1 引言 汽輪機調(diào)速系統(tǒng)對汽輪機**起著重要的保障作用。作為汽輪機調(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)行機構(gòu)（油動機）的*大驅(qū)動力以上，從而導(dǎo)致閥門卡死，使汽輪機失控。珠江電廠1臺300MW汽輪機超速到4200r/min就是一起典型的中壓調(diào)節(jié)閥閥桿卡澀而導(dǎo)致的機組事故。在機組運行中定時檢查并及時發(fā)現(xiàn)閥桿卡澀對保障機組**是非常重要的。在300MW、600MW汽輪機上均設(shè)計了閥門在線試驗的功能，在運行規(guī)程中也規(guī)定了必須定時進行閥門試驗，以檢查閥門是否卡澀。但由于是否卡澀的判斷是靠運行人員根據(jù)直接觀察作出的，因而常常只在卡澀很嚴重甚至卡死時才能發(fā)現(xiàn)，而在此之前卡澀已達到一定程度，潛伏了事故隱患。鑒于這種情況，開發(fā)一種能定量檢測閥桿卡澀程度的儀表是必要的。它將在卡澀力較小時就能檢測出其增長趨勢，及早提醒運行檢修人員采取對策，避免發(fā)生重大事故。
目前國際上**已報道的閥桿卡澀監(jiān)測方法是日本三菱公司提出的“伺服閥油壓監(jiān)測法”，其基本原理見圖1。根據(jù)單側(cè)伺服油缸動力油壓p和油缸位移y（代表彈簧壓縮量）理論上具有線性關(guān)系的特點在實測（p，y）值對落在圖示陰影區(qū)內(nèi)（范圍根據(jù)實際情況設(shè)定）時判斷為正常，實測（p，y）值對落在圖示陰影區(qū)外時判斷為卡澀。此方法原理簡單易懂，但在實用中尚有很大不足：
（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。汽輪機制造廠家有時也難以給出蒸汽力隨y變化的**關(guān)系，因而作為判別基準的p-y設(shè)計特性往往給不準。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（脈動量）。這樣在閥位y不變時，p就在一定的范圍內(nèi)脈動，脈動范圍隨工況變化，閥處于小開度節(jié)流區(qū)時，汽流脈動大；閥處于大開度時，汽流脈動小。其脈動特性尚與閥座、閥碟的安裝情況、磨損情況密切相關(guān)，這進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)測方法的可靠性，因而研究更先進的方法勢在必行。
2 閥桿受力數(shù)學(xué)模型
2.1 模型的建立
圖2為國產(chǎn)600MW汽輪機調(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；Rf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；Rc為作用在滑閥上的不可測噪聲力；Rn 為作用在滑閥上的不可測恒力，為：
可表示為：
（2）
式中fc，fs 分別為動、靜摩擦力的大小。
2.2 仿真研究
利用上述模型，考慮汽輪機并網(wǎng)運行，在電網(wǎng)周波擾動下參與1次調(diào)頻，閥位在穩(wěn)態(tài)工況點附近作隨機波動，根據(jù)文[1]中的汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型對其進行仿真研究，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）（實線）的油缸動力油壓力p（pu）、位移y（pu）及發(fā)電機功率響應(yīng)曲線如圖3~5。
從上述的仿真響應(yīng)曲線中可以得知，通過對位移及負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，卡澀已很嚴重，如不采取措施解決此問題，摩擦力會繼續(xù)增長，*終導(dǎo)致閥桿完全卡死，及汽輪機的不可控。而圖3油缸動力油壓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，便可實現(xiàn)在線檢測，防止事故的發(fā)生。
3 在線檢測算法及監(jiān)測儀表的研制
3.1 卡澀辨識算法
由于卡澀的直接原因是干摩擦，所以可以通過辨識干摩擦力來實現(xiàn)卡澀故障的監(jiān)測。根據(jù)文[1]提出的正交分解原理，對閥桿的力平衡方程（1）在Hibbert空間內(nèi)進行正交分解，算符（A，B）表示A、B的內(nèi)積：
（3）
（4）
有估計公式
（5）
上述正交分解干摩擦估計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）進行干摩擦估計的仿真結(jié)果見圖6（實線），由圖得知，式（5）雖能檢測到摩擦力的大小，但其收斂速度較慢，誤差大，不利于在線檢測。為了提高其收斂速度，可對去除彈簧力后的力平衡殘差進行正交分解，得到式（5）的改進公式為：
（6）
按式（6）進行干摩擦力辨識仿真，得到圖6（虛線），從中可以看出，改進后的估計公式具有收斂速度快，精度高的特點，有利于在線檢測，在閥門開度變化較小的情況下，摩擦力即可準確地被檢測出來，靈敏度極高。
3.2 卡澀監(jiān)測儀的設(shè)計
從摩擦力正交分解估計結(jié)果可以看出，通過油缸動力油壓p及油缸運動速度dy/dt（可從y得到），可計算得到摩擦力的大小，由于卡澀力具有隨運動方向的變化而正負變號的特點，因而使得通過一定算法可將卡澀力與彈簧力、蒸汽力分離，這樣便可實現(xiàn)其在線檢測，據(jù)此原理研制了閥桿卡澀檢測儀，其結(jié)構(gòu)原理見圖7。
4 結(jié)論
本文以國產(chǎn)600MW機組閥桿卡澀問題為例，利用正交分解的原理，推導(dǎo)出了摩擦力的計算公式，通過仿真研究提出了一種可以診斷汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)閥桿卡澀的方法，由于易于實現(xiàn)、算法計算量小、實時性強，因而適用于在線檢測。用單片機制成了1臺診斷儀，實現(xiàn)了摩擦力在線監(jiān)測，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]的作者針對液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)滑閥卡澀故障設(shè)計了一種單片機滑閥卡澀檢測儀，將本文提出的閥桿卡澀檢測儀和上述儀表進行功能上的合并，形成功能更強的儀表。