汽轮机调节汽阀抖动原因分析及处理

张仁水 ZHANG Ren-shui

（中广核核电运营有限公司，深圳 518120）

0 引言

A 核电厂汽轮机调节系统通过进汽阀对机组进行功率、频率、压力和应力控制，并对机组的负荷和转速实施超速、超加速、负荷速降和蒸汽需求限制，使机组安全和经济地运行于各种工况，满足供电的频率和功率要求。机组在经过某次大修并网后，在200MW 低功率平台运行时发现2 号高压调节汽阀油动机活塞及定位器抖动明显，其他3台高压调节汽阀较为稳定。机组在640MW 功率平台时发现功率波动，幅度达到6~7MW。电厂曾多次出现阀门开度抖动的情况，本文针对阀门开度抖动的原因和处理措施进行了分析。

1 系统和设备工作原理

1.1 汽轮机调节系统工作原理

汽轮机调节系统在自动调节状态时，上位机将操作员设定的目标负荷与实际测得的负荷进行不断比较形成负荷偏差，并以蒸汽需求量SD 增量值的形式输出到下位机。下位机结合增量限制、超速限制、超加速限制、操作员设置的SD 最大值限制等进行阀门开度计算，并将计算值对照刻度时生成的电流与阀位对照表输出相应的电流信号，包含18%高频交流分量的电流信号传送到定位器伺服阀，控制汽轮机进汽阀门动作。汽轮机调节系统工作原理如图1 所示。

图1 汽轮机调节系统工作原理

1.2 汽轮机高压调节汽阀工作原理

汽轮机高压调节汽阀由驱动机构控制，驱动机构由柱形体组件、集管块、重型复位弹簧和油动机组成，通过油动机内部油压克服弹簧力开启阀门，失去动力油时依靠弹簧力使阀门关闭，工作原理如图2 所示。图中所示的定位活塞根据电液伺服阀的信号上、下移动，从而带动先导活塞上、下移动。定位活塞位置决定油动机活塞位置即汽轮机进汽阀门的开度。当开度信号增加时定位活塞上移使先导活塞上移，错油门下口开启，动力油经节流孔板、错油门下口流入油动机活塞右腔，使其压力逐渐增加。油动机活塞克服弹簧力逐渐向左移动，开大阀门。随着油动机活塞左移，反馈连杆机构使先导活塞向下移动，防止错油门过开并维持在所需开度。信号减少的过程与上述相反。

图2 汽轮机高压调节汽阀工作原理

1.3 定位器工作原理

定位器主要由伺服阀、定位活塞及其阀体、位移传感器等组成。其核心部件电液伺服阀是汽轮机调节器控制系统与阀门操作机构液力系统接口转换的一个专门机构。它将微机调节器的电信号换为液力信号，使阀门定位器的定位活塞上、下移动。电液伺服阀由扭矩电动机、喷嘴档板等组成，如图3 所示。扭矩电动机根据汽轮机调节系统微机调节器的电信号改变档板位置，使喷嘴背压变化，引起伺服阀阀芯移动。当信号增加时，档板向右摆，靠近右喷嘴，阀芯右腔压力大于左腔压力，使阀芯左移。动力油经错油门a 流向定位活塞下腔，定位活塞上腔的油经错油门b 排出。随着定位活塞的上移，机械反馈连杆使调整磁铁转动，使档板向左摆。这个过程一直进行下去直到档板恢复到中间位置为止，此时阀芯两侧压力相等，错油门a、b 均被关闭。过程结束以后，定位活塞已相对原来位置上移到一个与现有信号相对应的位置。定位活塞位置通过线性可变差动变压器（LVDT）反馈给阀门模块，对阀位进行校正。

2 阀门开度抖动原因分析

根据汽轮机调节系统工作原理图，影响阀门开度抖动的因素可以归纳为以下三个方面：

上位机与下位机的控制信号波动包括SD 蒸汽需求波动、阀门模块故障等。

阀门本体方面包括阀杆/反馈连杆/活塞部件卡涩、油路滤网堵塞、油质问题等。

定位器方面包括定位器本体、伺服阀、反馈机构（LVDT）等。

2.1 上位机与下位机控制信号检查

由机组操作员配合分别设置三种机组控制状态：反应堆控制棒自动、汽轮机调节系统上位机自动状态；反应堆控制棒自动、汽轮机调节系统上位机手动状态；反应堆控制棒手动、汽轮机调节系统上位机手动状态。在三种状态下通过现场安装的百分表观察阀门定位器及阀杆抖动依然存在，幅度与频率没有明显差异。

通过下位机阀门模块将输出信号设置为一个固定值，保持阀门在一个固定开度，定位器与阀门开度依然抖动。将其他工作正常的阀门模块安装至2 号高压调节汽阀，定位器与阀门开度抖动幅度与频率也没有改善。

通过以上检查确认阀位抖动与SD 蒸汽需求波动无关，排除了阀门上游控制信号或者阀门模块异常的因素。

2.2 阀门本体和定位器检查

大修中对阀门本体进行了预防性检查，阀门特性试验和阀门训练过程中也没有异常。机组并网后升功率到200MW 前阀位没有异常波动。检查阀杆、反馈杆等机械部分，没有发现卡涩情况，动静部件表面也没有拉痕等磨损现象。对主油箱取样分析油质正常。LVDT 线圈电阻稳定无波动。

检测发现伺服阀马达线圈电阻在没有供油时相对稳定，在供油状态下存在波动。将正常工作的2 号高压主汽阀定位器与2 号高压调节汽阀定位器对调安装试验，结果2 号高压主汽阀定位器与阀位出现抖动，而2 号高压调节汽阀定位器与阀位则恢复正常。

检查结果表明阀门本体功能正常，2 号高压调节汽阀定位器组件存在异常，伺服阀线圈电阻在充油后发生波动可能是温度、磁场变化引起，正常不应波动。阀门开度抖动的原因是伺服阀输出不稳定引起的定位器抖动。最终通过更换定位器消除故障。（表1）

表1 定位器对换试验检测的伺服阀线圈电阻数据

2.3 定位器抖动原因

液压元件的运动副中有很多环形缝隙，这些缝隙一般都充满油液。正常情况下，移动阀芯时只需克服较小的粘性摩擦力。但在中、高压系统中，当阀芯停止移动一段时间后，这个阻力可以增大到数百牛顿，仅依靠电磁力无法推动阀芯，出现液压卡紧的情况，就像“卡死了”一样。液压卡紧的原因可能是油温升高导致阀芯膨胀，也可能是径向力不平衡导致阀芯偏心紧贴阀体产生很大的摩擦力，杂质进入配合间隙会加剧这种现象。

系统设计对定位器快速响应要求较高，因此采用在控制信号中增加高频交流信号和在伺服阀阀芯上设计坡口等方式强迫阀芯高频扰动，阀芯时刻处于悬浮状态的同时产生湍流减少亚微米颗粒物附着，避免液压卡紧。这种设计会导致定位器抖动，当抖动超出一定范围就会影响阀门正常工作。定位器厂家试验台抖动标准为±0.025mm，但该标准过低不满足核电厂功率稳定要求。通过长期跟踪当定位器抖动≤0.01mm 时对汽轮机进汽阀影响较小。

3 定位器抖动应对措施

3.1 定位器试验台复现抖动现象

定位器厂家最初在测试时使用的控制信号没有交流分量，将抖动定位器返厂检查试验性能无下降，各项参数均正常。模拟电厂实际情况按比例增加交流分量并通过改变温度和压力可以复现部分定位器抖动。

通过试验发现定位器对温度和压力较为敏感。厂家定位器翻新程序要求油温为40℃，油压为14MPa。对比核电厂现场汽阀工作温度可达到48~52℃，油压为13.8MPa。部分定位器在40℃时特性稳定，当油温升至45℃时出现明显抖动。一些定位器在14MPa 压力时稳定性良好，试验压力降低后出现明显抖动。

各部件的配合度会影响定位器性能。拆下伺服阀进行单独检测，也发现在不同压力、温度条件下存在输出压力大幅波动的情况。不更换备件仅重新组装后输出压力大幅波动时对应的压力、温度也不相同。对所有液压部件进行更换后，伺服阀输出压力波动现象出现概率有明显下降，判断备件使用后因冲蚀、磨损、结垢等原因导致品质出现下降。输出压力无明显波动的伺服阀组装到定位器油缸上后，也有抖动复现的情况。

伺服阀装配程序中要求伺服阀在额定供油压力下其挡板两侧喷嘴额定压力为2.2~2.6MPa。通过试验和分析发现，实际工作中由于系统压力变化和伺服阀部件特性变化，伺服阀实际供油压力不是额定值，运行中喷嘴压力随供油压力变化。由于配件制造差异，两侧喷嘴压力的线性区间不同，在某一供油压力下两侧喷嘴压力失去平衡即发生定位器抖动。通过调整喷嘴的压力，能使其在供油压力的变化范围内都处于线性区域，补偿配件差异影响和运行后状态的变化，提高定位器的工作效率和稳定性。试验结果表明喷嘴压力在1.5~1.8MPa 时，可适应的供油压力范围广，动态稳定性好。伺服阀装配程序中要求通过打磨伺服阀阀芯坡口增加阀芯扰动提高定位器频率响应和阶跃响应能力。反之，减少打磨伺服阀阀芯坡口，降低阀芯扰动，可以降低定位器抖动。

3.2 定位器抖动验收标准

定位器厂家以往标准不能满足现场使用要求，电厂在保证定位器整体性能的基础上增加了针对抖动的检查标准：

伺服阀壳体表面温度≥46℃；

充油后伺服阀线圈阻值波动量≤0.5Ω；

控制信号中增加18%颤振分量，使用百分表测量定位器油缸活塞抖动幅度≤0.01mm。

3.3 现场验证情况

自2 号高压调节汽阀出现故障后开始将伺服阀喷嘴压力从2.2~2.6MPa 降低到1.5~1.6MPa。在定位器翻新过程中减少打磨伺服阀阀芯坡口，将定位器5%阶跃响应指标从120ms 改为150ms 并仅作为参考标准。

日常机组运行期间跟踪确认定位器抖动现象消失，但在阀门带负荷试验期间出现定位器卡顿现象，分析原因为伺服阀长期运行后节流器、喷嘴、挡板、滑阀上会存在抗燃油老化产生的亚微米颗粒物聚集，伺服阀启动油压偏小，导致其克服杂质阻力的能力减弱。将伺服阀喷嘴压力恢复至2.2MPa 后，日常机组运行期间观察到部分定位器抖动现象复现。

3.4 定位器更换标准

为了及时发现异常避免定位器抖动影响机组功率稳定，电厂制定了定位器监视和更换标准。

当阀门指令阀位减去实际阀位（POSITIOM TRIM）超过10%，或者两次带负荷试验后的偏差值变化量超过6%，需要加强关注。

当POSITIOM TRIM 超过12%，则进行阀门刻度，给阀门模块重新建立其所对应的阀门驱动电流与阀位的特性数据表。

当POSITIOM TRIM 超过16%，则更换定位器。

跟踪满功率状态下机组功率波动量为3~5MW，当波动超过5MW 时调节系统无法补偿定位器抖动带来的功率变化，需要对抖动定位器进行更换。

4 结束语

定位器在固定开度时，伺服阀阀芯处于中间位置，定位器上下油缸进油量完全相等，实际工作中伺服阀阀芯在高频扰动时会左右摆动，造成定位器上下油缸反复进油，表现为定位器抖动。经过实践证明定位器抖动属于设备固有特性，无法彻底消除。通过减少伺服阀阀芯坡口打磨量降低扰流量，可以有效改善定位器抖动情况。通过制定适当的监测和更换标准并及时干预，可以有效避免出现机组功率异常波动的情况。