调整DEH阀门控制方式抑制汽机间歇性振动的尝试
对某310MW 汽轮发电机组2号轴承振动频繁间歇性波动的原因进行分析，指出1号高压进汽调门(GV1)迟缓率过大和油档积碳是导致机组轴振异常的主要因素。由于在机组运行中不具备检查处理的条件，于是从热控专业角度通过在单阀方式下对汽轮机进汽方式的实际调整试验，找出了GV1开度对2号轴承振 动及轴瓦温度等参数的影响规律，并在DEH控制系统中通过对GV1阀门控制方式进行临时调整，大大降低了2号轴承振动波动的频次和幅度，有效抑制了振动间歇性频繁增大的现象，确保了机组在计划停机检修前的安全稳定运行，收到良好效果。
神华国能哈密煤电公司大南湖电厂1号机组汽轮机为北京北重汽轮电机有限责任公司引进法国ALSTOM公司技术生产的NCK310-17.75/540/540型亚临界、中间一次再热、三缸、双排汽、单轴、直接空冷抽汽冷凝式汽轮机，DEH 系统采用上海新华控制工程公司的DEH-V型数字电液调节系统，机组于2011年9月底投产发电。自2012年1月初开始，该机组2号轴承X、Y 向振动出现频繁间歇性波动的情况，振动峰值也越来越大，最高达到 223μm，并且振动异常发生的频率也越来越高，严重威胁着汽轮发电机组安全运行和对当地居民的可靠供暖。
国电发[2000]589号《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》在关于防止汽轮机大轴弯曲、轴瓦烧损事故中明确规定： 当轴承振动变化±0.015mm或相对轴振动变化±0.05mm，应查明原因设法消除，当轴承振动突然增加0.05mm，应立即打闸停机。针对这一问题，技术人员进行了认真的分析查找，发现1号高压调门(GV1)迟缓率过大和油档积碳是导致机组轴振异常的主要因素，由于在机组运行中并不具备检查处理的条件。于是通过在单阀方式下对汽轮机进汽方式的实际调整试验，并从热控专业角度在DEH控制系统中对GV1阀门控制方式进行临时调整，大大降低了2号轴承X、Y向振动的波动频次，同时将2X、2Y振动最大幅值控制在110μm以下，有效抑制了振动间歇性频繁波动的现象，确保了机组在计划停机检修前的安全稳定运行，收到良好效果。
1、振动特征及原因分析
1.1 振动特征
根据汽轮机制造厂要求，机组投运半年内汽轮机必须保持在单阀方式运行，采用全周进汽节流调节，以增加叶片的机械可靠性。该机组共配置有2个高压主汽门(TV) 、4个高压调门(GV) 、2个中压主汽门(RSV) 、2个中压调门(IV) 、1个旋转隔板(CV) ，由于工业抽汽暂未投用，机组正常运行时TV、RSV、IV、CV 全开，4个高压调门(GV1、GV2、GV3、GV4) 同步动作对机组负荷进行调整。该机组投运后不久就开始发生2号轴承间歇性振动的问题，随着运行时间的延长，2X、2Y轴振波动的频率越来越频繁，振动幅度也越来越大，在振动增大的过程中轴承温度也相应升高，具体情况如图1示。
图1 轴承振动与阀门开度趋势图
从这张随机调取时间长度为8.5h的趋势图中可以看出：在机组实际功率基本稳定的情况下，2X、2Y振动共发生较大的波动15次，最短间隔时间为6min，其中两次最大的波动振幅均超过194μm，并且间隔时间很短仅为4.5h左右。2X、2Y轴振变化的趋势几乎完全相似，图中GV1阀门开度也频繁摆动，变化趋势正好与之对应并且变化方向相反，即当GV1开度增大时，2X、2Y振动减小，当GV1开度减小时，2X、2Y振动变大。
1.2 原因分析
汽轮机处在单阀方式下运行时，4个高压调门接收同一阀位指令，同时动作并且开度应基本一致。从图1也可以看出GV2开度、GV4开度变化趋势一致，GV3开度也基本与之重合，而GV1在阀位指令基本保持不变的情况下，阀门却出现突然下关开度减小的现象，当开度关小到一定程度后，GV1又被指令重新拉回。
GV阀门伺服控制系统的原理如图2示。
DEH - 阀门指令; OFFSET - 偏置; AST - 遮断指令;S- 伺服阀上电压值; P- 阀门位置反馈
图2 伺服控制系统原理图
伺服系统工作原理： DEH输出的信号到VCC卡，转换为阀位指令，功放输出S去控制伺服阀油动机。油动机位移经LVDT变送器转换为位置反馈电压信号P到综合放大器与阀位指令相比较，当其二者相等时，油动机稳定在某一位置上。
调取GV1开度异常摆动时各伺服控制参数的趋势如图3示。
图3 GV1伺服控制参数趋势图
从图3中可以看出GV1伺服控制系统特性较差，阀门迟缓率偏大。2012年1月30日7：02：04至 7：02：44，GV1指令在 29.7% ～ 30.2% 范围内基本保持不变的情况下，GV1阀位突然开始下溜，由29.8% 关小至23.4% ，期间2X轴振由107μm增大至116μm，2Y轴振由108μm增大至128μm。由于GV1指令不变的情况下而实际阀位关小，伺服阀上电压S值随之由0.06V增大至0.28V，在较大S值的作用下使伺服阀滑阀移动又将GV1开度缓慢拉回，7：02： 44至7：08：31，GV1阀位由23.4% 逐渐开大至29.9% ，伺服阀上电压S值由0.28V减小至0.10V，阀门伺服控制系统重新达到一个新的平衡状态，期间2X轴振由116μm 降低至106μm，2Y轴振由128μm降低至109μm。
基于以上分析，认为造成2号轴承振动频繁间歇性波动的主要原因是GV1伺服控制系统特性较差，阀门迟缓率偏大。GV1阀门周期性的开度下溜和拉回，使单阀方式下4个高压调门进汽流量不均，在汽轮机调节级处会产生较大的配汽不平衡汽流力，从而引发调节级附近的2号轴承振动出现间歇性频繁波动。而每隔4个多小时的较大幅度振动(振幅超过194μm)，认为可能是2号轴承处油垢物与转子接触挤压造成局部高温碳化，产生的积碳使油档间隙变小，直至与转子碰触产生的摩擦振动，但在机组正常运行中不具备对油档进行检查和清理积碳的条件。
2、阀门调整试验的过程
针对GV1伺服系统迟缓率偏大这一问题，分析认为根本原因是EH抗燃油品质恶化( 经实际化验为9级，达不到6级标准的要求造成GV1伺服阀内部异常特性变差。伺服阀虽然设计可以在线检查更换，但必须将GV1全部关闭并切断高压进油后才能进行，而在实际GV1强制下关的过程中2号轴承振动随之迅速增大，如果全部关闭，则会使振动继续增大至危险值必须停止机组运行，因此当时并不具备在线检查更换的条件。于是决定一方面加大对EH油的滤油和再生，同时加强对EH油质的化验监督，尽快恢复提高EH油品质等级，另一方面开始对阀门控制方式进行调整试验，以期找到一种合适的针对GV1伺服系统异常情况下的特殊控制方式，使GV1开度变化及油挡积碳对2号轴承振动的影响得到抑制。
该机组4个高压调门和转子位置示意图分别如图4、图5示。
图4 调门布置示意图
图5 转子在轴承中位置示意图
调整试验时，在单阀方式下将GV1指令切为手动控制，人为控制其开度指令，手动以1%的幅度逐渐开大或关小GV1，观察GV1开度对2号轴承振动和轴承温度的影响规律。同时要求运行人员密切监视机组轴系振动和轴瓦温度等主要参数变化，调整试验过程中如遇有异常情况，及时打闸停机按照规程进行事故处理。试验过程的情况如图6示。
图6 阀门调整试验过程趋势图
根据运行经验和制造厂提供的阀门-流量特性曲线，4个高调门开度在45%时基本可以带满负荷运行，45%至100%开度变化时对蒸汽流量的影响较小。因此强制GV1指令，人为控制GV1开度，以1%的幅度逐渐开大GV1阀门( 指令变化范围 28% ～ 45% )，发现当GV1开大时，2X、2Y振动明显降低，但轴承温度逐渐升高; 强制GV1指令，人为控制GV1开度，以1%的幅度逐渐关小GV1阀门( 指令变化范围45%～ 28% )，发现当GV1关小时，2X、2Y 振动明显增大，但轴承温度逐渐降低。如果GV1开度相对较大，则对2号轴承振动幅度的抑制作用很明显，试验过程中GV1指令在45%，其他3个阀门指令均在25%时，2X振动最低降至76μm，2Y振动最低降至59μm，但是轴承温度却升高至76. 8℃ ，而且有继续上升的趋势。试验中也尝试着对GV4进行调整试验，通过增大GV4开度同样给转子向上托举的力，但发现在GV4手动开大的过程中，2X 轴振、2Y轴振出现明显的增大并出现图中的波峰，考虑到GV4伺服系统特性较好，未再对其进行调整。
经过反复的调整试验，认为正常带供热负荷运行中GV1在35%指令时，固定指令尽量使其保持在相对固定的开度，避免指令随负荷频繁改变时由于伺服系统迟缓率大引起GV1实际阀位随之频繁波动，同时使GV1相对于其他3个高调门保持在一个相对较高的开度，给转子一个向上托举的附加力使2号轴承承载减小，最小油膜厚度增大，这样相对可以将振动控制在较低范围之内，同时轴承温度也不至于升高过大。当机组带高负荷运行时将GV1指令自动放开，让GV1和其他几个调门同步开大进行负荷调整，根据阀门流量特性，GV1阀门在较高开度时，其下溜和拉回的小幅开度波动对进汽流量影响不大，因此对2号轴承振动产生的影响也较为微弱。
3、调整方案及运行注意事项
3.1、阀门控制方式的调整方案
经过对该机组进汽方式的上述调整试验，决定在机组具备检修条件对GV1伺服系统、汽机轴承及油档等进行检查处理之前，先在DEH控制系统中临时采取以下措施：
(1)将GV1阀门指令设定在35%到100%之间。(即单阀方式下高调门指令在35%以下时，GV1保持35%指令，当高调门指令在35%以上时，GV1和其它3个调门同时随机组负荷变化调整) 。
(2)当发生汽机103%超速或机组跳闸时，在安全油母管泄油的同时将GV1阀门指令清零。
3.2、阀门控制方式调整后运行注意事项
由于该机组为中压缸启动，机组启动挂闸后，主汽门和中主门自动全开，因此对GV1阀门控制方式进行上述调整后，提示运行人员注意以下情况：
(1)当机组运行中发生故障跳闸时，虽然安全油管失压使GV1阀门实际关闭，但一旦重新挂闸将跳闸信号复位后，GV1 会接收35%的指令重新开启，因此跳闸后运行人员应先联系热控人员将GV1指令解除上述限制后再重新挂闸，避免引起机组超速。
(2)当机组计划停机时，运行人员可提前通知热控人员将GV1指令解除限制，恢复上述临时措施，按照规程正常停机。停机后由检修人员对汽轮机调速系统和轴承油档进行彻底地检查处理。
4、阀门控制方式调整后的效果
2012年1月31日晚对GV1阀门控制方式采取上述临时调整措施后，2号轴承振动的情况如图7示。
图7 GV1控制方式调整后的振动趋势图
从这张时间长度为48h的趋势图可以看出，在2月1日22：00至2月3日22：00期间，机组负荷在160～292MW范围变化，GV1开度范围在32%～83%之间，其余三个调门开度在18%～83%之间随负荷变化进行调整，2号轴承振动间歇性波动的情况大大减少，同时振动的幅值也得到了有效抑制，2X轴振正常在90μm左右，最大值被控制在105μm以下，2Y轴振正常在80μm左右，最大值被控制在107μm以下，2号轴承温度也在正常范围之内变化。调整GV1阀门控制方式有效抑制了2号轴振的频繁间歇性波动，取得了很好的效果。
5、结语
针对该机组2号轴承振动频繁间歇性波动增大的问题，在机组不具备检修条件的情况下从DEH控制系统中采取临时性措施，对汽轮机进汽阀门的控制方式进行调整，有效抑制了轴振波动的频次和幅度，使机组安全平稳地度过了迎峰度冬保障供暖的特殊时期，并确保了机组在计划停机检修前的安全运行，是在机组运行中从热控专业角度采取措施抑制汽轮机轴承振动的一次成功尝试。后来在机组计划停机检修中，安排对GV1伺服阀阀体进行更换，由汽机专业技术人员对汽轮机2号轴承及油档积碳进行彻底检查，清理积碳并对油档实施气密封改进，从根本上解决了由于GV1迟缓率偏大和油档积碳导致2号轴承频繁间歇性振动的问题。
EH 油品质同伺服阀的寿命及DEH控制系统的稳定运行密切相关。今后我们还需要切实做好EH油及调速系统的运行和维护工作，一方面在检修中对伺服阀及滤网进行定期检查清洗或更换，并按规定进行阀门静态试验、迟缓率测试等试验; 另一方面在运行中要严格执行《DL /T571—2007电厂用磷酸酯抗燃油运行与维护导则》的要求，加强EH抗燃油的滤油和再生，并认真做好EH油油质定期化验监督工作，努力提高EH油等级并保持品质长期稳定。
