小汽机切换阀的伺服阀故障导致停机事故分析及处理

小汽机切换阀的伺服阀故障导致停机事故分析及处理

苑咸光

(河北大唐国际丰润热电有限责任公司河北省唐山市064000)

摘要:丰润热电公司1号300MW机组的锅炉为亚临界自然循环汽包炉，为了节约建造成本，只设计了一台50%的电泵和一台100%汽泵。在机组运行过程中，在异常工况下，特别是给水RB时，汽包水位很难得到有效的控制。首先本文对机组的给水控制工作原理及控制策略进行了介绍。其次结合伺服阀故障导致汽包水位满水，对现场设备以及控制逻辑中存在的设计缺陷及隐患，进行分析、优化，保证机组在正常运行和异常工况下，给水系统能够可靠运行和切换，减少机组异常事故。

关键词:事故分析给水自动控制小机伺服阀

1.引言

丰润热电公司1号机为300MW亚临界机组，其中锅炉为哈尔滨锅炉厂有限公司制造，型号为HG-1025/17.5-YM-37,锅炉型式为亚临界自然循环汽包炉。汽包炉给水控制是保证锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量，以维持汽包水位在规定的范围内。汽包水位是锅炉安全运行的一个重要参数，汽包水位的稳定代表着锅炉的蒸汽流量与给水流量在实际运行工况下的动态平衡。维持汽包水位在一定范围内是保证锅炉和汽机安全运行的必要条件，如果汽包水位过高，将导致汽包内的汽水分离装置的效率降低，在极端情况下降导致主蒸汽的带水，发生汽轮机叶片的水蚀。如果汽包水位过低，将导致锅炉下降管中部分管道内没有水流动，下降管道局部温度升高，存在锅炉爆管的风险。涉及给水系统设备出现异常时，必须在较短的时间内，让运行人员调整，或采用技术措施，保证给水系统正常运行，才能够有效遏制事故的发生。

2.给水控制系统概述

小汽轮机为单缸、轴流、反动式，驱动100%容量给水泵，可供给锅炉100%BMCR的给水量；一台50%BMCR容量的电动给水泵，单台电动给水泵可提供锅炉50%BMCR的给水量。小汽轮机工作汽源为四段抽气，蒸汽压力低，备用汽源为再热冷段，启动、调试汽源为辅助蒸汽；当主机负荷升到约40％额定负荷（定压）或30％额定负荷（滑压）以上，调节阀开度大于95％，四段蒸汽流量仍不能满足给水泵的功率要求时，切换阀打开，将备用高压蒸汽引入，通过切换阀的节流调节后，相继通过主汽阀、调节阀，然后进入小机喷嘴做功。此时四抽进汽管道上的逆止阀门自动关闭，工作汽源由四段抽汽切换至冷再蒸汽，由于小机效率偏低以及四抽进汽量少、蒸汽压力低等原因，机组运行中带50%以上负荷后，基本采用冷再蒸汽作为动力汽源。

图1：汽动给水泵汽源系统图

为了维持汽包水位的恒定，采用单冲与串级的无扰切换的复合控制策略。在蒸汽流量低于283T时采用单冲量控制方式，流量高于283T后，采用串级控制策略。主调被调量是汽包水位，副调的被调量是给水流量。采用将蒸汽流量的函数信号叠加到主控制器的前馈回路中，主控制器输出是副调的给定值，副调输出作用到汽泵或电泵的控制器，实现对其转速的调节，用来克服各类干扰量对汽包水位的影响。本厂的给水控制逻辑如图：

图2汽包水位控制逻辑图

在正常运行时，通过调节电泵和汽泵转速控制锅炉给水量，维持汽包水位在合理的范围内。汽包水位控制主逻辑在MCS3内形成，正常运行时，汽包水位偏差通过三冲量调节系统，产生给水主指令，去驱动汽泵或电泵调节结构。汽泵指令通过函数的标幺转换，在MEH中形成小机目标转速指令。

在MEH中，小机的目标转速和实际转速进行PID运算，产生对应的控制指令去调节小机调节阀和切换阀。首先在综合阀位指令下，打开小汽机低压调节阀，当控制指令大于95%后，小机调节阀继续打开到全开状态，小机切换阀按照综合阀位指令中预定的曲线函数形成切换阀的控制指令。控制指令信号作用到小机切换阀就地控制箱。小机切换阀根据DCS远控指令和实际阀位进行PID运算，根据控制偏差，产生小机切换阀控制指令，进而调节切换阀的阀位。

当汽包水位控制系统由于异常条件切除自动后，按照底层切除上层的控制策略进行控制。当MEH控制系统切除自动后，小机的给定转速自动跟踪实际转速，阀位指令跟踪切自动之前的阀位指令信号。在MCS3控制器的小机指令形成回路中，汽泵指令跟踪MEH中汽泵转速给定信号转换后的函数。汽包水位主控指令形成回路中，主控指令跟踪电泵指令或汽泵指令中的高值。

3.小机伺服阀故障简述与分析

通过查看小机相关历史数据，在机组正常运行的过程中，由于采用冷再的汽源作为小机的工作汽源，蒸汽压力较高，为了适应机组全负荷段的需求，小机切换阀的开度在6%到20%之间变化。在此运行工况下，管道的节流严重，导致小机高压进汽管道的振动剧烈，噪声尖锐。在这种长时间的振动下，小机高压进汽管道上安装的温度套管以及压力取样管路频繁振坏。在发生故障时，给水调节、小机转速控制系统在自动控制方式，事故时小机切换阀本体安装的伺服阀的接线发生虚接，导致伺服阀不能够准确的按照阀位指令准确动作，是触发本次事故的直接原因。当设定转速与实际转速超过1000转偏差后，给水控制、小机转速调节均切为手动，设定值维持在切除自动前调节系统当时的指令值。

伺服阀的接线包括电源线、控制指令线和反馈线。如下图所示，随后对小机伺服阀的接线进行检查，没有发现明显接线断裂的问题，但是将伺服阀的接线弯曲变形较大时，发现控制器出现故障指示，最后确定是连接线出现问题。

图3小机伺服阀接线图

在机组停备期间，为了验证事故发生的具体原因，热工人员进行多次试验，结合试验情况以及与厂家技术人员共同分析，得出以下结论：

（1）.当电源、控制指令、伺服反馈接线全部失去后，切换阀保持当前位置不变。

（2）.伺服反馈信号接线开路后，对切换阀没有影响。

（3）.伺服阀的电源和控制指令信号开路时，对切换阀的影响基本一致，具体情况如下：

a.当伺服阀的电源或控制指令在偏差允许的范围内开路时，阀门控制指令基本不变，切换阀保持当前位置不变。

b.电源或控制指令信号开路后，如果远程指令和反馈的偏差超过调节死区时，切换阀就地控制箱内产生的控制指令会按照当远程指令小于阀门反馈时关小阀门、远程指令大于反馈时开大阀门的方式进行，直到控制指令为0%或者100%。

c.电源或控制指令信号如果恢复后，切换阀会按照当时PI运算后的控制指令进行动作，关闭或打开一定开度。但是在动作过程中，如果电源或控制指令信号又失去，阀门又会保持当前的位置不变。

结合事故发生时的曲线分析，当时切换阀反馈为18%，远控指令为17%，此时电源或指令信号开路，由于负偏差的存在，切换阀控制器内运算要求关小切换阀。当电源或指令信号恢复后，切换阀开始关小，最小关到6%时。在此过程中电源或指令信号线又断开，导致切换阀保持当前的位置。由于切换阀的阀位减少，小机的转速小于设定转速，因此小机的设定转速增大，最大到59%。在小机的设定转速与实际转速偏差超过1000转后，切除自动调节，小机切换阀的指令保持当前的开度。在切换阀的开度关小后，系统本体的高频振动消减，此时电源或指令信号线恢复正常，导致切换阀按照指令瞬间打开，大量的蒸汽进入小汽机，其转速飞升，导致汽包满水，机组MFT保护动作停机。

图4小机事故曲线图

4.暴露问题及优化方案

4.1.针对存在的系统问题进行优化

小机在使用冷再高压汽源时，由于管道内蒸汽节流较大，管道振动较大，导致系统管道上安装的液压阀门、温度、压力等测点发生损坏进行专项攻关。首先将安装在本体的温度、压力等测点采用软管连接方式，减少管道振动对测点的影响；然后将安装在管道本体的接线盒移到地面，减少振动对端子和信号线的影响；其次利用机组停机时间，更换切换阀的伺服阀，并紧固伺服阀与控制箱连接的航空插头。

4.2.针对控制逻辑不完善进行优化

在此次事故中，系统虽然设计了设定转速与实际转速偏差超过1000转切除自动的逻辑，但是由于转速偏差值较大，自动调节系统不能够提前切除自动控制方式，导致事故的扩大。因此为了保证系统再出现类似事故时，能够提前切除自动方式，增加切换阀指令与反馈偏差大和低压调节阀指令与反馈偏差大切除自动逻辑，并且将设定转速与实际转速的偏差定值在实际运行中进行摸索，最后确定为400转偏差。通过上述二种方式，保证系统异常时，调节系统能够切除自动，异常时由运行人员手动进行调节，减少事故影响的范围。为了保证系统故障能够提前发现，因此将汽包水位高低的报警值进行优化，并将小机切换阀故障指示灯在给水主控画面进行显示报警，通过上述措施，能够有效提醒运行人员注意，并及时采取措施。

5.存在问题和仰望

结合机组运行中的实际情况，由于长时间采用冷再的高压汽源作为动力汽源，系统的振动和噪音较大，存在较大的危害，因此应考虑减少冷再汽源的使用，才是消除上述问题的根本方法。热工专业通过加强设备的定期巡检以及利用停机等机会，对相关的重要设备进行检查，争取能够提前发现设备异常。另外给水控制系统包括：主给水控制回路、小机转速控制回路、小机阀位控制回路，系统异常工况下，异常工况将系统全部切除自动控制的方式，有待优化。根据实际异常情况，分级切除自动控制方式，能够减少运行人员的工作量，减少事故影响的范围。

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