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1  概述

    上海高橋石化公司熱電事業(yè)部共有六爐五機，其汽輪機均是由上海汽輪機有限公司生產的抽汽機組和背壓機組，采用母管制方式運行，調節(jié)系統均為純液壓調節(jié)系統。2003年熱電事業(yè)部與北京和利時系統工程股份有限公司（以下簡稱為和利時公司）合作，在機爐DCS系統改造的同時，對汽輪機組的液壓調節(jié)、保安系統進行了DEH電液調節(jié)系統改造，其中，針對主汽閥的改造方案經歷了多次的探索和研究。

2  改造前主汽閥的功能

   在高壓汽輪機的純液壓調節(jié)系統中，主汽閥又稱自動主汽門或自動關閉器，由操縱座、滑閥和閥體三部分組成，其主要作用是：
   (1)  機組沖轉、升速、暖機過程中，通過操作手輪控制主汽閥內預啟閥的開度，調節(jié)進入汽輪機的主蒸汽流量，手動開環(huán)控制汽輪機的轉速，滿足全速條件后，升速至2850rpm附近，轉速再切換到由調速系統通過調節(jié)閥實現閉環(huán)自動控制，由手動將主汽閥開足。這是用主汽閥沖轉的方式。另外也可以先將主汽閥開足，采用電動主閘門旁路門沖轉。
   (2)  保障機組安全，當機組超速110%n₀后，保護（電氣、機械）動作或其他停機保護動作打閘時，安全油壓力失去，迅速關閉主汽閥和調節(jié)汽閥。主汽閥的全程關閉時間要求小于1秒。
   (3)  脫扣保護，當打閘后主汽閥關到零位，操縱座內活塞與罩蓋脫開，活塞下部壓力油通過其上部打開的小孔泄油，當掛閘復位后安全油壓建立，主汽閥不會自動開出，必須將手輪關到零位，活塞上部小孔封閉，主汽閥才能繼續(xù)開出。可防止誤操作引起機組超速事故。

3  主汽閥的改造目標和存在的問題

    根據制造廠的規(guī)定，母管制運行的機組不宜采用調節(jié)汽閥沖轉，以防止噴嘴局部進汽對汽缸加熱不均勻，而造成溫差過大，熱應力超標。所以要求機組啟動沖轉時，全開調節(jié)汽閥，而用主汽閥中的預啟閥啟動沖轉。

    對汽輪機組的調節(jié)保安系統進行DEH電液調節(jié)系統改造后，要求實現主汽閥的自動控制，主汽閥應當具備大范圍的轉速閉環(huán)控制功能，即能對機組啟動時的暖機轉速、暖機時間、升速率等進行準確平穩(wěn)的自動控制。

    綜上所述，主汽閥的改造目標如下：
    (1)  主汽閥由手動控制改為自動控制（技術指標為：轉速控制范圍：40～3600r/min，轉速控制精度≤±1 r/min）；
    (2)  保留主汽閥原有的保護功能，一是當安全油失壓后，快速關閉，二是當其打閘關閉后，必須經過重新掛閘，才能建立起安全油壓；
    (3)  主汽閥內的預啟閥應具有根據行程對蒸汽流量的平穩(wěn)控制的功能，即其流量特性應近似線性；
    (4)  能夠實現汽機跳閘后的快速掛閘。
    為了達到這個目標存在兩個問題，一是主汽閥由手動控制改為自動控制，要有新的控制系統；二是主汽閥閥桿改造問題。

4  改造方案的對比和選擇

    關于主汽閥閥桿改造問題比較簡單，筆者將原來球形的預啟閥型線改造為梨形的預啟閥型線，預啟閥座也配套更新，滿足預啟閥流量特性近似線性的要求。而閥桿其他尺寸保持不變，以確保與原部套通用。

    關于主汽閥的自動控制改造問題比較復雜，有以下三種改造方案。
    方案一：采用更換大部分的主汽閥閥芯部分的零部件，包括閥桿和預啟閥座，取消原主汽閥操縱座，改用單側進油的油動機，該油動機通過杠桿控制主汽閥閥桿的位移。
    方案二：采用伺服電機代替原主汽閥操縱座的手輪，來控制主汽閥閥桿的位移，從而控制機組轉速。
    方案三：對原主汽閥操縱座實行局部改造，保留操縱座的筒體、活塞、彈簧等部件，作為單側油動機使用，設計增加一套操縱座控制滑閥和一套安全油復位控制滑閥。

    三套方案的綜合比較如表1所示。

表1  三套方案的綜合比較

    方案二的伺服電機方案是早期老機組DEH改造中常用的方法，結構簡單、容易實施，但有一顯著缺點是很難實現跳閘后的快速掛閘，例如在做完撞擊飛環(huán)的超速試驗后，要求能進行快速掛閘，否則機組的轉速會降得很低。而用伺服電機將主汽閥全行程關閉是不可能做到快速的。

    方案一的上汽改造方案是近幾年DEH改造的常用方法，改造范圍大，完全符合DEH改造的各項技術要求，但是由于市場供求形勢的變化，其價格日趨昂貴，系統也很復雜。

    方案三正是在方案一無法實施的困難條件下，由和利時公司和上海高橋石化公司技術人員經過大膽創(chuàng)新，設計出的一套全新的改造方案。該方案滿足了DEH改造的各項技術要求，而且其跳閘油路為冗余配置，安全性最好，價格適中。但新方案沒有應用業(yè)績，是否能成功有待驗證。

5  改造方案簡介

    新的主汽閥控制系統原理圖如圖1所示。為適應自動升速控制功能的需要，對主汽閥操縱座進行改造，更換部分零件，將手動控制改為自動控制。

圖1  主汽閥控制系統原理圖

    在主汽閥操縱座的活塞與罩蓋間增加一彈簧，將原來帶手輪傳動的上蓋去掉，更換一個帶油缸的上蓋，在無安全油壓時罩蓋將被彈簧彈起；安全油壓建立時，在油壓力作用下，罩蓋被壓下，脈動油即可控制活塞向上移動。

    增加一套主汽閥操縱座控制塊（滑閥）。該滑閥由DDV閥控制，功能相當于單側油動機的放大滑閥，把從電液轉換器DDV閥來的脈動油控制信號放大，使得壓力油轉變?yōu)槎蚊}動油，去控制活塞的行程。活塞移動帶動閥桿的移動，與閥桿相連的LVDT（行程發(fā)訊器）將實際的行程作為反饋信號輸入DEH控制系統。另外還增加一套安全油復位控制滑閥，該滑閥由掛閘油（即復位油）控制。示意圖如圖1所示。設P₁為壓力油，P₂為安全油，P₃為掛閘油，P_X為脈動油，S表示面積。當P₂?S₂>P₁?S₁，即安全油P₂大于0.55 P₁時，滑閥能保持自鎖。安全油接通平衡油，作用于主汽閥操縱座上部的油缸；當安全油P₂小于0.55 P₁時，滑閥能跌落，不再自鎖。安全油與平衡油均接通排油，使主汽閥操縱座上的罩蓋被彈簧彈起。

    在執(zhí)行掛閘操作時，掛閘油壓力建立，P₃=P₁=1.2MPa，則：
    掛閘油的作用力F₃=P₃?S₃=738N，壓力油的作用力F₁=P₁?S₁=420 N。

    F₃>F₁，可確保掛閘油克服壓力油的阻力，將滑閥推至上部，然后掛閘油壓力消失，但滑閥在安全油的作用下，已能保持自鎖。

    上文所述其跳閘油路為冗余配置，正是指安全油復位控制滑閥和主汽閥操縱座控制塊（滑閥）這兩套油路。當機組保護系統發(fā)出跳閘信號后，AST電磁閥動作，泄去安全油壓力，安全油復位控制滑閥跌落，平衡油接通排油，罩蓋彈起，使活塞上部封油口打開并排油。同時DEH系統控制DDV閥復位，主汽閥操縱座控制塊動作，使得二次脈動油接通排油。在兩套油路共同作用下，確保主汽閥迅速關閉。

6  結論

    DEH系統改造結束后，委托華東電力試驗研究院進行了機組調節(jié)系統性能試驗。其中主汽閥關閉時間測試數據見表2。

表2  主汽閥關閉時間測試數據

    上述數據均小于1秒，符合制造廠標準，而且比改造前0.9秒左右的時間有明顯改善，提高了機組的安全性。

    其他技術指標如轉速控制范圍、精度等，通過試驗，均符合設計指標。這些試驗和數據證明改造是成功的。

    在我國石化等行業(yè)的自備電廠、熱電廠中，有著大量類似上海高橋石化公司的中、小型汽輪發(fā)電機組，該公司在DEH改造中主汽閥控制系統的技術創(chuàng)新的成功有著積極的推廣意義，為以后的技術改造增加了一個經濟、安全的選擇方案。