1 引言

      汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)對(duì)汽輪機(jī)安全起著重要的保障作用。作為汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)重要元件的主汽閥及調(diào)節(jié)閥由于工作溫度很高，其閥桿易發(fā)生蠕變變形和表皮氧化脫落，變形發(fā)展到一定程度后，卡澀力將增大到閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)（油動(dòng)機(jī)）的驅(qū)動(dòng)力以上，從而導(dǎo)致閥門卡死，使汽輪機(jī)失控。珠江電廠1臺(tái)300MW汽輪機(jī)超速到4200r/min就是一起典型的中壓調(diào)節(jié)閥閥桿卡澀而導(dǎo)致的機(jī)組事故。在機(jī)組運(yùn)行中定時(shí)檢查并及時(shí)發(fā)現(xiàn)閥桿卡澀對(duì)保障機(jī)組安全是非常重要的。在300MW、600MW 汽輪機(jī)上均設(shè)計(jì)了閥門在線試驗(yàn)的功能，在運(yùn)行規(guī)程中也規(guī)定了必須定時(shí)進(jìn)行閥門試驗(yàn)，以檢查閥門是否卡澀。但由于是否卡澀的判斷是靠運(yùn)行人員根據(jù)直接觀察作出的，因而常常只在卡澀很嚴(yán)重甚至卡死時(shí)才能發(fā)現(xiàn)，而在此之前卡澀已達(dá)到一定程度，潛伏了事故隱患。鑒于這種情況，開發(fā)一種能定量檢測(cè)閥桿卡澀程度的儀表是必要的。它將在卡澀力較小時(shí)就能檢測(cè)出其增長(zhǎng)趨勢(shì)，及早提醒運(yùn)行檢修人員采取對(duì)策，避免發(fā)生重大事故。

      目前上已報(bào)道的閥桿卡澀監(jiān)測(cè)方法是日本三菱公司提出的“伺服閥油壓監(jiān)測(cè)法”，其基本原理見圖1。根據(jù)單側(cè)伺服油缸動(dòng)力油壓p和油缸位移y（代表彈簧壓縮量）理論上具有線性關(guān)系的特點(diǎn)在實(shí)測(cè)（p，y）值對(duì)落在圖示陰影區(qū)內(nèi)（范圍根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定）時(shí)判斷為正常，實(shí)測(cè)（p，y）值對(duì)落在圖示陰影區(qū)外時(shí)判斷為卡澀。此方法原理簡(jiǎn)單易懂，但在實(shí)用中尚有很大不足：

      （1）理論上p-y特性本身包括了彈簧力和閥碟上的蒸汽力兩個(gè)因素，因而理想p-y關(guān)系線并非直線，并隨主蒸汽壓力的變化而變化，不是固定特性。汽輪機(jī)制造廠家有時(shí)也難以給出蒸汽力隨y變化的精確關(guān)系，因而作為判別基準(zhǔn)的p-y設(shè)計(jì)特性往往給不準(zhǔn)。為避免誤判斷，一般將正常范圍設(shè)置的較大，這也降低了監(jiān)測(cè)的靈敏度。

      （2）閥碟上的蒸汽力除閥前、后壓差平均產(chǎn)生的力以外，尚有瞬變的汽流力（脈動(dòng)量）。這樣在閥位y不變時(shí)，p就在一定的范圍內(nèi)脈動(dòng)，脈動(dòng)范圍隨工況變化，閥處于小開度節(jié)流區(qū)時(shí)，汽流脈動(dòng)大；閥處于大開度時(shí)，汽流脈動(dòng)小。其脈動(dòng)特性尚與閥座、閥碟的安裝情況、磨損情況密切相關(guān)，這進(jìn)一步增加了卡澀判斷的難度，易造成誤判。

      以上不足大大影響了其監(jiān)測(cè)方法的可靠性，因而研究更的方法勢(shì)在必行。

      2  閥桿受力數(shù)學(xué)模型

      2.1 模型的建立

      圖2為國(guó)產(chǎn)600MW汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥受力的示意圖。根據(jù)文^[1]可知其受力方程為

                        （1）

      式中m為滑閥的折合質(zhì)量；y為閥桿的位移；R_f 為作用在閥桿上的干摩擦力；K為彈簧的剛度；P為作用在滑閥活塞上的油壓力；A為滑閥活塞的面積；R_c 為作用在滑閥上的不可測(cè)噪聲力；R_n 為作用在滑閥上的不可測(cè)恒力，為：

      可表示為：

                 （2）

      式中f_c，f_s 分別為動(dòng)、靜摩擦力的大小。

      2.2 仿真研究

      利用上述模型，考慮汽輪機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行，在電網(wǎng)周波擾動(dòng)下參與1 次調(diào)頻，閥位在穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)附近作隨機(jī)波動(dòng)，根據(jù)文^[1]中的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型對(duì)其進(jìn)行仿真研究，以獲取閥桿卡澀的特征參數(shù)。

      在摩擦力為0（pu）（虛線）及0.8（pu）（實(shí)線）的油缸動(dòng)力油壓力p（pu）、位移y（pu）及發(fā)電機(jī)功率響應(yīng)曲線如圖3~5。

      從上述的仿真響應(yīng)曲線中可以得知，通過(guò)對(duì)位移及負(fù)荷變化的觀察很難得到有關(guān)閥桿卡澀的信息。而在此階段，卡澀已很嚴(yán)重，如不采取措施解決此問(wèn)題，摩擦力會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)，*終導(dǎo)致閥桿完全卡死，及汽輪機(jī)的不可控。而圖3油缸動(dòng)力油壓p的仿真曲線中，較明顯地反映出了閥桿卡澀的信息。如能將此閥桿卡澀信息分離出來(lái)，便可實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)，防止事故的發(fā)生。

      3 在線檢測(cè)算法及監(jiān)測(cè)儀表的研制

      3.1 卡澀辨識(shí)算法

      由于卡澀的直接原因是干摩擦，所以可以通過(guò)辨識(shí)干摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)卡澀故障的監(jiān)測(cè)。根據(jù)文^[1]提出的正交分解原理，對(duì)閥桿的力平衡方程（1）在Hibbert空間內(nèi)進(jìn)行正交分解，算符（A，B）表示A、B的內(nèi)積：

               （3）
                                 （4）
      有估計(jì)公式
                          （5）

      上述正交分解干摩擦估計(jì)算法在收斂性及精度上均優(yōu)于已有算法，限于篇幅不詳述。按式（5）進(jìn)行干摩擦估計(jì)的仿真結(jié)果見圖6（實(shí)線），由圖得知，式（5）雖能檢測(cè)到摩擦力的大小，但其收斂速度較慢，誤差大，不利于在線檢測(cè)。為了提高其收斂速度，可對(duì)去除彈簧力后的力平衡殘差進(jìn)行正交分解，得到式（5）的改進(jìn)公式為：

           （6）

      按式（6）進(jìn)行干摩擦力辨識(shí)仿真，得到圖6（虛線），從中可以看出，改進(jìn)后的估計(jì)公式具有收斂速度快，精度高的特點(diǎn)，有利于在線檢測(cè)，在閥門開度變化較小的情況下，摩擦力即可準(zhǔn)確地被檢測(cè)出來(lái)，靈敏度極高。

      3.2 卡澀監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)

      從摩擦力正交分解估計(jì)結(jié)果可以看出，通過(guò)油缸動(dòng)力油壓p及油缸運(yùn)動(dòng)速度dy/dt（可從y得到），可計(jì)算得到摩擦力的大小，由于卡澀力具有隨運(yùn)動(dòng)方向的變化而正負(fù)變號(hào)的特點(diǎn)，因而使得通過(guò)一定算法可將卡澀力與彈簧力、蒸汽力分離，這樣便可實(shí)現(xiàn)其在線檢測(cè)，據(jù)此原理研制了閥桿卡澀檢測(cè)儀，其結(jié)構(gòu)原理見圖7。

      4 結(jié)論

      本文以國(guó)產(chǎn)600MW機(jī)組閥桿卡澀問(wèn)題為例，利用正交分解的原理，推導(dǎo)出了摩擦力的計(jì)算公式，通過(guò)仿真研究提出了一種可以診斷汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)閥桿卡澀的方法，由于易于實(shí)現(xiàn)、算法計(jì)算量小、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，因而適用于在線檢測(cè)。用單片機(jī)制成了1臺(tái)診斷儀，實(shí)現(xiàn)了摩擦力在線監(jiān)測(cè)，為減少卡澀造成的調(diào)節(jié)系統(tǒng)事故，發(fā)揮了積極的作用。

      值得一提的是，文^[6]的作者針對(duì)液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)滑閥卡澀故障設(shè)計(jì)了一種單片機(jī)滑閥卡澀檢測(cè)儀，將本文提出的閥桿卡澀檢測(cè)儀和上述儀表進(jìn)行功能上的合并，形成功能更強(qiáng)的儀表。

原創(chuàng)作者：浙江金鋒自動(dòng)化儀表有限公司