汽轮机调节系统阀杆卡涩故障在线检测方法

      1 引言

      汽轮机调速系统对汽轮机安全起着重要的保障作用。作为汽轮机调速系统重要元件的主汽阀及调节阀由于工作温度很高，其阀杆易发生蠕变变形和表皮氧化脱落，变形发展到一定程度后，卡涩力将增大到阀门执行机构（油动机）的zui大驱动力以上，从而导致阀门卡死，使汽轮机失控。珠江电厂1台300MW汽轮机超速到4200r/min就是一起典型的中压调节阀阀杆卡涩而导致的机组事故。在机组运行中定时检查并及时发现阀杆卡涩对保障机组安全是非常重要的。在300MW、600MW 汽轮机上均设计了阀门在线试验的功能，在运行规程中也规定了必须定时进行阀门试验，以检查阀门是否卡涩。但由于是否卡涩的判断是靠运行人员根据直接观察作出的，因而常常只在卡涩很严重甚至卡死时才能发现，而在此之前卡涩已达到一定程度，潜伏了事故隐患。鉴于这种情况，开发一种能定量检测阀杆卡涩程度的仪表是必要的。它将在卡涩力较小时就能检测出其增长趋势，及早提醒运行检修人员采取对策，避免发生重大事故。

      目前上*已报道的阀杆卡涩监测方法是日本三菱公司提出的“伺服阀油压监测法”，其基本原理见图1。根据单侧伺服油缸动力油压p和油缸位移y（代表弹簧压缩量）理论上具有线性关系的特点在实测（p，y）值对落在图示阴影区内（范围根据实际情况设定）时判断为正常，实测（p，y）值对落在图示阴影区外时判断为卡涩。此方法原理简单易懂，但在实用中尚有很大不足：

      （1）理论上p-y特性本身包括了弹簧力和阀碟上的蒸汽力两个因素，因而理想p-y关系线并非直线，并随主蒸汽压力的变化而变化，不是固定特性。汽轮机制造厂家有时也难以给出蒸汽力随y变化的关系，因而作为判别基准的p-y设计特性往往给不准。为避免误判断，一般将正常范围设置的较大，这也降低了监测的灵敏度。

      （2）阀碟上的蒸汽力除阀前、后压差平均产生的力以外，尚有瞬变的汽流力（脉动量）。这样在阀位y不变时，p就在一定的范围内脉动，脉动范围随工况变化，阀处于小开度节流区时，汽流脉动大；阀处于大开度时，汽流脉动小。其脉动特性尚与阀座、阀碟的安装情况、磨损情况密切相关，这进一步增加了卡涩判断的难度，易造成误判。

      以上不足大大影响了其监测方法的可靠性，因而研究更*的方法势在必行。

      2  阀杆受力数学模型

      2.1 模型的建立

      图2为国产600MW汽轮机调节阀受力的示意图。根据文^[1]可知其受力方程为

                        （1）

      式中m为滑阀的折合质量；y为阀杆的位移；R_f 为作用在阀杆上的干摩擦力；K为弹簧的刚度；P为作用在滑阀活塞上的油压力；A为滑阀活塞的面积；R_c 为作用在滑阀上的不可测噪声力；R_n 为作用在滑阀上的不可测恒力，为：

      可表示为：

                 （2）

      式中f_c，f_s 分别为动、静摩擦力的大小。

      2.2 仿真研究

      利用上述模型，考虑汽轮机并网运行，在电网周波扰动下参与1 次调频，阀位在稳态工况点附近作随机波动，根据文^[1]中的汽轮机调节系统模型对其进行仿真研究，以获取阀杆卡涩的特征参数。

      在摩擦力为0（pu）（虚线）及0.8（pu）（实线）的油缸动力油压力p（pu）、位移y（pu）及发电机功率响应曲线如图3~5。

      从上述的仿真响应曲线中可以得知，通过对位移及负荷变化的观察很难得到有关阀杆卡涩的信息。而在此阶段，卡涩已很严重，如不采取措施解决此问题，摩擦力会继续增长，zui终导致阀杆*卡死，及汽轮机的不可控。而图3油缸动力油压p的仿真曲线中，较明显地反映出了阀杆卡涩的信息。如能将此阀杆卡涩信息分离出来，便可实现在线检测，防止事故的发生。

      3 在线检测算法及监测仪表的研制

      3.1 卡涩辨识算法

      由于卡涩的直接原因是干摩擦，所以可以通过辨识干摩擦力来实现卡涩故障的监测。根据文^[1]提出的正交分解原理，对阀杆的力平衡方程（1）在Hibbert空间内进行正交分解，算符（A，B）表示A、B的内积：

               （3）
                                 （4）
      有估计公式
                          （5）

      上述正交分解干摩擦估计算法在收敛性及精度上均优于已有算法，限于篇幅不详述。按式（5）进行干摩擦估计的仿真结果见图6（实线），由图得知，式（5）虽能检测到摩擦力的大小，但其收敛速度较慢，误差大，不利于在线检测。为了提高其收敛速度，可对去除弹簧力后的力平衡残差进行正交分解，得到式（5）的改进公式为：

           （6）

      按式（6）进行干摩擦力辨识仿真，得到图6（虚线），从中可以看出，改进后的估计公式具有收敛速度快，精度高的特点，有利于在线检测，在阀门开度变化较小的情况下，摩擦力即可准确地被检测出来，灵敏度*。

      3.2 卡涩监测仪的设计

      从摩擦力正交分解估计结果可以看出，通过油缸动力油压p及油缸运动速度dy/dt（可从y得到），可计算得到摩擦力的大小，由于卡涩力具有随运动方向的变化而正负变号的特点，因而使得通过一定算法可将卡涩力与弹簧力、蒸汽力分离，这样便可实现其在线检测，据此原理研制了阀杆卡涩检测仪，其结构原理见图7。

      4 结论

      本文以国产600MW机组阀杆卡涩问题为例，利用正交分解的原理，推导出了摩擦力的计算公式，通过仿真研究提出了一种可以诊断汽轮机调节系统阀杆卡涩的方法，由于易于实现、算法计算量小、实时性强，因而适用于在线检测。用单片机制成了1台诊断仪，实现了摩擦力在线监测，为减少卡涩造成的调节系统事故，发挥了积极的作用。

      值得一提的是，文^[6]的作者针对液压调节系统滑阀卡涩故障设计了一种单片机滑阀卡涩检测仪，将本文提出的阀杆卡涩检测仪和上述仪表进行功能上的合并，形成功能更强的仪表。