1  概述

    上海高桥石化公司热电事业部共有六炉五机，其汽轮机均是由上海汽轮机有限公司生产的抽汽机组和背压机组，采用母管制方式运行，调节系统均为纯液压调节系统。2003年热电事业部与北京和利时系统工程股份有限公司（以下简称为和利时公司）合作，在机炉DCS系统改造的同时，对汽轮机组的液压调节、保安系统进行了DEH电液调节系统改造，其中，针对主汽阀的改造方案经历了多次的探索和研究。

2  改造前主汽阀的功能

   在高压汽轮机的纯液压调节系统中，主汽阀又称自动主汽门或自动关闭器，由操纵座、滑阀和阀体三部分组成，其主要作用是：
   (1)  机组冲转、升速、暖机过程中，通过操作手轮控制主汽阀内预启阀的开度，调节进入汽轮机的主蒸汽流量，手动开环控制汽轮机的转速，满足全速条件后，升速至2850rpm附近，转速再切换到由调速系统通过调节阀实现闭环自动控制，由手动将主汽阀开足。这是用主汽阀冲转的方式。另外也可以先将主汽阀开足，采用电动主闸门旁路门冲转。
   (2)  保障机组安全，当机组超速110%n₀后，保护（电气、机械）动作或其他停机保护动作打闸时，安全油压力失去，迅速关闭主汽阀和调节汽阀。主汽阀的全程关闭时间要求小于1秒。
   (3)  脱扣保护，当打闸后主汽阀关到零位，操纵座内活塞与罩盖脱开，活塞下部压力油通过其上部打开的小孔泄油，当挂闸复位后安全油压建立，主汽阀不会自动开出，必须将手轮关到零位，活塞上部小孔封闭，主汽阀才能继续开出。可防止误操作引起机组超速事故。

3  主汽阀的改造目标和存在的问题

    根据制造厂的规定，母管制运行的机组不宜采用调节汽阀冲转，以防止喷嘴局部进汽对汽缸加热不均匀，而造成温差过大，热应力超标。所以要求机组启动冲转时，全开调节汽阀，而用主汽阀中的预启阀启动冲转。

    对汽轮机组的调节保安系统进行DEH电液调节系统改造后，要求实现主汽阀的自动控制，主汽阀应当具备大范围的转速闭环控制功能，即能对机组启动时的暖机转速、暖机时间、升速率等进行准确平稳的自动控制。

    综上所述，主汽阀的改造目标如下：
    (1)  主汽阀由手动控制改为自动控制（技术指标为：转速控制范围：40～3600r/min，转速控制精度≤±1 r/min）；
    (2)  保留主汽阀原有的保护功能，一是当安全油失压后，快速关闭，二是当其打闸关闭后，必须经过重新挂闸，才能建立起安全油压；
    (3)  主汽阀内的预启阀应具有根据行程对蒸汽流量的平稳控制的功能，即其流量特性应近似线性；
    (4)  能够实现汽机跳闸后的快速挂闸。
    为了达到这个目标存在两个问题，一是主汽阀由手动控制改为自动控制，要有新的控制系统；二是主汽阀阀杆改造问题。

4  改造方案的对比和选择

    关于主汽阀阀杆改造问题比较简单，笔者将原来球形的预启阀型线改造为梨形的预启阀型线，预启阀座也配套更新，满足预启阀流量特性近似线性的要求。而阀杆其他尺寸保持不变，以确保与原部套通用。

    关于主汽阀的自动控制改造问题比较复杂，有以下三种改造方案。
    方案一：采用更换大部分的主汽阀阀芯部分的零部件，包括阀杆和预启阀座，取消原主汽阀操纵座，改用单侧进油的油动机，该油动机通过杠杆控制主汽阀阀杆的位移。
    方案二：采用伺服电机代替原主汽阀操纵座的手轮，来控制主汽阀阀杆的位移，从而控制机组转速。
    方案三：对原主汽阀操纵座实行局部改造，保留操纵座的筒体、活塞、弹簧等部件，作为单侧油动机使用，设计增加一套操纵座控制滑阀和一套安全油复位控制滑阀。

    三套方案的综合比较如表1所示。

表1  三套方案的综合比较

    方案二的伺服电机方案是早期老机组DEH改造中常用的方法，结构简单、容易实施，但有一显著缺点是很难实现跳闸后的快速挂闸，例如在做完撞击飞环的超速试验后，要求能进行快速挂闸，否则机组的转速会降得很低。而用伺服电机将主汽阀全行程关闭是不可能做到快速的。

    方案一的上汽改造方案是近几年DEH改造的常用方法，改造范围大，完全符合DEH改造的各项技术要求，但是由于市场供求形势的变化，其价格日趋昂贵，系统也很复杂。

    方案三正是在方案一无法实施的困难条件下，由和利时公司和上海高桥石化公司技术人员经过大胆创新，设计出的一套全新的改造方案。该方案满足了DEH改造的各项技术要求，而且其跳闸油路为冗余配置，安全性最好，价格适中。但新方案没有应用业绩，是否能成功有待验证。

5  改造方案简介

    新的主汽阀控制系统原理图如图1所示。为适应自动升速控制功能的需要，对主汽阀操纵座进行改造，更换部分零件，将手动控制改为自动控制。

图1  主汽阀控制系统原理图

    在主汽阀操纵座的活塞与罩盖间增加一弹簧，将原来带手轮传动的上盖去掉，更换一个带油缸的上盖，在无安全油压时罩盖将被弹簧弹起；安全油压建立时，在油压力作用下，罩盖被压下，脉动油即可控制活塞向上移动。

    增加一套主汽阀操纵座控制块（滑阀）。该滑阀由DDV阀控制，功能相当于单侧油动机的放大滑阀，把从电液转换器DDV阀来的脉动油控制信号放大，使得压力油转变为二次脉动油，去控制活塞的行程。活塞移动带动阀杆的移动，与阀杆相连的LVDT（行程发讯器）将实际的行程作为反馈信号输入DEH控制系统。另外还增加一套安全油复位控制滑阀，该滑阀由挂闸油（即复位油）控制。示意图如图1所示。设P₁为压力油，P₂为安全油，P₃为挂闸油，P_X为脉动油，S表示面积。当P₂?S₂>P₁?S₁，即安全油P₂大于0.55 P₁时，滑阀能保持自锁。安全油接通平衡油，作用于主汽阀操纵座上部的油缸；当安全油P₂小于0.55 P₁时，滑阀能跌落，不再自锁。安全油与平衡油均接通排油，使主汽阀操纵座上的罩盖被弹簧弹起。

    在执行挂闸操作时，挂闸油压力建立，P₃=P₁=1.2MPa，则：
    挂闸油的作用力F₃=P₃?S₃=738N，压力油的作用力F₁=P₁?S₁=420 N。

    F₃>F₁，可确保挂闸油克服压力油的阻力，将滑阀推至上部，然后挂闸油压力消失，但滑阀在安全油的作用下，已能保持自锁。

    上文所述其跳闸油路为冗余配置，正是指安全油复位控制滑阀和主汽阀操纵座控制块（滑阀）这两套油路。当机组保护系统发出跳闸信号后，AST电磁阀动作，泄去安全油压力，安全油复位控制滑阀跌落，平衡油接通排油，罩盖弹起，使活塞上部封油口打开并排油。同时DEH系统控制DDV阀复位，主汽阀操纵座控制块动作，使得二次脉动油接通排油。在两套油路共同作用下，确保主汽阀迅速关闭。

6  结论

    DEH系统改造结束后，委托华东电力试验研究院进行了机组调节系统性能试验。其中主汽阀关闭时间测试数据见表2。

表2  主汽阀关闭时间测试数据

    上述数据均小于1秒，符合制造厂标准，而且比改造前0.9秒左右的时间有明显改善，提高了机组的安全性。

    其他技术指标如转速控制范围、精度等，通过试验，均符合设计指标。这些试验和数据证明改造是成功的。

    在我国石化等行业的自备电厂、热电厂中，有着大量类似上海高桥石化公司的中、小型汽轮发电机组，该公司在DEH改造中主汽阀控制系统的技术创新的成功有着积极的推广意义，为以后的技术改造增加了一个经济、安全的选择方案。