李和 李阳
摘要：汽轮机是电力生产行业核心机械，发生故障会对电站带来巨大经济损失。随着社会经济的发展，推动我国电力行业的快速发展。汽轮机安装过程复杂，安装中受到多种因素影响，有效处理汽轮机故障十分重要，传统阀门检测无法检测到控制回路非线性波动，分析阀门曲线失配导致非线性波动原因，提出基于过程数据的非线性检测方法，从仿真与工业实例方面验证有效性，针对核电厂机组汽轮机厂房调试运行发生电动阀门故障，总结分析发生故障问题原因，为类似机组阀门故障检测提供参考。
关键词：汽轮机 电动阀门 电气故障 原因
Abstract： Steam turbine is the core machinery of electric power production industry， failure will bring huge economic losses to the power station. With the development of social economy， it promotes the rapid development of China's power industry. The installation process of steam turbine is complex and affected by many factors. It is very important to effectively deal with steam turbine faults. Traditional valve detection cannot detect the nonlinear fluctuation of control circuit. The causes of nonlinear fluctuation caused by valve curve mismatch are analyzed， and a nonlinear detection method based on process data is proposed to verify its effectiveness from the aspects of simulation and industrial examples， In view of the electric valve failure in the commissioning and operation of the steam turbine plant of the nuclear power plant， the causes of the failure are summarized and analyzed， so as to provide reference for the valve failure detection of similar units.
Key Words： Steam turbine; Electric valve; Electrical failure; Cause
核能是新興清洁能源，为工业发展等起到重要作用。现代化核电厂中需要很多阀门，阀门工作可靠对核电安全运行非常重要。阀门故障得不到及时诊断控制会引发巨大核电事故。研究核用汽轮机厂房电动阀门故障尤为重要。阀门频繁开闭对机械产生造成影响，通过腐蚀设备导致增加物耗。对阀门设备操作维修技术人员提出较高要求，要在阀门发生故障后及时诊断控制。核电阀门传输介质为饱和蒸汽、放射性水蒸气等流体，由于阀门不能正常工作导致核电厂停堆占比19%，发生故障导致停堆占10%。阀门故障原因分为生产性与运行性，导致阀门故障因素有很多，阀门故障具有复杂性。某核电厂机组采用智能电动阀门，SND主要分布于二回路系统，BERNARD14主要分布于SEN系统。本文分析电动阀门电头结构，总结常见故障原因及处理方法。
1 汽轮机故障诊断研究
当前电力深入到人们的生活中，电力供给与消费关系趋于复杂。由于电能不能存储等原因，要求电力生产安全稳定。汽轮机是火电厂重要设备，具有高参数等特点，社会对电力需求增加，对汽轮机单机功率要求提高。汽轮机通流部分大多在高温环境下工作，故障影响机组运行效率。配备故障诊断系统可降低运行成本，研究汽轮机通流故障诊断尤为重要。
汽轮机通流故障分为渐发行与突发性，渐法故障早期不易发现，由于电厂人员违规操作引起磨损变形等造成机组效率降低等情况。突发故障是随着汽轮机运行通流部分面积突变，主要由叶片断裂等故障，不及时处理会发生重大事故。汽轮机通流部分发生故障概率大。一些研究部门对汽轮机振动故障研究较为完善，但汽轮机通流部分故障诊断研究不够完善。随着故障诊断技术的发展，汽轮机故障诊断技术不断进步。推出多种故障诊断专家系统，但对汽轮机通流部分故障诊断存在不足。专家系统诊断故障具有不确定性，故障具有很大耦合性，热力参数与有关汽轮机通流故障表现为压力等参数变化，汽轮机故障早期诊断方式是基于热力参数诊断。
汽轮机故障诊断技术是研究单位关注的问题【1】。汽轮机组故障复杂，引起故障的原因不明显。设备故障诊断采取技术手段判断设备所处状态，随着传感技术，专家系统等综合智能系统的应用，设备状态监测技术研究得到发展，故障诊断是确定设备故障性质，明确故障原因。通过对汽轮机组运行故障诊断，对电力系统安全运行具有重要意义。根据汽轮机发电机组故障特征，加入轴心轨迹特征数据【2】。大型机组振动故障分析复杂，很难将机组解体检查，需进行深入的研究。转子不平衡故障比例高达90%。高压大容量发电机组因径向间隙小，动静间隙设计不断变小。轴系稳定性是影响油膜振荡的主要因素。
2汽轮机电气阀门故障分析
汽轮机是旋转式原动机【3】。汽轮机组发生故障会引发严重的安全隐患。转子有自己的自振频率。汽轮机事故中震动原因引发比例最大。随着科技的发展，汽轮机向自动化方向发展。提高汽轮机出现系统故障概率。阀门是控制回路的重要执行机构，控制系统调节阀门异常导致系统失稳【4】。通常采用故障检修方式实现维护，专业技术人员频繁定期检修造成阀门设备性能下降。阀门异常分为静摩擦与曲线失配，阀门非线性状态建模检测问题受到关注。电厂汽轮机组阀门控制要求具有动态性，表现不同相位耦合性。
汽轮机控制系统中内环由阀门控制器等设备组成。控制系统通过改变控制阀开度控制负荷，DEH改变进入汽轮机蒸汽流量。调节阀阀位控制器通过阀门曲线转化为阀位指令信号【5】。阀位信号送入控制器实现闭环控制。阀门机械特性是固有特性，通常由制造厂家根据标准设计。阀门曲线是阀门机械特性反函数。阀门静摩擦发生于串级控制回路内回路中。阀门静摩擦异常由于EH油系统高压抗燃油质稳定性影响阀门工作性能，调节气阀工作在高温下部件劳损造成静摩擦。
阀门故障维修技术随着工业设备复杂度发展，早期维修通过定期检修等方式预防故障。传统观点认为设备发生故障模式为浴盆曲线，设备老化阶段故障发生概率增加【6】。设备使用陈旧发生故障概率高，早期为追求设备可靠性增加维修周期频度，随着设备复杂度提高，预防为主的周期性暴露出其弊端。国内外很多学者分析阀门故障诊断。国外对人工智能技术应用成熟，日本研究设计可变阀门控制器诊断系统。已有研究采用人工智能理论，在阀门故障诊断方面具有良好效果。
3汽轮机閥门非线性检测
阀门静摩擦表现为运行中出现非线性现象组合叠加。滞环是阀门阀位在启闭中的不同，死位是阀位不随指令变化。阀门静摩擦原因常见于液压系统异常，阀门静摩擦导致阀门卡涩，阀门颈摩擦现象输入输出特性曲线包括滞区域跳变区。跳变区是阀位突变至当前阀位指令值。
阀门需要改变运动方向，阀门沿上时刻方向运动时，输入信号需要超出滞区，伴随出跳变现象。阀门曲线失配是机械特性曲线与阀门曲线不匹配，机械特性与出厂测定曲线存在偏差，严重阀门曲线失配降低控制器性能。阀门曲线失配难以归纳输出输入关系典型特性，阀门磨损特性不同，可以总结常见阀门曲线失配模型。
根据汽轮机中阀门信号检测位置，高斯信号为记录采样离散信号x（t），t=0，1，2，…，耦合现象分为频域与相位耦合，x（t）=（2πfit+φi），f3=f1+f2;φ1，φ2…φ5为初相位，φ6=φ4+φ5为相位耦合。频域形式三阶统计量可以识别阀门静摩擦特征中输出信号存在耦合特性。高阶统计量可反映非线性系统特性。频域形式三阶统计量双谱为B（f1，f2）=E[X（f1）X（f2）X*（f1，f2）]，*为复共轭;Bic（f1，f2）=|B（f1，f2）|?/E[|Xf1）X（f2）|?]E[|X（f1+f2）|?]，Bic为双向干系数。高斯信号双相干系数为0，非线性双相干系数在[0，1]内，双相干系数在（f1，f2）外趋向于1，表明存在频域耦合。实测运行数据计算双相干系数无法保证统计一致性，可将判断频域耦合数值依据设定在区间内，得出相同的结果。
4汽轮机电动阀门故障处理
阀门电动头包括显示屏、阀门指示灯、开关阀选择器等。阀门电动头操作方式包括手动与电动，手动操作压下切换手柄，旋转手轮与离合器啮合。电动操作时切换机自动脱离。电气箱盖下红色旋钮可选择现场操作，通过相邻黑色旋钮进行执行机构现场开关操作。主操纵员执行实验启动CEX001PO，模拟盘显示阀为半开关状态，电动阀显示屏黑屏，电气反馈CEX009VL阀门故障为电源模块导致【7】。
统计显示CEX007/009VL故障率偏高，手触摸电动头感觉振动偏高，建议对电动头测振。在主控打开CEX007VL时显示阀门故障。表示执行机构得到现场开关指令后未行程动作，液晶屏E闪烁，由于电动指执行机构开关到位后施力导致机械自锁装置承受扭力，建议把电动工执行机构操作方向转动，进行电动操作脱下手切换【8】。再次使用F扳手操作导致额外扭力过大。主控触发CRF700AA发现CRF506VC关闭，现场检查通过DCS手动开启506VC。真空恢复1min后关闭，通知现场阀门切换到就地开启，核功率恢复正常。电动阀门关闭导致核功率上升，将CRF506VC主板返厂检验，显示抗干扰能力较低。建议使用Bernard主板更换。类似CVI007/008/009VA重要阀门，应在主控设置相关报警。
现场检查发现电动头手轮存在划痕，内部密封受到损伤。BERNARD执行机构采用优质润滑，密封因受到挤压损坏，安装中未通电，防冷凝电加热保护器未预习，部分水蒸气冷凝水留在执行机构内，冷凝水同部分润滑脂蒸发，部分润滑脂混合物外溢。通过对机组常规岛电动阀门缺陷修复，解决存在的阀门问题。一些阀门问题有待改造，通过采取相应改进措施避免出现故障。汽轮机基础放线，注意轴承座几何中心与轴颈承力中心一致。垫块接触痕迹应占垫块总面积的70%以上。
5 结语
汽轮机是大型旋转机械，随着发电机组向大容量发展，汽轮机故障诊断技术是迫切需要发展的核心技术。阀门非线性现象难以避免，原因包括阀门机械特性与控制器曲线失配等。本文分析阀门非线性原因，利用阀门非线性法进行仿真，采用多种验证方法验证有效性。汽轮机安装是复杂系统的工程，必须严格按设计标准进行操作，确保汽轮机运行稳定。
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作者简介：李和（1990—），男，本科，工程师，研究方向为核电厂运行。
