300 MW汽輪機高壓主汽門卡澀原因分析

張文強，張耀宇

(遼寧華電鐵嶺發(fā)電有限公司，遼寧 鐵嶺 112000)

0 引言

遼寧華電鐵嶺發(fā)電限公司(以下簡稱鐵嶺發(fā)電公司)#1～#4汽輪機均是哈爾濱汽輪機廠引進美國西屋公司技術(shù)設(shè)計制造的反動式、單軸、雙缸雙排汽，高/中壓合缸、低壓缸分流、亞臨界一次中間再熱凝汽式汽輪機，型號為N300-16.7/537/537。每臺機組有2臺高壓主汽調(diào)節(jié)聯(lián)合閥，呈臥式布置。高壓主汽門是汽輪機用于快速切斷進汽，實現(xiàn)停機的保護裝置，高壓主汽門是防止汽輪機超速最關(guān)鍵的保護裝置。汽輪機一旦超速，容易造成汽輪機飛車、軸系斷裂和汽輪機報廢等嚴重事故，尤其對大型機組來說，其經(jīng)濟損失將會達到幾千萬甚至上億元;如果現(xiàn)場有人員，還會造成人身傷亡等惡性事故。在定期做機組主汽門活動試驗及停機過程中，4臺機組的高壓主汽門均出現(xiàn)卡澀現(xiàn)象，從而給機組的安全、穩(wěn)定運行帶來了重大隱患。從歷次造成高壓主汽門卡澀的原因來看，主要是熱工電信號或伺服閥故障及門桿的機械卡澀，以下就這2方面的問題加以分析。

1 熱工電信號或伺服閥故障

高壓主汽門的開啟采用高壓抗燃油提供動力，關(guān)閉閥門則由彈簧力來完成。高壓主汽門油動機的原理圖如圖1所示，從圖1中可以看出，通過截止閥及10 μm金屬網(wǎng)過濾器到油動機去的高壓油流至電-液轉(zhuǎn)換器控制，DEH閥位指令信號及LVDT位置反饋信號在伺服閥放大器上相加，得出一個位置信號誤差，伺服閥放大器控制電-液轉(zhuǎn)換器到相應(yīng)于此信號的位置上，以精確控制油動機及主汽閥的位置。電-液轉(zhuǎn)換器是一個由液壓控制的中心封閉的四通滑閥，其腔室內(nèi)部還設(shè)置有一組精密過濾器，電-液轉(zhuǎn)換器或是使高壓油進入油缸以打開主汽閥，或是從油缸中排出工作油使主汽門關(guān)閉?？焖傩逗砷y是由危急遮斷總管油壓控制的，起快速關(guān)閉主汽門的作用，此動作過程與電信號系統(tǒng)無關(guān)，快速卸荷閥還可以用作主汽門的手動關(guān)閉。

圖1 高壓主汽門油動機原理圖

從其工作原理的分析可知，熱工電信號或電-液轉(zhuǎn)換器故障是造成主汽門卡澀的主要原因。電-液轉(zhuǎn)換器對油質(zhì)的要求特別高，雙噴嘴擋板式電-液轉(zhuǎn)換器最小通流線性尺寸為0.025～0.050 mm，一般節(jié)流孔徑為0.46～0.80 mm。根據(jù)以上分析，合格的油質(zhì)可以避免電-液轉(zhuǎn)換器故障。因此，在抗燃油作業(yè)時，要保持環(huán)境清潔，密封件要定期更換避免老化;避免EH油局部過熱發(fā)生氧化或熱裂解而導(dǎo)致酸值增加或產(chǎn)生沉淀，增加顆粒污染;避免因溫度過高而使油的電阻率降低，以防電-液轉(zhuǎn)換器閥口的電化學(xué)腐蝕加劇。

2 門桿的機械卡澀

鐵嶺發(fā)電公司4臺300 MW汽輪機高壓主汽門卡澀，從原因上看，絕大部分都是由門桿的機械卡澀造成的;從時間上看，基本都在機組大修2年以后;從主汽門解體的情況來看(圖2為主汽門內(nèi)部示意圖，a處間隙要求為0.35～0.48 mm，b處間隙要求為0.25～0.33 mm)，門桿及門桿套、閥蝶及其外套(a處間隙)表面出現(xiàn)灰黑色(或灰白色)氧化皮，門桿及門桿套處氧化皮厚度約為0.13 mm，閥蝶及其外套(a處間隙)處氧化皮厚度約為0.24 mm，閥蝶處表面最為嚴重，最厚可達1mm，形如魚鱗狀，局部有鼓泡和脫落現(xiàn)象，沿整個圓柱面不均勻分布，閥蝶及其外套(a處間隙)由正常的0.35～0.48 mm變?yōu)?，從而導(dǎo)致主汽門卡澀。

圖2 主汽門內(nèi)部示意圖

氧化皮的產(chǎn)生主要與材質(zhì)高溫抗氧化性能及化學(xué)蒸汽品質(zhì)有關(guān)。氧化皮的生成是金屬在高溫水汽中發(fā)生氧化的結(jié)果，氧化所消耗的氧主要來源于水汽本身的結(jié)合氧，在金屬表面生成氧化皮。其化學(xué)方程式為

由此可見，提高材質(zhì)高溫抗氧化性能及化學(xué)蒸汽品質(zhì)可降低金屬氧化。鐵嶺發(fā)電公司主汽門桿的材料為2Cr12NiMoWV，表面滲氮處理，與之相配合的閥套材料為38CrMoAlA，表面滲氮處理，閥蝶材料為2Cr12NiMoWV。采用38CrMoAlA材質(zhì)的高溫抗氧化性能比2Cr12NiMoWV材質(zhì)性能差很多，故采用38CrMoAlA材質(zhì)部件氧化皮往往也是最厚的。為了提高其表面強度，主汽門上的幾種關(guān)鍵部件在制造時均做了氮化處理，金屬材料學(xué)的研究結(jié)果表明，高溫服役的金屬中C與N元素的含量與該金屬的抗高溫氧化性能成反比，在一定程度上降低了其抗高溫氧化的性能。

金屬的高溫氧化是較普遍的，比較均勻的氧化皮相當于鈍化層，可以提高金屬的抗氧化能力。在機組停機、啟動及負荷、溫度和壓力變化較大時，表面氧化皮(鈍化層)與原金屬的熱膨脹系數(shù)存在差異，在金屬發(fā)生較大的溫度變化時，金屬表面的氧化皮將會發(fā)生破裂，使氧化皮附著力下降，形成脫落，加速金屬的氧化。另外，多次脫落的氧化皮在門桿和門桿套間隙內(nèi)沉積一定程度后也能造成主汽門的卡澀。

3 解決辦法及預(yù)防措施

根據(jù)以上分析，若要防止主汽門卡澀事故的發(fā)生，需采取以下措施:

(1)抗燃油濾油機24 h運行，定期檢查抗燃油油質(zhì)，可以降低伺服閥的故障率。

(2)縮短高壓主汽門的檢修周期。在氧化皮的厚度還不足以造成主汽門卡澀時，抓住停機檢修的機會，徹底清除主汽門相關(guān)部件上的氧化皮，確保主汽門不卡澀及機組安全運行。

(3)高壓主汽門的門桿及閥蝶各間隙(即a，b值)盡量做到上限。

(4)建議將高壓主汽門抗高溫氧化能力較差的部件更換為具有更強抗高溫氧化能力材質(zhì)的部件。

(5)定期做主汽門的全行程活動試驗，以利于及早發(fā)現(xiàn)主汽門是否已卡澀。

(6)保證機組運行不超溫，盡量減緩機組溫度變化的速率。

(7)提高化學(xué)蒸汽品質(zhì)，盡量減少高壓加熱器、低壓加熱器及除氧器等設(shè)備的停運腐蝕。

4 結(jié)束語

高壓主汽門是防止汽輪機超速的最關(guān)鍵的保護裝置，它能夠在汽輪機組跳機或打閘停機時，迅速切斷進汽，防止飛車。而高壓主汽門卡澀是發(fā)電廠比較常見的問題，給機組的安全、穩(wěn)定運行帶來了重大隱患。通過分析300 MW汽輪機高壓主汽門卡澀的原因，找出有效解決辦法和預(yù)防措施，實施效果良好。

［1］吳季蘭.汽輪機設(shè)備及系統(tǒng)［M］.北京:中國電力出版社，1998.

［2］肖增弘，徐豐.汽輪機數(shù)字式電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)［M］.北京:中國電力出版社，2003.