| 标题 | E级燃气联合循环机组高压旁路减压阀自关分析及处理 |
| 范文 | 摘 要：某燃气热电公司254 MW联合循环机组汽轮机旁路为100%高、低压并联旁路，对燃气联合循环机组安全运行有着非常重要的作用。本文详细介绍了该公司高压旁路减压阀控制存在的问题以及处理情况，对气动执行器输出力以及阀门不平衡力进行了的简化计算。 关键词：气动执行器；输出力；阀门不平衡力；气容量；FT定位器 某燃气热电公司安装3套SGT52000E燃气蒸汽联合循环机组，投产于2012年。由于所用的高压旁路阀的性能缺陷，导致3套机组的高压旁路减压阀一直不能正常投入运行。直接影响到机组的安全性、燃气机组的快速启动性能以及机组对电网负荷的适应性，同时对机组经济性指标也产生影响。 1 处理前高压旁路情况 该西门子SGT52000E燃气蒸汽联合循环机组汽轮机配置了德国博普罗依特公司生产的100%容量气动高、低压并联旁路装置，以实现整套联合循环机组启停时或在汽轮机跳闸状态下保证机组安全、回收蒸汽，同时在机组启动期间可以减少启动时间以及消除汽轮机的热应力。 旁路控制系统设计有手动和自动两种运行方式，旁路控制系统纳入DCS系统管理，在机组启动及故障状态过程中 1.1 高压旁路技术数据（表1） 1.2 高压旁路减压阀控制功能 ① 仪用空气压力消失阀门自关；② 高压旁路减压阀全关移动全开行程控制时间≤10 s；③ 高压旁路减压阀全开移动全关行程控制时间≤10 s；④ 高压旁路减压阀快开≤3秒；⑤ 高压旁路减压阀快关≤3 s。 1.3 阀门故障情况 1） 2012年3套机组调试期间，在燃机燃烧调整基本负荷情况下，高压旁路多次发生在开度35%时自关，运行人员手动快开。 2） 2013年1月13日，#2机开机过程中，高旁压力3.5MPa，阀门开度约50%，突然发生自关，运行人员手动快开。 3） 2013年8月8日，博普罗伊特公司更换了#2机高旁阀芯笼罩，冷态试验良好。8月9日，#2机开机过程中，在主汽压力为2.6 MPa，DCS指令为100%开度时，高旁最大只能开到70%左右。 4） 2013年9月29日，博普罗伊特公司安排技术人员至现场更换了#3机高旁阀芯笼罩，10月13日，在#3开机过程中，高旁在55%开度时仍存在卡涩、自关现象，运行人员手动快开。 2 原因分析 2.1 阀门气路原理及定位器特性分析 高压旁减压阀门接受4～20 mA DC连续控制的条件是：气源正常；EV1快高压旁减压阀门接受4～20mA DC连续控制的条件是：气源正常；EV1快关电磁阀带电；EV2快开电磁阀失电。ABB TZIDC智能定位器控制气输出至VB1、VB2流量放大器放大（图2）后经D3、D1；D4、D2切换阀后至气缸上、下腔室，形成差压作用于活塞，进而输出执行器的推力，克服高旁减压阀的不平衡力后驱动阀门启闭。 分析高压旁路减压阀的气路图，可以看到该气路图是较为复杂的单体控制系统，具有断气、断电、断信号保护和快开快关功能，配置了较多的气控元器件，给实际维护保养工作带来不少麻煩，并且维护成本较高。 图2 流量放大器 2.2 气动执行机构的输出力分析 执行机构的设计过程中，输出力（该执行器为SC/V型双作用无弹簧活塞式执行器）是关键的设计参数，在机构的实际运动过程中，各部件之间的摩擦是无法避免的，执行机构输出力就是用以克服介质负荷的有效力， 而负荷包括不平衡力、密封紧压力、摩擦力、重量等， 对于该气动薄膜执行机构， 其力平衡公式为 F=Ft+F0+Ff+Fw。（1） 式中：F为执行机构输出力；Ft为阀芯所受的不平衡力；F0为调节阀全闭时， 阀芯对阀座密封所需附加的紧压力。一般取相当于5 kPa 乘以薄膜有效面积（m2）的力；Ff为阀杆所受摩擦力；Fw为阀芯等活动部件重量。 正常情况下Ff很小， 各种活动件重量Fw也不大，故式（1）可简化为 F=Ft+F0。（2） 由式（2） 可以看出， 执行机构的输出力主要是克服调节阀的不平衡力。计算执行机构输出力简便忽略了该摩擦的影响，故输出推力为F。 F=P×S。（3） 式中：P为供气压力（Pa）；S为活塞有效面积（m2）。 2.3 高压旁路减压阀门不平衡力分析 对于直行程的调节阀， 如单座阀、角型阀等， 当流体通过调节阀时， 阀芯介质静压和动压的作用， 产生上下移动的轴向力。这种轴向力执行机构信号与位移的关系， 因此， 将阀芯所受到的轴向合力称为不平衡力， 以Ft表示。 影响调节阀不平衡力的因素很多， 例如阀的结构形式、口径、流体物理状态。如果工艺介质及调节阀都已确定， 不平衡力主要与阀前压力和阀前后压差有关， 也与流体与阀芯的相对流向有关。当流体流向不同时， 阀芯所受的不平衡力相同。对于直通单座阀、角型阀， 其不平衡力计算公式： Ft=π/4×（ dN2ΔP+dS2）。（4） 式中：Ft为不平衡力（N）；dN为阀芯直径（m）；dS为阀杆直径（m）；ΔP为阀前后差压（Pa），ΔP= P1 P2，P1为阀前压力（Pa），P2为阀后压力（Pa）。由式（4）可以看出， Ft始终为正值， 阀杆处于受压状态。dN、ΔP和P2越大， 则不平衡力Ft越大。高压差、高静压， 大口径的单座阀不平衡力Ft也较大。阀芯在全关位置时， 不平衡力Ft最大， 随着阀芯开启而逐渐变小 由于中间位置动压难以用公式表示， 在计算调节阀不平衡力时， 主要根据全关和全差压状态下时来确定。 2.4 高旁减压阀不平衡力及执行器输出力计算 博普罗伊特高旁阀芯直径80 mm，阀杆直径32 mm，阀门前后最大压差6.699 MPa。根据式（4）计算得出高压旁路减压阀的不平衡力约等于为34158 N。 高压旁路执行器制造商STI公司提供的SC/V 320执行器有效面积794 cm2，气缸在0.5 MPa压缩空气作用下，执行器输出力为39700 N。执行器输出力于减压阀不平衡力之比为1.16（国内通常采用1.4倍来选用执行器）。如F/Ft之比过大则很可能造成阀杆断裂的可能。 2.5 结果分析 根据2.3项计算结果表明，高压旁路旁减压阀是能够在设计工况下满足正常的启闭。但结合发生的故障现象，只有当执行机构输出力F小于调节阀的不平衡力Ft时， 才能造成调节阀开不出或随着阀前后差压的增大而逐渐朝关闭方向移动。 当高压旁路减压阀发生自关后，运行人员通过强制快开的方法（仪用压缩空气0.6 MPa加载至执行器下气缸，上气缸全排空），将高压旁路强制至全开状态。这表明高压旁路减压阀内部阀杆、阀芯与阀座之间不存在卡涩的问题。 根据高旁减压阀出现的故障现象，分析认为引起高旁减压阀冷态动作正常，但在高差压工况下，高压旁路自关或不能升程开启的原因是：高压旁路减压阀所配套TZIDC智能定位以及流量增速器的输出气容量或者压力不足，造成执行器上下腔室净差压小于0.5 MPa（双作用无弹簧活塞式），导致执行器输出力的大幅下降，不能克服高旁减压阀的不平衡力。 3 解决方案 根据高压旁路减压阀异常情况的结果分析，最可行的方案是：提升智能定位器的输出气容量，解决执行器输出力不足。由博普罗依特公司将TZIDC定位器更换为一款大流量高精度的智能定位器，来解决目前高旁存在的故障的方案的可行。 3.1 定位器选型 对比STI公司FT定位器以及查阅ABB公司TZIDC定位器相关选型资料TZIDC智能定位器的最大气流量为10 Nm3/h（6 bar），而FT智能定位器最大能达到180 Nm3/h（6 bar），在实际应用中，FT智能定位器可通过PC机数据线TTL232或者HART手操器的连接来实现定位器自调整，在PC机的操作画面中，可以得知各种系统参数，如开度指令、传感器位置、当前输入工作气源压力和定位器输出气口间差压等丰富的实际值参数。 3.2 定位器功能 借助FT智能定位器气容量大、执行器体积以及外围流量放大器的可选择性等特点，可以摆脱定位器自身由于流量不足而对气动流量放大器的依赖，因此决定将原高旁气路实现简化设计。取消VB1、VB2流量放大器的使用，保留原高压旁路减压阀快开、快关、低气压自锁功能。 4 调试期间遇到的问题 智能气动定位禁止将+24VDC直接接入指令端子。定位器对连接电源规范要求是二线制输入（最小3.5 mA，12～30 V DC）。在#2機调试发生了高压旁路减压阀门冷态正常，但热态阀门只能开启到25%的情况，经现场检查发现DCS卡件输出容量不足，导致接入定位器后，指令电压下跌至9V，超出了定位器正常电源电压范围，后经更换DCS的输出卡件解决了该问题。 5 结语 目前该3套燃气联合循环机组高压旁路控制阀智能定位器的改造已全部结束，不需要人工干预。故障状态下的快开功能满足技术要求，从而保证了机组运行的安全性和经济性。 参考文献： [1]FT智能定位器产品使用操作手册[M]. [2]ABB TZIDC智能定位器操作使用手册[M]. [3]任志城，杨俊辉.气动薄膜执行机构输出力不足的分析[J].大氮肥，2010，33（1）：2931. 作者简介：王红，男，技师，华电江苏能源有限公司句容发电厂设备部党支部书记兼副主任。 |
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