1 引言 汽輪機調速系統對汽輪機**起著重要的保障作用。作為汽輪機調速系統重要元件的主汽閥及調節閥由于工作溫度很高，其閥桿易發生蠕變變形和表皮氧化脫落，變形發展到一定程度后，卡澀力將增大到閥門執行機構（油動機）的*大驅動力以上，從而導致閥門卡死，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節閥閥桿卡澀而導致的機組事故。在機組運行中定時檢查并及時發現閥桿卡澀對保障機組**是非常重要的。在300MW、600MW汽輪機上均設計了閥門在線試驗的功能，在運行規程中也規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現，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，避免發生重大事故。
目前國際上**已報道的閥桿卡澀監測方法是日本三菱公司提出的“伺服閥油壓監測法”，其基本原理見圖1。根據單側伺服油缸動力油壓p和油缸位移y（代表彈簧壓縮量）理論上具有線性關系的特點在實測（p，y）值對落在圖示陰影區內（范圍根據實際情況設定）時判斷為正常，實測（p，y）值對落在圖示陰影區外時判斷為卡澀。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**關系，因而作為判別基準的p-y設計特性往往給不準。為避免誤判斷，一般將正常范圍設置的較大，這也降低了監測的靈敏度。
（2）閥碟上的蒸汽力除閥前、后壓差平均產生的力以外，尚有瞬變的汽流力（脈動量）。這樣在閥位y不變時，p就在一定的范圍內脈動，脈動范圍隨工況變化，閥處于小開度節流區時，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，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 閥桿受力數學模型
2.1 模型的建立
圖2為國產600MW汽輪機調節閥受力的示意圖。根據文[1]可知其受力方程為
（1）
式中m為滑閥的折合質量；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，考慮汽輪機并網運行，在電網周波擾動下參與1次調頻，閥位在穩態工況點附近作隨機波動，根據文[1]中的汽輪機調節系統模型對其進行仿真研究，以獲取閥桿卡澀的特征參數。
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）及發電機功率響應曲線如圖3~5。
從上述的仿真響應曲線中可以得知，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，摩擦力會繼續增長，*終導致閥桿完全卡死，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，便可實現在線檢測，防止事故的發生。
3 在線檢測算法及監測儀表的研制
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卡澀故障的監測。根據文[1]提出的正交分解原理，對閥桿的力平衡方程（1）在Hibbert空間內進行正交分解，算符（A，B）表示A、B的內積：
（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 卡澀監測儀的設計
從摩擦力正交分解估計結果可以看出，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，這樣便可實現其在線檢測，據此原理研制了閥桿卡澀檢測儀，其結構原理見圖7。
4 結論
本文以國產600MW機組閥桿卡澀問題為例，利用正交分解的原理，推導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節系統閥桿卡澀的方法，由于易于實現、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，實現了摩擦力在線監測，為減少卡澀造成的調節系統事故，發揮了積極的作用。
值得一提的是，文[6]的作者針對液壓調節系統滑閥卡澀故障設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。