行人员监控,一旦发生故障可以及时发现立即处理。
图4 改造后的VV阀控制原理
在VV阀控制气源的过滤减压阀组件后增加1个压力变送器,将控制气源压力显示在DCS画面,供运行人员实时监视控制气源压力;并增加了压力低报警,一旦控制气源发生轻微泄漏造成压力低时,可及时提醒运行人员处理。同时,将VV阀的3个限位开关状态显示至DCS系统画面,在DCS内增加了VV阀3个限位开关信号不匹配的报警,便于运行人员及时发现并消除VV阀异常状态。
VV阀是东方汽轮机厂1 000 MW超超临界机组取消高排逆止门后为了保护汽轮机所做设计,而在VV阀设计中仅仅考虑工艺上的问题,并没有考虑保护的可靠性问题,因“VV阀故障开”导致停机的事件在同类机组中时有发生。通过对VV阀的可靠性分析,并对其控制回路和控制逻辑进行有针对性的冗余改进,可有效避免因信号误发或VV阀误动作而导致的机组停机事件,并且在启停机时确保VV阀动作可靠稳定,保障了机组安全稳定运行。
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