劉 朋，梁 緒

（華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州）

前言

某火電廠300 MW 汽輪機為東方汽輪機廠生產(chǎn)的一次中間再熱兩缸兩排汽凝汽式汽輪機，型號為N300-16.7/537/537-8，共設(shè)有八段抽汽分別供給三臺高壓加熱器、一臺除氧器和四臺低壓加熱器。為防止汽輪機超速和進(jìn)水，除七、八段抽汽管道外，其余管道上均設(shè)有氣動逆止門和電動隔離門。一段、二段、三段、五段及七段抽汽管道均設(shè)置一個氣動逆止門，布置在電動隔離門后，四段抽汽管道由于所接設(shè)備較多，在總管上設(shè)置兩個同口徑氣動逆止門，布置在電動隔離門前。

該機組采用上海新華分散控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由諸多DPU 控制器單元組成，各DPU 控制器通過網(wǎng)絡(luò)、硬接線等方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)DCS 控制策略，完成數(shù)據(jù)采集、模擬調(diào)節(jié)、順序控制等功能。DPU 控制器內(nèi)部包含許多邏輯頁，每個邏輯頁有相應(yīng)的功能塊用于控制不同的設(shè)備，各抽汽逆止門開關(guān)邏輯依靠邏輯頁中功能塊完成，而同一個DPU 中的邏輯頁具有相同執(zhí)行周期，本機組所有DPU 邏輯頁的執(zhí)行周期均設(shè)計為0.20 s。

1 抽汽逆止門功能與結(jié)構(gòu)

抽汽供熱機組的抽汽逆止門關(guān)閉應(yīng)迅速、嚴(yán)密，連鎖動作應(yīng)可靠[1]，當(dāng)汽輪機突發(fā)故障跳閘、汽輪機超速、發(fā)電機跳閘時可防止抽汽管道蒸汽回流造成汽輪機超速，同時抽汽逆止門作為二級保護(hù)可防止加熱器（或除氧器）水位過高進(jìn)入汽輪機，造成汽輪機水沖擊、大軸彎曲等惡性事故。相關(guān)電力規(guī)程[2]明確規(guī)定與汽輪機缸體直接相連的抽汽逆止門總關(guān)閉時間應(yīng)小1 s，通過調(diào)研同類型機組閥門關(guān)閉時間試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)該類型300 MW 汽輪機抽汽逆止門關(guān)閉時間超標(biāo)問題普遍存在，對汽輪機安全穩(wěn)定運行造成較大安全隱患。抽汽逆止門作為汽輪機安全運行的重要保障設(shè)備之一，火電企業(yè)應(yīng)重視其關(guān)閉時間超標(biāo)的問題，采取合理有效的措施保證其關(guān)閉時間滿足規(guī)程[2]要求。

該類型汽輪機各段抽汽逆止門內(nèi)部結(jié)構(gòu)相似，主要由閥體、閥板、轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)臂、重錘等部件組成，一段至三段抽汽逆止門未配置重錘，四至六抽汽逆止門配有重錘以減小閥板開關(guān)所需力矩。逆止門開關(guān)控制部分主要有氣缸、三通電磁閥、濾網(wǎng)、試驗三通閥、限位開關(guān)等組成，主要利用三通電磁閥控制壓縮空氣進(jìn)出氣缸帶動活塞桿上下運動實現(xiàn)逆止門開關(guān)，當(dāng)抽汽逆止門滿足開條件，運行人員通過控制系統(tǒng)發(fā)出開指令，三通電磁閥動作，壓縮空氣進(jìn)入氣缸下部克服氣缸上部彈簧彈力，推動氣缸活塞桿上移，帶動逆止門操作桿上移至自由位，機組啟動后依靠各段抽汽管道蒸汽作用力頂開逆止門；當(dāng)汽輪機跳閘或加熱器水位高Ⅲ值發(fā)出或發(fā)電機跳閘，控制系統(tǒng)發(fā)出抽汽逆止門關(guān)閉指令，三通電磁閥動作，氣缸下部與大氣相通泄掉壓縮空氣，氣缸活塞桿帶動逆止門操作桿落下，強制關(guān)閉抽汽逆止門。各段抽汽逆止門的壓縮空氣直接來源于儀用空氣母管，未設(shè)置空氣引導(dǎo)閥，壓縮空氣只能通過各抽汽逆止門的三通電磁閥排大氣。

2 試驗結(jié)果介紹

規(guī)程[2]要求逆止門關(guān)閉時間測試在機組冷態(tài)下進(jìn)行，有試驗結(jié)果[3]表明，機組冷、熱態(tài)時，汽門關(guān)閉時間存在差異，機組運行狀態(tài)下，各級抽汽管道充滿蒸汽，在蒸汽壓力作用下，熱態(tài)下逆止門關(guān)閉時間大于冷態(tài)測試結(jié)果。本次試驗為機組冷態(tài)下進(jìn)行，各抽汽逆止門的行程信號為限位開關(guān)信號，測試前確認(rèn)EH 油質(zhì)合格，油溫油壓接近正常運行工況。試驗前將汽輪機手動打閘信號、各段抽汽逆止門開到位信號及關(guān)到位信號接入示波記錄儀，采樣頻率為50 kHZ。汽輪機掛閘，將所有抽汽逆止門開啟，確認(rèn)所有信號正常后，利用硬手操按鈕跳閘汽輪機，使各段抽汽逆止門以最快速度關(guān)閉，用示波記錄儀記錄各段抽汽逆止門關(guān)閉過程曲線。按照規(guī)程[2]要求測取各段抽汽逆止門從打閘指令發(fā)出到閥門開始動作的延遲時間t1、閥門開始動作至完全關(guān)閉的時間t2、閥門總關(guān)閉時間t=t1+t2。

表1 為該火電廠300 MW 汽輪機抽汽逆止門關(guān)閉時間測試結(jié)果，一至六段抽汽逆止門總關(guān)閉時間介于1.4 s 至2.1 s，不符合規(guī)程[2]要求，對機組安全穩(wěn)定運行存在一定威脅。

表1 閥門關(guān)閉時間測試結(jié)果

為直觀的觀察抽汽逆止門關(guān)閉時間過程，圖1、圖2 分別列舉了某火電廠300 MW 汽輪機組二段抽汽逆止門、三段抽汽逆止門關(guān)閉時間測試曲線。綜合試驗數(shù)據(jù)分析可知各段抽汽逆止門關(guān)閉延遲時間t1介于為1.2 s 至1.9 s，即打閘指令發(fā)出到閥門開始動作時間t1超過1 s，而閥門凈關(guān)閉時間t2約為0.11 s 至0.34 s，即排除逆止門自身機械存在問題，各抽汽逆止門總關(guān)閉時間超標(biāo)的主要原因為延遲時間過長。

圖1 二段抽汽逆止門關(guān)閉時間過程曲線

圖2 三段抽汽逆止門關(guān)閉時間過程曲線

3 原因分析

抽汽逆止門總關(guān)閉時間主要受機械和熱工邏輯兩個因素影響，根據(jù)表1 的試驗結(jié)果分析，各抽汽逆止門自身機械關(guān)閉動作迅速，但DCS 系統(tǒng)組態(tài)延遲時間過長。通過對控制系統(tǒng)熱工邏輯進(jìn)行梳理，一抽、二抽、三抽、四抽逆止門由DPU17 控制器控制，五抽、六抽逆止門由DPU18 控制器控制?；緞幼髟砣缦拢菏謩哟蜷l后，AST 電磁閥泄油，ETS 發(fā)出汽輪機跳閘信號并通過硬接線傳輸至DPU3，再通過網(wǎng)絡(luò)跨DPU傳輸至DPU17 和DPU18，數(shù)據(jù)通過DPU 內(nèi)部頁間引用至相應(yīng)的邏輯頁，最后由邏輯頁內(nèi)功能塊驅(qū)動逆止門關(guān)閉。各段抽汽逆止門動作邏輯如圖3 所示。

圖3 抽汽逆止門動作邏輯

經(jīng)過對熱工系統(tǒng)邏輯和組態(tài)梳理、分析，造成閥門關(guān)閉延遲時間過長的原因有以下五個方面：

（1） 手動打閘后，ETS發(fā)出汽輪機跳閘信號存在延遲時間。該機組觸發(fā)汽輪機跳閘信號的條件是“高壓主汽閥關(guān)閉（二取一）且中壓主汽閥關(guān)閉（二取一）”，即手動打閘后，ETS 未立即發(fā)出汽輪機跳閘信號，須判定高、中壓主汽門關(guān)閉后發(fā)出汽輪機跳閘信號，而表1的試驗數(shù)據(jù)顯示，汽輪機跳閘信號發(fā)出需要約0.23 s。

（2） 汽輪機跳閘信號在DCS 網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中存在跨DPU 網(wǎng)絡(luò)引用，為主要延遲時間。DPU17 和DPU18 為SCS 系統(tǒng)控制器，用于輔助設(shè)備連鎖保護(hù)，ETS 發(fā)出汽輪機跳閘信號通過硬接線傳輸至DPU3，再通過網(wǎng)絡(luò)跨DPU 傳輸至DPU17 和DPU18，而跨DPU 網(wǎng)絡(luò)引用的時間無法準(zhǔn)確測量，通過測試結(jié)果和各邏輯頁的執(zhí)行周期可計算出該延遲時間約為0.8 s至1 s。

（3） 信號在DPU 控制器內(nèi)頁間引用存在延遲時間，頁間引用次數(shù)越多，延遲時間越長。由邏輯關(guān)系（圖1）和試驗結(jié)果（表1）可知，頁間引用次數(shù)相同的四抽逆止門和五抽逆止門延遲關(guān)閉時間較為接近，約為1.3 s；一抽、二抽、三抽、六抽逆止門頁間引用次數(shù)相同，測試的延遲關(guān)閉時間接近，約為1.7 s 至1.9 s；三抽逆止門比四抽逆止門多1 次頁間引用，延遲時間增加約0.6 s。

（4） DPU 控制器內(nèi)邏輯頁和功能塊具有執(zhí)行序號，DPU 控制器內(nèi)執(zhí)行序號較小的邏輯頁和功能塊優(yōu)先執(zhí)行[4]，即命名序號小的邏輯頁延遲時間短。如表1試驗數(shù)據(jù)所示，同一控制器DPU17 的一抽、二抽、三抽、四抽逆止門關(guān)閉延遲時間對比，四抽逆止門1（P150）＜四抽逆止門2（P151）＜一抽逆止門（P161）＜二抽逆止門（P163）＜三抽逆止門（P165）。

（5） DPU 控制器邏輯頁執(zhí)行周期設(shè)置不合理，增加了逆止門關(guān)閉延遲時間。該機組逆止門相關(guān)邏輯頁的執(zhí)行周期均為0.2 s，汽輪機跳閘信號經(jīng)歷了2～3次邏輯頁執(zhí)行后發(fā)出逆止門關(guān)閉指令，理論延遲時間最長可增加0.4 s 至0.6 s。邏輯頁執(zhí)行周期通?？扇?.05 s、0.1 s、0.2 s、0.5 s、1 s 等，適當(dāng)減小邏輯頁的執(zhí)行周期，可減小閥門關(guān)閉延遲時間。但邏輯頁執(zhí)行周期越短，DPU 承受的負(fù)荷越大，容易造成數(shù)據(jù)堵塞，嚴(yán)重時DPU 過載損壞，因此邏輯頁的執(zhí)行周期設(shè)置應(yīng)充分考慮硬件本身性能，可咨詢廠家后修改。

4 優(yōu)化建議

（1） 優(yōu)化汽輪機跳閘判定條件，將汽輪機跳閘信號定為“汽輪機安全油壓失去”，延遲時間縮短約0.23 s。目前該汽輪機跳閘判定條件為“高壓主汽閥關(guān)閉（二取一）且中壓主汽閥關(guān)閉（二取一）”，若遇到汽閥氧化皮脫落卡澀、汽閥彈簧緊力偏小、EH 油系統(tǒng)堵塞等問題造成汽輪機汽閥無法關(guān)閉或關(guān)閉時間過長，則汽輪機跳閘信號發(fā)出時間存在一定延遲，抽汽逆止門無法及時接收關(guān)閉指令出現(xiàn)無法關(guān)閉或關(guān)閉時間嚴(yán)重超時的情況，嚴(yán)重威脅汽輪機安全，因此將“汽輪機安全油壓失去”作為汽輪機跳閘信號，可快速關(guān)閉抽汽逆止門，保障機組安全。

（2） 利用ETS 備用接點將汽輪機跳閘信號通過硬接線直接傳輸至DCS 系統(tǒng)各段抽汽逆止門邏輯控制器，汽機跳閘信號的傳輸將跳過跨DPU 網(wǎng)絡(luò)引用環(huán)節(jié)，可縮短延遲時間約0.8 s。

（3） 優(yōu)化邏輯組態(tài)，提高控制各抽汽逆止門的邏輯頁和功能塊的執(zhí)行優(yōu)先級，同時減少邏輯頁間數(shù)據(jù)引用次數(shù)，較目前邏輯組態(tài)最大可縮短延遲時間約0.5 s。

（4） 適當(dāng)減小控制器內(nèi)邏輯頁執(zhí)行周期，具體數(shù)值可咨詢廠家后設(shè)置，在控制器性能允許的條件下，可一定程度上縮短延遲時間。

（5） 將手動打閘信號通過硬接線直接傳輸至抽汽逆止門邏輯控制器，通過控制器內(nèi)邏輯關(guān)閉抽汽逆止門。手動打閘信號跳過汽機跳閘信號和跨DPU 網(wǎng)絡(luò)引用環(huán)節(jié)直接關(guān)閉抽汽逆止門，可縮短延遲時間約1.1 s，效果明顯。但在鍋爐或發(fā)電機發(fā)出跳閘信號后，抽汽逆止門的動作邏輯過程仍然按照圖1 執(zhí)行，各抽汽逆止門關(guān)閉時間仍然存在超時的問題。

5 結(jié)論

通過對某300 MW 汽輪機抽汽逆止門關(guān)閉延遲時間過長原因進(jìn)行分析，針對控制系統(tǒng)的邏輯提出優(yōu)化建議，能夠有效縮短各段抽汽逆止門關(guān)閉延遲時間，保障機組安全運行，對同類型汽輪機抽汽逆止門關(guān)閉時間超標(biāo)的原因分析和處理具有借鑒意義。