汽轮机高调门硬件问题引发的负荷突变故障及其诊断测试方法

第57卷第4期2015年8月汽轮机技术TURBINETECHNOLOGYV0157N04AUG2015汽轮机高调门硬件问题引发的负荷突变故障及其诊断测试方法万杰，张宏学，邹铁军，刘金福，于达仁1哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨1500O1；2国电吉林江南热电有限公司，吉林132013摘要目前，许多大功率机组不得不进行快速深度变负荷运行来缓解风电等新能源电力给电网带来的日益增大的调峰压力，机组调节系统的硬件性能面临极大的挑战，导致其故障率急剧增加。发现了一种顺序阀方式下由于调门硬件连接不紧密问题而导致的汽轮机负荷突变故障，并提出了一种基于高调门开关试验的机组负荷突变故障有效诊断方法当机组实际运行发生故障时，可以快速对故障进行测试诊断，进而有效判断出故障的类别和原因。此外，还给出了典型的具有4个高调门的亚临界300MW机组实际负荷突变故障的诊断案例，突出了本方法的实际应用推广价值。关键词汽轮机；高调FI；硬件故障；负荷突变；开关试验；诊断测试分类号TK2637文献标识码A文章编号10015884201504024105LOADMUTATIONFAULTCAUSEDBYHARDWAREPROBLEMOFSTEAMTURBINEHIGHPROFILEANDITSDIAGNOSTICTESTMETHODWANJIE，ZHANGHONGXUE，Z0UTIEJUN，LIUJINFU，YUDAREN1SCHOOLOFENERGYSCIENCEANDENGINEERING，HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY，HARBIN150001，CHINA；2GUODIANJILINJIANGNANTHERMOELECTRICCOMPANYLIMITED，JILIN132013，CHINAABSTRACTATPRESENT，MANYLARGEPOWERUNITSHAVETOOPERATEINVARIABLELOADCONDITIONWITHRAPIDITYANDDEPTHINORDERTOEASETHEGROWINGPEAKREGULATIONPRESSUREOFDAILYPOWERDCAUSEDBYNEWENERGYPOWERLIKINGWINDTHEHARDWAREOFUNITREGULATIONSYSTEMISFACINGHUGECHALLENGES，WHICHMAKEFAILURERATEINCREASESHARPLYATURBINELOADMUTATIONFAULTISFOUNDFORTHETIGHTLINKINGAMONGHARDWARECONNECTIONINSEQUENCEVALVEMODETHENANEFFECTIVEDIAGNOSISMETHODISPROPOSEDFORLOADMUTATIONFAULTONTHEBASEOFTHEHIGHPROFILEDOORSWITCHTESTSWHENFAULTSOCCURINARUNNINGUNIT，THEMETHODCANDIAGNOSISRAPIDLYTOFINDTHECATEGORYANDREASONINADDITION，WEGIVEATYPICALDIAGNOSISCASEOFSUBCRITICAL300MWUNITSWITH4HIGHPROFILETOHIGHLIGHTTHEPRACTICEVALUEOFTHISMETHODKEYWORDSSTEAMTURBINE；THEHIGHPROFILE；HARDWAREFAILURE；LOADMUTATION；SWITCHEXPERIMENT；DIAGNOSTICTEST0前言目前，风电等具有强随机波动不确定性的新能源电源的规模化并网消纳成为目前电力系统面临的重大现实问题。然而，我国火力发电占主导地位的电源结构性矛盾，包括供热机组在内的许多大功率火电机组不得不经常参与调峰调频而进行快速深度变负荷运行。不幸的是，这也给机组的安全高效运行带来多方面的安全隐患。以汽轮机调节系统为例，经常参加调峰调频的机组，其高调门动作的频繁程度和变化幅度都变大J，尤其是负责调节机组负荷的高调门。所以，高调门驱动连接件的可靠性面临严峻考验，硬件磨损加大导致故障率增加。其中，负荷突变问题是一类严重影响机组的安全高效运行的故障之一。一般来讲，导致实际中的汽轮机发生负荷突变故障的原因很多，有汽轮机侧的因素。，也有发电机侧的因素。从公开发表的文献资料来看，由于高压调节阀门简称高调门或GV的软硬件故障导致汽轮机在顺序阀运行方式下发生负荷突变故障的是一种较为普遍案例之一。由于高调门流量特性设计曲线与实际流量特性不匹配会导致的机组出现负荷突变属于软件故障，也是目前最常见最普遍的一类故障；另外，当整个调速系统出现卡涩，也会导致机组出现负荷突变故障，这属于调门硬件故障，出现频率仅次于软件故障。目前，对于引发机组负荷突变的高调门软件故障研究较多，而对于硬件故障引发的负荷突变问题研究较少。此外，由于这两类原因导致的负荷突变故障在实际运行的机组中所表现的故障特征基本类似，导致实际发生故障时很难及时判断故障的主要原因，给现场实际的安全生产带来了很大收稿日期20150305基金项目哈尔滨市应用技术研究与开发攻关项目2012DB2CP022；国家重点基础研究发展计973项目2012CB215201。作者简介万杰1984，男，汉族，博士，主要研究动力装置的建模控制与故障诊断等。242汽轮机技术的挑战和困难。因此，及时有效的负荷突变故障测试诊断方法对于实际电厂的缺陷处理等有很大的意义。虽然，许多研究者都对由于高调门问题而引发的负荷突变故障机理做了阐述，并提出了相应的解决措施；但是，在实际中当机组发生故障时，及时有效对故障进行检测和诊断的方法还未见公开文献资料给出。本文首先发现一种顺序阀方式下由于调门硬件连接不紧密问题而导致的汽轮机负荷突变故障，并给出了一种针对汽轮机高调门软硬件故障而引发的负荷突变问题的有效故障诊断方法当机组实际运行发生故障时，可以快速有效对故障进行测试诊断，判断得出故障类别和原因。并且，通过典型机组实际负荷突变故障的诊断案例验证了本方法的实际应用价值。0。广时间S时间，S高调门开度006蒸汽运行参数160JLJJLJL_J01O20304050607O80时间，SC】负荷变化图1单阀方式下的负荷突变现象第57卷1故障案例及机理分析11故障案例描述某300MW机组在单阀和顺序阀方式下都会出现负荷突降的现象，如图1和图2所示，分别为机组单阀和顺序阀方式下负荷突变的现象。如图1。图1C所示，分别为机组发生负荷突变时的4个调门开度、蒸汽运行参数及负荷变化的时域图；从图1C中可以看出机组在179MW负荷运行时，负荷突降至161MW，负荷突降范围在18MW左右。如图2所示，机组在147MW负荷运行时，负荷突降至120MW，负荷突降范围在27MW左右。在此种故障状况下，机组参与AGC和一次调频的能力受到了极大的限制和影响，严重影响时间，S时间，S口高L0越0500蠹一0嬗10调门开R出9蓦度06蒸汽运行参数二磊霉时间S时间，S0102030405060708O时间，S负荷变化图2顺序阀方式下的负荷突变现象0穹、N0LJ恒鲫砷加S；口O、越散N0LJ晖恒鲫0“、越I0LJ恒鲫加F一指夸_，I一盘I广一F一050502110、越N帽蛐O6旭柏闻时02S亨如O、越0【J框帅“S荨、髓N0LJ蟾1_L鲫鲫加卧，22_莹、R州鲫鲫计，V655自苣R杠磐642000R蜒憔州L一一T一一T一J_P、赵赙杠P、避赠州I。I一P、越嚼呈F霹、嚼州_。I嘞率IJI、懈M懈MMM亭阱2鲫2G亭姗第4期万杰等汽轮机高调门硬件问题引发的负荷突变故障及其诊断测试方法243了机组侧甚至是电网侧的安全高效运行。12故障机理分析目前，可引发机组负荷突变的高调门软件故障研究较多，根源在于配汽规律曲线的设计缺陷。配汽故障问题是一个典型的汽轮机调节系统软件故障根源，其设计不合理会引发多种故障；并且，配汽规律比较复杂，不仅包括对流量特性优化，而且还包括进汽顺序优化；其必须综合热力学、气体动力学、转子动力学等相关专业的理论和知识进行系统的理论分析和试验研究。然而，对于硬件故障引发的负荷突变问题研究较少，对故障机理也未见相关公开文献进行详细阐述。实际上，当高调门的阀杆螺母等连接部件出现磨损导致阀头连接部件出现脱扣松动甚至脱落时，机组也会发生负荷突变现象。如图3所示，为此类硬件故障导致机组出现负荷突变问题的机理示意图。在图3中，高调门在正常无故障状态下的位置如图3B所示，当阀杆与阀头出现连接不紧密故障时，阀杆提升时就会出现空行程；如图3A所示，即阀杆提升而阀头的位置不变，这也是进行此类故障检测的一个识别方法。实际上，如图3D所示，阀头组件本身受到一个向下的重力G和一个向上的汽流力F；当机组主蒸汽压力降低至某一合适值时，作用在阀头的汽流支撑力F会小于阀头组件的重力G，此时阀头组件就会掉落至图3C所示的位置，相当于阀门开度自动突然关小，导致调节级后的压力突降，最终引发机组出现负荷突降问题。这与上述图1和图2中所出现的负荷故障现象吻合得非常好。阀头熏力G图3硬件故障导致负荷突变的故障机理示意图2故障的诊断测试方法一般来讲，由于多种高调门软硬件故障都会引发机组相似负荷突降现象，因此，实际中迫切需求一种能够诊断出复杂负荷突降问题的简单有效诊断方法。因此，本文提出了一种基于高调门开关试验的机组负荷突变故障诊断方法，具体实现方法如下1在机组处于负荷运行状态下，按照机组的运行操作规程，将运行方式由顺序阀切换至单阀，并在此基础上将机组负荷升至95左右。2解除机组协调控制和自动滑压运行控制，在保持机组负荷基本不变的基础上，通过手动减小机组的主蒸汽压力并同时增大机组的综合阀位指令，使机组的4个高调门达到全开的状态；通过试验过程中是否出现负荷突变现象，可以确定故障原因是在软件方面还是硬件方面。3在上面试验的基础上，将4个高调门控制模式改为手动调节，实现能够手动单独调整每一个高调门的开度；然后，以对角进汽为两阀点进汽方式，分别进行不少于两组的两阀全开和三阀全开试验；通过试验过程中是否出现负荷突变现象，可以进一步验证2对故障原因的确定。4根据弗留格尔公式利用试验数据进行高调门的流量特性计算，进一步提取得到故障特征，判断阀门硬件故障及严重程度。此外，为了进行精确分析，试验结束后采集DCS中进行组态和连续记录的上述试验过程数据，采集时间间隔为1S以内；然后进行相关计算和分析。数据采集参数包括高调门开度GV1GV4、功率、总阀位指令、汽压和汽温主蒸汽、调节级后蒸汽、高排蒸汽、1号一3号瓦瓦温和轴振、EH油压及背压。并且，由于弗留盖尔公式反映了在变动工况级组压力与级组流量的关系，即实际流量；因此，选择汽轮机的流量计算原理及公式对高调门的开启过程的参数进行流量关系计算。其公式的基本形式为，R万厂_实际流量等旦1、PLP21其中，G为额定流量；G为变工况流量；P，为额定主蒸汽压力；P为调节级后压力；P为变工况时主汽压力；P2为变工况时的调节级后压力；T为额定主蒸汽温度；T。为变工况时主蒸汽温度。本方法的优点有两个一是基于对角思想的两阀点进汽方式可以在最大程度减小高调门局部进汽工况下产生的最大不平衡汽流力对机组轴系稳定性的影响，从而保证测试方法的安全性；二是该方法不仅能够快速有效测试诊断由于高调门软硬件故障而引发的机组负荷突变问题，而且基于试验过程的机组运行数据还能够对机组的高调门顺序阀流量特性曲线进行校核，具有极大的实际推广应用价值。3实际机组故障试验的测试分析31试验测试步骤过程为了突出本方法的实际应用推广价值，本文还给出了典型实际机组的负荷突变故障诊断的案例。图4所示为一台出现故障的典型300MW机组高调门喷嘴布置图。按照上述的试验测试方法对此机组进行故障诊断，其详细试验步骤如下图4某300MW故障机组的喷嘴布置图14号、2号高调门顺序开启和关闭试验。将机组升负荷至290MW左右，适当降低机组运行主汽压，使机组的4个高调门全部开启；逐步关小2号高调门的开度至完全关闭；逐步关小4号高调门的开度至完全关闭；同步关小1号、3号高调门至开度为30。当1号、3号阀关闭至30区间时，适当调整主汽压力，并观察机组就地阀杆动作情况。22号、4号高调门顺序开启和关闭试验。在上述试验一、244汽轮机技术第57卷基础上，同步开启1号、3号高调门的开度至全开；逐步开启2号高调门的开度至完全开启当2号开启至30区间时，适当调整主汽压力，并观察机组就地阀杆动作情况；逐步开启4号高调门的开度至完全开启。3类似，进行3号、1号高调门顺序开启和关闭试验，在进行1号、3号高调门顺序开启和关闭试验。32试验注意事项依次进行上述试验，特别注意的是在调整高调门开度时，每一步高调门开度的调整量要尽可能小，以保证试验过程的平稳。并且，在试验过程中，如果某种阀门顺序开启试验的振动、瓦温、瓦振发生异常，出现明显升高现象，以致危害机组安全，则迅速停止该种试验，然后，进行下一种试验。33测试试验的结果及分析整个试验过程的调门开度、调节级压力及负荷的变化如图5A图5C所示，试验过程出现的两阀点高调门开度为30左右时，也出现了不同程度的负荷突变故障；如图5D所示，从局部放大图中可以看出，在1900S1910S区间、憾翼桓L基一GV1GV2GV34时间，S阀门开度JLR力率，L，_卜R煺林时间，SC】机组负荷时GV2和GV4两阀点开度在30左右时，负荷突降达到25MW左右。因此，根据第三节的判断故障方法可以进一步确定机组负荷突变问题是由高调门硬件故障引起的。此外，还对试验过程的高调门流量特性进行相应的计算，即高调门开度与实际流量的关系，4个高调门的结果如下图6一图L0所示。由于机组本身的高调门在安装时都没有设置预启阀，并且，高调门阀头脱落的故障特征为调门开关全程都无流量变化；所以，此机组的高调门故障为硬件磨损故障。如图6和图7所示，其中GV2的故障特征最为明显，不仅出现25的无流量间隙故障特征，而且还出现10的无流量间隙故障特征，是典型的硬件磨损造成的高调门动作执行机构连接不紧密问题；无流量间隙故障特征指的是当高调门单个开启和关闭过程中虽然开度在变化而流量却不变化，这与高调门的预启阀特征一致。如图8和图9所示，高调门GV3和GV1都出现10的无流量间隙故障特征。如图10所示，则为高调门GV4正常开启过程中的无故障特征。R幽杠慝，IIILRT时间，S6调节级后压力1IIII一LL1，I一时间，S匿图5实际机组的试验过程，阀门开度增加，一机组流量不变一R，一调门开度，、岫L煺监七K时间，S出现负荷突变位置局部放大图。1无流量区域一调门开度，N调IQZS无流量故障特征6调门L5的无流量故障特征图6高调门GV2开度与实际流量的关系T_LLRRLRL0如矾轴钟加。事料酋苣R佗“276汽轮机技术第57卷时，图中的压力分布情况又显示出当管束模块向壳壁方向移动的较多时如方案一管束上方的凝汽器压力又有被抬高的趋势，表明并不是一味地将管束模块向壳壁侧移动就好，存在一个较为合适的偏移位置，可以使流动最为合理。323对凝汽器压力的影响为了对比管束模块在壳体内相对为对凝汽器性能影响的不同，本文在前面数值计算结果的基础上又进一步提取了反映凝汽器性能的重要参数来加以比较。表3给出了原方案及另外八个方案情况下的凝汽器压力和抽气口空气浓度。表3中的结果表明方案3情况下的流动、换热状况最好，不仅凝汽器压力最小，而且凝结量最大，使得抽气口的空气浓度最大，也有利于与下游抽气器的联合工作的配合。表3不同管束区位置对某600MW机组凝汽器压力的影响方案,32,器PA，方案篓方案140036338方案540353303方案239812360方案640644276方案339681377方案740789266方案439818360方案840862260原方案400563344结论通过本文的计算可知，对于双管束模块的凝汽器而言，管束模块布置于凝汽器中心位置时凝汽器性能并非最佳，而是应该将管束区往壳壁方向移动，具体移动的距离视凝汽器壳体与管束模块的具体情况而异。采用数值模拟方法可以更为详细地、直观地描述出凝汽器汽侧流动和换热细节，更好地观察由于管束区位置变化而引起凝汽器性能改变的趋势，可以为工程设计人员寻求对称性双管束区凝汽器的最佳管束区位置提供一种便捷准确的辅助设计工具。通过本文的计算和分析表明管束模块的布置位置会影响凝汽器性能，论文可为凝汽器的工程设计提供一定的思路和参考。参考文献1张卓澄，等主编大型电站凝汽器M北京机械工业出版社，19932汪国山电站凝汽器热力性能数值仿真及其应用M北京中国电力出版社，20103俞茂铮，姚秀平，汪国山，等大功率汽轮机凝汽器汽相流动与传热特性的数值分析J动力工程，1995，15642484姚秀平，李红梅，朱光宇，等电站凝汽器汽相流动与传热特性的准三维数值分析J西安交通大学学报，1998，321229335杨世铭，陶文铨传热学M北京高等教育出版社，20066王思平污垢对凝汽器及汽轮机组性能影响的数值分析D上海上海电力学院能源与动力学院，20137马汀山，蒋安，郄彦明，等真空严密性与凝汽器漏人空气流量的定量关系J热力发电，2009，3866567上接第245页当的水平。同时，还消除了机组在变负荷过程中由于流量特性曲线线性度较差引起的调门异常摆动现象，减小了EH油压的波动范围；机组的单顷序阀切换性能较佳，切换过程中的负荷和主汽压波动明显减小；最后，机组流量特性的线性度明显改善，有利于机组的变负荷性能，对电网的AGC以及一次调频能力考核都极为有利，满足电网的两个细则要求，间接提高电厂运行效益。4结论及展望本文首先通过理论分析和试验研究发现，在顺序阀方式下调门硬件磨损出现连接不紧密等