摘要：汽门是机组调速系统的最终执行机构，起到隔断和调整汽轮机进汽量作用。汽门的故障将会直接机组的转速飞升、功率振荡等恶性事故的发生。结合调门故障的可靠处理，理论上分析了调门动作的流程，总结了调门故障易发原因，并且有针对性的提出了相应的预防性措施及其处理事故原则和措施，减少了机组故障发生次数，同时在事故处理过程中避免了事故扩大化，对于机组的安全稳定运行有非常高的借鉴价值。
关键词：汽门；调速系统；故障；伺服阀
1概述
汽门作为机组调节系统的控制对象，其故障会对整个机组的转速、负荷调整产生严重影响，对机组本身及电网的安全都会产生严重威胁[1]。汽轮机汽门特性及其特性控制参数设置不合理导致电网和和机组事故的案例也是层出不穷；虽然很多事故都找到相应的原因，并最终得到解决，但是从系统的控制其汽门特性的方案措施并不为多见[2]。本文结合某超临界机组汽门的实际运行案例，对相应的易发故障和反措进行进一步和系统性的分解，并通过实际试验验证的方法和措施的可靠性和有效性。该机组为超临界N660-24.2/566/566型，一次中间再热、双缸双排汽、凝汽式汽轮发电机组，机组配置12个汽门，其中2个高压主汽门，2个中压主汽门，4个高压调节门，4个中压调节门。主汽门、调门均为调节型阀门，采用伺服阀控制，LVDT采用单只设计，汽轮机数字电液控制（DEH）系统采用艾默生公司的OVATION控制系统。
当外界或给定负荷变化时，计算机运算处理并发出开大或关小汽门的电气信号，该信号由伺服放大器放大，送入电液转换器，将电气信号转换成液压信号，使伺服阀阀芯（错油门）移动，对进入油动机活塞下腔的高压油进行控制。当负荷增加时，高压油使油动机活塞向上移动，打开调节汽门；当负荷减少时，在弹簧作用力的作用下，压力油自油动机活塞的下腔泄油，油动机活塞向下移动，关小调节汽门。
在油动机活塞移动的同时，带动线性位移差动变送器移动，将油动机活塞的机械位移转换成电气信号，该信号与计算机来的信号迭加，使电液转换器的输入信号为零，此时，伺服阀的阀芯回到中间位置，高压油不再进入油动机的下腔，或使压力油不再自油动机下腔泄油。于是，油动机停止移动，调节阀在新的工作位置上达到平衡。
伺服阀按其结构分为前置级和功率级。前置级由力矩马达、喷嘴挡板、反馈杆等组成，用于接收控制器来的信号并转化成液压信号推动功率级的阀芯运动。功率级由阀芯、阀套等组成，阀芯在前置级的推动下运动，打开阀口，使伺服阀输出流量。它是一个力矩马达和两级液压放大及机械反馈系统所组成。第一级液压放大是双喷咀和挡板系统；第二级放大是滑阀系统。
2汽门常见故障及原因
机组从投产后多次发生汽轮机主汽门、调门突然关闭、大幅波动、卡涩、油管道振动等情况。在多次处理后，主要从两方面总结经验。一方面找出发生故障的根本原因，减少故障发生次数；另一方面，根据现象总结，对故障提前发现，并制定相应的控制措施，降低了事故发生率和提高了事故处理成功率。
2.1油质恶化引起阀门故障
（图片中曲线1为阀门指令，2为阀位反馈，3为伺服阀线圈电压1，4为伺服阀线圈电压2，以下图片中各曲线均按此说明）
图1（a）为机组4号高调开启过程中，当阀位达95%，指令继续增大至98%，但反馈保持在95%，伺服阀线圈电压1、2均由-1.26V增大至-2.4V。保持一段时间后，指令稳定在100%，电压稳定在-1.23V，几分钟后4号高调逐渐由95%关闭至0%。后将伺服阀送检，确认其为伺服阀卡涩。
图1（b）为机组1号高压调门开机前进行阀门开关试验，指令给到50%，但反馈仍然为0%，阀门没有动作，伺服阀线圈电压-2.2V。后经检查落实，确认为滤芯堵引起。
图1（c）机组3号中压调门阀门活动试验刚结束，指令恢复至100%，反馈自动关至0%，并且频繁在0%-100%之间来回开关，伺服阀线圈电压也在-1.2V～-2.4V之间波动，将阀门自动控制解为手动控制，手动将阀位给定为90%后正常，线圈电压恢复至-1.3V。后经核实为伺服阀滤芯堵塞。
2.2 伺服阀线圈故障引起阀门故障现象
（a）
（b）
（c）
图1 油质恶化引起的阀门故障
（a）
（b）
图2 伺服阀线圈引起的故障
图2（a）为伺服阀线圈故障的特征，故障时机组2号高调指令从100%下降到90%，反馈一直在86%-95%之间波动，伺服阀线圈电压由-1.2V上升至+0.9V，阀门反馈就开始波动，就地检查阀门确实在波动，且伺服阀电压1和2不一致，并且最大差值达到1.75V，后将指令全开至100%波动消失，但伺服阀线圈电压却达到-2.35V，更换伺服阀后正常。经送检为伺服阀力矩马达偏置引起。
图2（b）为2号高压主汽门，指令在100%，反馈在经历了一段时间已经下滑至88%，伺服阀电线圈电压-1.2V，决定更换伺服阀，逐步手动给定关闭指令至0%，期间伺服阀线圈电压几次由-1.2V增大到-2.4V，全关后电压为1.2V。后经送检核实为伺服阀磁震引起。
2.3 伺服阀机械部件故障
图3为机组1号高压主汽门指令在100%，反馈99.71%，伺服阀线圈电压1、2之前一直在-0.33V至-2V之间波动，突然反馈从99.7%关闭至0%，电压稳定在-1.2V。后经伺服阀送检，确认为伺服阀弹簧漏油。
图3 伺服阀机械部位引起的故障
3事故处理及防范措施
3.1提升油质品质措施
引起阀门卡涩及滤芯堵塞的主要原因是油中颗粒度超标。这也是最常见的伺服阀故障原因，改善油质就是首要任务。主要从以下几个方面进行处理：
3.1.1提高滤芯等级
正常运行中由于油质劣化通过再循环泵的回油滤芯、再生泵的精滤芯都应能满足日常的去除颗粒度的要求，但实际情况不能满足要求，经常发生颗粒度超标，发生时都立即更换滤芯但油质改善并不明显，采用外接滤油机进行滤油后才能快速改善油质[3,4]。主要是再循环泵的回油滤芯、再生泵的精滤芯都是采用3μm滤芯，所以油质提高并不明显，于是将其提高至采用1μm滤芯，油质改善明显且较稳定，运行中加强前后差压监视，发现脏污时及时进行更换。
增加临时滤油机进行滤油时必须进行加强油质的监督，有时会发生颗粒度不但不下降反而上升的情况。有部分滤油机仍在采用硅藻土作为除酸值的介质，但硅藻土会产生杂质，反而使颗粒度上升，发现后立即停运临时滤油机，更换滤油机后继续滤油后油质颗粒度、酸值才得以合格。
3.1.2治理局部超温
虽然采取以上措施后滤网的更换周期较短，说明油质中所含颗粒仍然未能彻底解决，对抗燃油管道检查发现主机高压主汽门油动机被保温包裹（图4），造成局部温度达到100℃左右，抗燃油长时间在高温区工作会发生氧化变质、水解反应和酸值升高，这样会产生一种类似碳化物的黑色、粘稠状物质，使油液颗粒度增加。该物质极易堵塞电液伺服阀滤网及喷嘴，造成汽门的振动或产生忽开忽关现象。
图4 不合理的油动机保温
在冬季值班员习惯投入电加热联锁来控制油温，电加热长期处于投入状态，电加热处局部抗燃油温高造成碳化。为减少冬季对抗燃油箱电加热使用，在检查系统发现回水调节门关不严，冷却水实际并未隔离仍然对油进行冷却造成油温低，进而使电加热器必须投入才能维持抗燃油温，将冷却水手动门隔离后，油温能维持在42℃左右，满足要求，从而避免了电加热的投入。经过处理后抗燃油滤网的更换周期增加到半年更换一次。
3.1.3定期更换伺服阀滤网
对停机后达到运行周期的滤网进行更换，避免造成杂质进入油动机，所有进入伺服阀的高压抗燃油均先经过一个10um的滤网进行过滤。在正常工作条件下，滤网每6个月更换一次，由于新机组油系统滤网更换不注重，再就是新机组油质本来就有一个稳定的过程，更换滤网是必须的定期工作。
采取以上措施后伺服阀的故障率并没有明显下降，一方面存在滤网已经受到污染，另一方面也不排除油中的杂质已经对部分的伺服阀造成了影响，只是暂时未表现出来。所以保证油质合格是一项长期的基础工作。
3.2 解决伺服阀线圈故障措施
采取以上措施阀门故障的问题都没有得到很好的解决，最终将故障伺服阀送至检测机构进行故障检查，检测结果为阀芯被杂质卡涩、力矩马达管弹簧漏油、力矩马达磁震、力矩马达衔铁偏置，发现伺服阀本身原因引起的问题占到大多数。但同时检测结果验证了，油质的确是原因之一。
运行中长期处于全开的阀门发生故障的次数也较多，全开的阀门由于偏置电压的存在，应该只受到油质对滤网的影响，造成进油压力降低引起阀门关闭，但已采取了更换滤网、改善油质的措施，滤网脏污的情况已可以排除。伺服阀本身存在问题的可能性较大，根据检验报告也可以看出一部分伺服阀的缺陷是由伺服阀马达引起，并不全是由于油质、反馈信号原因引起的阀门故障。
减小伺服阀在全开或全关状态长期带电造成线圈的使用寿命缩短，将阀门的全开位限制在98%，使阀门处于中间状态，避免伺服阀线圈长期带电且使伺服阀衔铁偏置发生变形，造成伺服阀工作失常的情况发生。
（a）
（b）
图5 阀门伺服阀线圈电压
图5给出了阀门伺服阀的电压图，其中5（a）为全关时的情况，5（b）为全开时的电压图。伺服阀的电压在全开时强制偏置电压-1.2V，全关时强制偏置电压1.2V，中间位置稳定时，伺服阀电压接近于0V。为了减少伺服阀频繁动作造成滑阀磨损，厂家设置偏置电压，保持伺服阀滑阀一直处于常开或常关状态。但是这样做伺服阀线圈一直处于带电容易使线圈老化，衔铁一直处于偏置位置有可能发生变形引起调节发生偏置。
3.3解决伺服阀本身故障的措施
伺服阀品牌对抗燃油质的要求存在一定的差异，并且采用的线圈、材料等都存在一定的差别[5]，于是对周边电厂伺服阀使用情况进行调研，MOOG阀的较多，并且出现问题的次数较少。采取了对发生异常的伺服阀逐步更换为MOOG阀，试用的效果较好，已更换后的伺服阀已经达半年未发现异常情况。
4预判阀门故障措施
从以上异常的现象来看，在发生了故障的伺服阀线圈电压都发生了超过全开电压（-1.2V）或全关电压（1.2V）的情况。在伺服阀、LVDT未故障的情况下，只需要-1.2V～+1.2V电压就能满足阀门的开启、关闭、调节的需要，伺服阀电压超过此范围就说明伺服阀或LVDT出现问题。存在以下三种现象：
现象一：当伺服阀电压不发生变化时，阀门位置发生变化，说明伺服阀存在问题；这种情况一般发生在全开状态，电压已达到全开偏置电压-1.2V，所以电压不变，阀门因反馈或伺服阀故障全开或全关。
现象二：当伺服阀电压变化后实际阀门未动作，正常情况下伺服阀电压变化肯定会引起伺服阀动作造成阀门动作，发生这种情况说明伺服阀存在故障；现象三：当伺服阀电压波动同时阀门同时波动时，原因有：1、由于伺服阀入口堵、卡涩等原因，造成指令不能与反馈同步，所以存在调整延迟；2、由于LVDT松动或磨损线圈后造成反馈故障，引起阀门波动；3、卡件故障发生电压波动，引起阀门波动。4、由于阀门特性曲线问题，引起功率波动造成电压、阀门同时波动；
4.1伺服阀电压一般是不会超过其偏置电压1.2V的，在中间阀位稳定时伺服阀电压应为接近于0V，只有发生伺服阀故障、LVDT故障情况时，才需要更大的电压使动作电流增大动作量来满足阀门阀位动作的需要。根据阀位在中间位置且伺服阀线圈电压超过此全关或全开电压值，即线圈电压<-1.2V或>+1.2V时，确定伺服阀或LVDT存在问题，增加报警。一般VP卡、LVDT都有自检，当故障时，自检正常灯将熄灭，可以判断为LVDT故障；否则，就是伺服阀故障。
4.2将各阀位限制在98%即为全开。当阀门指令为100%时，线圈电压就为-1.2V，即使阀位反馈在下降时其线圈电压也保持不变，不利于判断伺服阀、LVDT等是否故障，所以将各阀位限制在98%即为全开。在中间阀位时伺服阀控制电压可以施加更高的电压，从而避免在全开时偏置电压一直保持为1.2V，当伺服阀故障时阀位反馈产生偏移，由于衔铁变形、偏置电压、伺服阀阀芯有轻微卡涩时线圈电压将提高来满足阀门开启油压需要，尽量保证阀门阀位保持原位，一方面保持了阀位，另一方面为判断提供了时间与依据；
4.3设置功率振荡报警，1分钟之内发生3次功率波动幅度超过8MW即判断为功率振荡。由于调门波动的情况都会造成功率波动，为防止因调门波动引起负荷波动的事故，增加功率振荡报警逻辑，同时将协调控制切为阀控状态，及时提醒值班员进行处理。一般情况下只要是调门特性曲线引起的功率振荡，只要将协调控制切为阀控状态，阀门的波动将会停止，从而使功率振荡平息，同时也可判断为阀门特性曲线不合适造成，且此类问题重复性发生频率较高。如果切为阀控后，指令未变动，同时阀门仍然处于变动的情况，就存在LVDT或伺服阀故障。
4.4将阀位指令与阀位反馈偏差大报警及报警音响，及时提醒值班员阀门控制出现问题，根据现象查找故障原因及进行故障处理。
4.5在阀门开启，特别是小阀位时，如果是油管道发生高频振动，有可能也是伺服阀故障引起。如当振动发生时，通过强制信号将该阀门慢慢置于全关位置，关闭进油门，拔下伺服阀插头，测量振动。如果此时振动明显减小，说明是伺服阀或控制信号问题；如果振动依旧，说明是机组振动。对于前一种情况，打开进油门，使用伺服阀测试工具通过加信号的方法将阀门开启至原来位置，如果此时没有振动，说明是控制信号问题，由热工检查处理；如果振动加大，说明是伺服阀故障，应立即更换伺服阀；
4.6停机后通过给定指令从0%～100%，并将控制速率切为慢速，然后从100%～0%，观察指令曲线与反馈曲线重合度，判断是否伺服阀或LVDT存在问题。存在问题时局部一些阀点会有偏离现象，在运行中极易造成阀门波动。
4.7 停机后对LVDT的紧固程度、磨损情况进行检查，有问题及时更换处理。
5总结
调速系统的汽门故障是机组常见故障，通过改善油质、限制阀位、更换伺服阀品牌后调速系统阀门故障得到明显改善。电厂对调试阶段的油质监督不到位，带来了后续大量的伺服阀故障问题，在任何时候油质都是很重要的，发现问题必须及时找到原因，及时治理，避免伺服阀大面积受损。
调速系统汽门故障是常发生的故障之一，在处理此种异常的时候，并不能做到一蹴而就得到马上解决问题，并且此类问题引起原因较多很难得到彻底的解决，只能减少发生次数，所以做好伺服阀、LVDT故障的初期诊断，将能避免汽门突然的异常发生，引发更大事故发生，做到有准备的进行更换伺服阀或LVDT。
参考文献
[1]汽轮机超速保护控制对电网频率的影响研究.作者：马呈霞, 王宏伟, 秦睿等（摘自《热力发电》）.
[2]基于模型的汽轮机液压调速系统故障检测.作者：于达仁, 徐基豫，李艳文（摘自《中国电机工程学报》）.
[3] 600mw机组deh调门故障分析及伺服阀在线更换.作者：贾向龙, 李会宏, 伊皓（摘自《电力学报》）.
[4]汽轮机调门故障诊断与处理.作者：柳长胜, 蒋昱（摘自《湖北电力》）.
[5] 600MW汽轮机组高调门故障引发机组跳闸的分析与处理.作者：丁成国（摘自《贵州电力技术》）.
论文作者:刘新云
论文发表刊物:《电力设备》2019年第4期
论文发表时间:2019/6/26
标签：电压论文; 故障论文; 阀门论文; 线圈论文; 机组论文; 调门论文; 发生论文; 《电力设备》2019年第4期论文;