1119MW核電機組半速汽輪機主汽閥和調節閥調整試驗
介紹了紅沿河核電站1號機組汽輪機主汽閥和調節閥布置、結構特點(diǎn)；論述該機組主汽閥和調節閥的調整過(guò)程，包括閥位反饋整定、閥門(mén)開(kāi)關(guān)時(shí)間調校、階躍響應測試等；對一些重要技術(shù)指標進(jìn)行了分析并給出了調校辦法。此調整經(jīng)驗可供同類(lèi)工程調試專(zhuān)業(yè)人員參考。
紅沿河核電站一期工程安裝4臺1119MW 機組，配套東方汽輪機有限公司制造的型號為HN1119-6.43/280/269的半速汽輪機。該機組結構特點(diǎn)是高中壓合缸、單軸四缸六排汽、沖動(dòng)凝汽式、中間汽水分離二級再熱、節流配汽、7段非調整抽汽。采用高、中壓缸啟動(dòng)方式，高、中壓調節閥分別同步動(dòng)作，蒸汽依次通過(guò)主汽閥和調節閥后直接進(jìn)入第1級隔板。本文基于紅沿河核電站1號機組主汽閥和調節閥的布置、結構特點(diǎn)，論述其調整試驗過(guò)程。
1、主汽閥和調節閥布置、結構特點(diǎn)
該汽輪機組高、中壓缸均由4個(gè)閥組控制進(jìn)汽，按照全周平衡分別是左上、左下、右上和右下進(jìn)汽。每個(gè)閥組均由1個(gè)主汽閥和1個(gè)調節閥組成，閥組彈性支撐在汽輪機平臺上。閥門(mén)布置如圖1所示，圖中MSV是高壓主汽閥(main stop valve)，MCV是高壓調節閥(main control valve)，ISV是中壓主汽閥(intercept stop valve)，ICV是中壓調節閥(intercept control valve)。
圖1 閥門(mén)布置示意
紅沿河核電站高壓主汽閥和調節閥在結構上均為截止閥，是首次采用阿爾斯通(ALSTOM)公司核電高壓閥門(mén)技術(shù)生產(chǎn)的國產(chǎn)化設備。中壓主汽閥和調節閥均是阿達姆斯(ADAMS)公司生產(chǎn)的單軸結構蝶閥，該公司閥門(mén)首次使用于國內核電工程。頸部設置自潤滑免維護軸承，采用金屬石墨夾層密封結構，密封性能良好。
閥門(mén)的執行機構是油動(dòng)機，調節油系統正常工作壓力為12MPa，運行溫度是(50±5)℃。油動(dòng)機進(jìn)、回油口和抗燃油管道之間使用了金屬軟管，能夠很好地吸收油壓的波動(dòng)以及閥門(mén)動(dòng)作過(guò)程中的振動(dòng)。每個(gè)油動(dòng)機上都安裝有試驗用電磁閥，主要用于嚴密性試驗和閥門(mén)活動(dòng)試驗。該閥帶電后油動(dòng)機快速泄油實(shí)現閥門(mén)快關(guān)。調節閥油動(dòng)機安裝有比例閥，通過(guò)安裝在汽輪機控制柜內的伺服卡遠程控制比例閥，從而實(shí)現對油動(dòng)機的精準控制。每個(gè)比例閥獨立使用1塊伺服卡。閥位傳感器能輸出相互獨立的3組4～20mA信號，利用磁滯原理將直線(xiàn)運動(dòng)的機械位移量轉變?yōu)殡娦盘枴?/p>
2、主汽閥的調整
首先按照安裝質(zhì)量文件檢查、確認基本的安裝數據，如油動(dòng)機預起行程和有效行程等；同時(shí)確認油動(dòng)機沖洗已經(jīng)完成并且沖洗結果合格。主汽閥只有全開(kāi)和全關(guān)2種狀態(tài)，因此主汽閥的調整比較簡(jiǎn)單，過(guò)程簡(jiǎn)述如下：
(1)閥位反饋整定。將全開(kāi)位調整為20mA，全關(guān)位整定為4 mA。根據現場(chǎng)調試經(jīng)驗，巴魯夫(balluff)閥位變送器需要先整定全開(kāi)位的反饋電流，關(guān)閉閥門(mén)后再調校全關(guān)位的反饋電流。完成整定后建議重復開(kāi)、關(guān)幾次閥門(mén)，以確認整定結果沒(méi)有發(fā)生漂移。
(2)閥門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間調整。閥門(mén)動(dòng)作時(shí)間需要考慮油動(dòng)機的動(dòng)作時(shí)間、油動(dòng)機延遲時(shí)間、閥門(mén)延遲時(shí)間[3]。針對閥門(mén)的動(dòng)作時(shí)間，最終調整的開(kāi)啟時(shí)間是在60s以?xún)�，關(guān)閉時(shí)間是在0.35s以?xún)�。開(kāi)、關(guān)時(shí)間可以通過(guò)對閥位反饋作切線(xiàn)的方法得到，圖2為快速切線(xiàn)法示意圖。
如果開(kāi)、關(guān)時(shí)間不合格，可以通過(guò)改變油動(dòng)機內部編號為NOO和NOC的節流孔板的尺寸來(lái)調整閥門(mén)開(kāi)、關(guān)時(shí)間。在調整過(guò)程中發(fā)現，右上高壓主汽閥的開(kāi)啟時(shí)間僅為17s，和其他3個(gè)高壓主汽閥50～60s的開(kāi)啟時(shí)間存在較大偏差。將NOO 節流孔板的孔徑從1.5mm逐步縮小到0.9mm后發(fā)現，雖然開(kāi)啟時(shí)間得到減緩，但是油動(dòng)機油缸中的壓力在閥門(mén)全開(kāi)的狀態(tài)下只有7.5MPa，該壓力值偏小。因此，最終選用的節流孔徑是1.1mm，很好地兼顧了油動(dòng)機開(kāi)啟時(shí)間和油動(dòng)機穩定性。
圖2 快速切線(xiàn)法示意
(3)閥位-油壓相關(guān)性曲線(xiàn)。在完成上述各項調整后，畫(huà)出閥門(mén)開(kāi)啟過(guò)程和關(guān)閉過(guò)程中閥位-油壓的相關(guān)性曲線(xiàn)。通過(guò)相關(guān)性曲線(xiàn)能直觀(guān)地得到閥門(mén)的最小動(dòng)作油壓，對節流孔更改后的油動(dòng)機控制特性進(jìn)行再驗證，保證油動(dòng)機工作穩定、可靠。
3、調節閥的調整
調節閥完成就地調整后還需要使用上位機進(jìn)行再次調整，采用2種方式整定的目的是為了確保結果的可靠性。
3.1、伺服卡的靜態(tài)調校
伺服卡將接收到的閥位反饋轉換成電壓信號，并與收到的指令信號對比進(jìn)行比例積分(proportional integral，PI)調節。圖3為使用伺服卡控制閥門(mén)的示意圖。
圖3 伺服卡控制閥門(mén)
伺服卡面板上的模式選擇開(kāi)關(guān)有test valve、test loop和auto 3種。test valve模式是開(kāi)環(huán)調節，使卡件內部的PI控制回路旁路。test loop和auto模式均是閉環(huán)調節，區別在于前者的指令來(lái)自伺服卡表面的指令電位器，后者是通過(guò)卡件背部的卡槽位接收來(lái)自汽機控制機柜的外部指令。
伺服卡實(shí)現的是閉環(huán)控制，因此需要對伺服卡的閉環(huán)控制性能進(jìn)行調校。當伺服卡接收到4mA 閥位信號時(shí)，通過(guò)卡件上的Offset電位器將伺服卡的指令調校為0V±100mV；當伺服卡接收到20mA的閥位反饋時(shí)，通過(guò)Gain增益電位器將伺服卡的指令調校為-10V±100mV。實(shí)際調整過(guò)程中發(fā)現，Off set和Gain電位器會(huì )互相影響，因此每次調整完一個(gè)電位器后必須對另一個(gè)電位器再次確認。
3.2、就地調整
就地調整時(shí)使用了專(zhuān)用工具，該工具可接收閥位、油壓、比例閥反饋等信號并給出控制閥門(mén)動(dòng)作的指令，實(shí)現對閥門(mén)的控制，圖4為專(zhuān)用工具照片。將伺服卡裝入專(zhuān)用工具，通過(guò)預制電纜將比例閥和專(zhuān)用工具背板上的插頭連接在一起。專(zhuān)用工具的面板上有外部指令旋鈕等，可實(shí)現對閥門(mén)的控制，還能實(shí)現對油動(dòng)機壓力等參數的采集。
圖4 閥門(mén)調整專(zhuān)用工具
3.2.1、閥位反饋的整定
通過(guò)專(zhuān)用工具控制比例閥實(shí)現閥門(mén)的開(kāi)關(guān)，完成對閥位變送器全開(kāi)位和全關(guān)位的調整。整定方法和主汽閥閥位反饋調整相同。根據經(jīng)驗，在實(shí)際調校過(guò)程中使全開(kāi)位的閥位設定值略小于20mA，全關(guān)位的閥位設定值略大于4mA。
3.2.2、伺服卡PI參數和死區值的調整
在閥門(mén)開(kāi)關(guān)過(guò)程中，通過(guò)記錄分析閥位反饋、伺服卡輸出的指令、伺服卡內部積分器信號等實(shí)現對卡件參數的整定。在確認PI調整完成后，用萬(wàn)用表測量公共地端的電阻值并記錄。
死區調整的目的是通過(guò)調整伺服卡來(lái)補償比例閥的死區。判斷死區調整是否準確的一個(gè)很好的辦法是觀(guān)察閥門(mén)動(dòng)作過(guò)程中閥門(mén)的抖動(dòng)、階躍響應的曲線(xiàn)等。
3.2.3、閥門(mén)開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)間的調校
調節閥的開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)間的測量有很多種辦法，例如通過(guò)專(zhuān)用工具給出0—100%—0的階躍指令、通過(guò)試驗電磁閥的帶電和失電方式或者通過(guò)調節油系統的掛閘和打閘方式等。另外，模擬調節閥門(mén)伺服卡故障工況，測量調節閥的關(guān)閉時(shí)間也是很有必要的。調節閥閥門(mén)開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)間可以通過(guò)調整油動(dòng)機的相關(guān)節流孔來(lái)改善，或者通過(guò)調校油動(dòng)機內部的插裝閥來(lái)調整。高壓調節閥最終調整的開(kāi)啟時(shí)間應該在5s以?xún)�，中壓調節閥最終調整的開(kāi)啟時(shí)間應該在7s以?xún)�，調節閥的快關(guān)時(shí)間均調整在0.35s以?xún)�，控制回路故障引起閥門(mén)關(guān)閉的時(shí)間大約為60s。
3.2.4、階躍響應測試
階躍響應曲線(xiàn)能夠很好地反映伺服卡的PI參數和死區的設置是否合理，驗證閥門(mén)是否具有響應快速、靜態(tài)誤差小和超調量小的調節特性。在實(shí)際試驗過(guò)程中會(huì )記錄和分析40%—50%—40%、20%—80%—20%階躍響應曲線(xiàn)。如果響應特性太差需要通過(guò)修改PI參數等方式來(lái)改善。
3.2.5、閥位-指令、閥位-壓力相關(guān)性測試
通過(guò)閥位-指令相關(guān)性曲線(xiàn)，可以反映閥門(mén)指令的響應時(shí)間和閥位跟蹤指令的動(dòng)作特性，反映比例閥和伺服卡在控制油動(dòng)機時(shí)的匹配性。通過(guò)閥位-壓力相關(guān)性曲線(xiàn)，能夠反映油動(dòng)機自身包括插裝閥等特性是否良好。
3.3、上位機調整
使用上位機進(jìn)行調整時(shí)需要將伺服卡復裝到汽機控制機柜內。通過(guò)伺服卡上的指令電位器或者強制組態(tài)中閥門(mén)指令輸出的方式對就地調整的結果進(jìn)行驗證。試驗的內容基本上和就地調整內容相同。試驗過(guò)程中也會(huì )對伺服卡的一些參數進(jìn)行微調，同時(shí)本文第3.2.1節中闡述了調節閥的閥位反饋值并不是標準的4mA或者20mA，因此需要將實(shí)際值保存到汽機控制系統組態(tài)中。
4、閥門(mén)冷態(tài)聯(lián)調
閥門(mén)冷態(tài)聯(lián)調前需要處理閥門(mén)廠(chǎng)家提供的調節閥特性曲線(xiàn)。通過(guò)閥門(mén)的活動(dòng)性試驗可以驗證相關(guān)控制組態(tài)和閥門(mén)響應的正確性。通過(guò)仿真模擬機組的沖轉、并網(wǎng)、帶負荷等，實(shí)現比較真實(shí)的閥門(mén)冷態(tài)性能測試。
在模擬甩廠(chǎng)用電和甩空載的瞬態(tài)過(guò)程時(shí)，錄取了主汽閥和調節閥在冷態(tài)下響應瞬態(tài)過(guò)程，例如油動(dòng)機行程等的基礎數據，為對比分析熱態(tài)下真實(shí)甩廠(chǎng)用電和甩空載時(shí)閥門(mén)的響應結果積累了第一手資料。調節閥控制參數調整和優(yōu)化過(guò)程中需要考慮到中壓調節閥和高壓調節閥在動(dòng)作過(guò)程中的匹配性。例如某些工況下所有調節閥迅速快關(guān)后需要再次開(kāi)啟，高壓調節閥和中壓調節閥在響應過(guò)程中必須匹配。
5、結論
(1)在閥門(mén)調整前期需做好伺服卡的參數調整工作，相關(guān)參數直接決定了閥門(mén)的運行特性，其正確性關(guān)系到閥門(mén)的后續試驗。
(2)伺服卡上的死區值、比例參數和積分參數的優(yōu)化能夠改善油動(dòng)機動(dòng)作過(guò)程中設備和油路的振動(dòng)，特別是對于首次應用于核電工程的ADAMS蝶閥，很好地改善了閥門(mén)動(dòng)作過(guò)程中的振動(dòng)，提高了瞬態(tài)試驗時(shí)閥門(mén)的響應特性。
(3)改變油動(dòng)機內部節流孔的尺寸來(lái)調整閥門(mén)的動(dòng)作時(shí)間和油動(dòng)機動(dòng)作穩定性是基本的調整手段。在調節過(guò)程中注意對開(kāi)門(mén)、關(guān)門(mén)時(shí)間的把握，閥門(mén)內部節流孔的大小也是決定開(kāi)門(mén)、關(guān)門(mén)時(shí)間的關(guān)鍵。通過(guò)紅沿河電廠(chǎng)1號機組高、中壓閥門(mén)油動(dòng)機的調試實(shí)踐，證明本文方法是可行的。
(4)通過(guò)模擬汽機不同工況以驗證閥門(mén)性能的試驗，為機組啟動(dòng)后閥門(mén)運行提供了參考資料，有利于閥門(mén)運行狀態(tài)的控制。
(5)在冷態(tài)模式下對油動(dòng)機進(jìn)行反復調整是十分必要的，確保了主汽閥和調節閥的動(dòng)作精準性和穩定性，保證了油動(dòng)機和調節油系統相匹配。
(6)經(jīng)過(guò)沖轉、試運及并網(wǎng)等熱態(tài)過(guò)程以及一些瞬態(tài)試驗的考驗，說(shuō)明紅沿河電廠(chǎng)1號機組調整過(guò)程是合理的，調整結果是滿(mǎn)意的。
