汽輪機(jī)調(diào)速汽門油動(dòng)機(jī)缸壁磨損的治理

汪永久，林 森，李耀奇

(1．華能大連電廠，遼寧 大連 116100;2．遼寧東方發(fā)電有限公司，遼寧 撫順 113007)

隨著大容量機(jī)組自動(dòng)化水平的提高，人為控制機(jī)組能力越來越弱，必須保證機(jī)組控制系統(tǒng)在額定蒸汽參數(shù)下工作，維持汽輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速，且機(jī)組甩負(fù)荷后轉(zhuǎn)速要控制在危急保安器動(dòng)作值以下。

華能大連電廠1號、2號機(jī)組為日本三菱公司生產(chǎn)的TC2F－40型中間再熱、雙缸雙流凝汽式350 MW燃煤機(jī)組。該機(jī)組于1988年12月并網(wǎng)發(fā)電，至今已有18年，運(yùn)行中存在幾次因汽輪機(jī)控制油中含有雜質(zhì)導(dǎo)致主汽門、調(diào)速汽門油動(dòng)機(jī)卡澀問題，給機(jī)組安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來很大隱患。

1 汽輪機(jī)功頻電液控制的基本原理

工農(nóng)業(yè)發(fā)展對電力提出的要求越來越高，傳統(tǒng)液壓控制系統(tǒng)已不能適應(yīng)，需要采用更為復(fù)雜的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，目前國內(nèi)大多數(shù)大功率汽輪機(jī)控制系統(tǒng)采用電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

為提高汽輪機(jī)適應(yīng)負(fù)荷能力，通常采用功頻電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，測速、測功、PI調(diào)節(jié)器和功率放大器等為電子元件，其它為液壓元件(見圖1)。

圖1 功頻電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理

當(dāng)汽輪機(jī)由于負(fù)荷減少導(dǎo)致轉(zhuǎn)速上升時(shí)，測速元件輸出電壓升高，此電壓信號經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器變換和功率放大器放大后，輸入至電液轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為液壓信號。推動(dòng)元件油動(dòng)機(jī)關(guān)小調(diào)速汽門，減少汽輪機(jī)功率。功率減小后，測功元件輸出電壓降低，抵消了轉(zhuǎn)速增大時(shí)升高的電壓，因此系統(tǒng)為負(fù)反饋信號。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到新平衡工況時(shí)，測功元件輸出電壓變化完全抵消了測速元件輸出電壓的改變，油動(dòng)機(jī)及其它元件均穩(wěn)定在新工作位置上，汽輪機(jī)在新工況下保持穩(wěn)定運(yùn)行。功頻電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)見圖2。

汽輪機(jī)調(diào)速汽門是汽輪機(jī)控制的關(guān)鍵部件。其動(dòng)作是否靈活、平滑，將直接影響汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速及負(fù)荷控制。為保證機(jī)組轉(zhuǎn)速和負(fù)荷控制平穩(wěn) (不發(fā)生大擺動(dòng))，在機(jī)組動(dòng)靜態(tài)調(diào)試時(shí)，將各調(diào)速汽門按順序開啟時(shí)設(shè)定一定重疊度。

當(dāng)調(diào)速汽門逐漸開啟時(shí)，進(jìn)汽量G隨著閥門開度L的開大而增加，當(dāng)調(diào)速汽門開啟到一定程度后，由于調(diào)速汽門前后壓差減小，流量增加緩慢。如果某一調(diào)速汽門全開后再開下一個(gè)，幾個(gè)調(diào)速汽門聯(lián)合生成的特性線會出現(xiàn)階梯，此時(shí)階梯段閥門失去調(diào)節(jié)功能，其開度增加但流量幾乎不變，從而引起機(jī)組轉(zhuǎn)速或負(fù)荷擺動(dòng)，因此調(diào)速汽門必須有一定重疊度 (約10%)。圖3為調(diào)速汽門重疊度曲線。

2 調(diào)速系統(tǒng)存在問題分析

當(dāng)機(jī)組升負(fù)荷信號經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器放大和功率放大器變換后，輸入至電液轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為油壓增大信號，調(diào)速汽門接收到信號后，快速響應(yīng)并緩慢增大開度，使機(jī)組負(fù)荷加大。2008年5月16日，華能大連電廠1號、2號機(jī)組在升負(fù)荷指令發(fā)出過程中，調(diào)速汽門響應(yīng)嚴(yán)重遲緩，只有當(dāng)控制油壓增大到一定程度后，才做出響應(yīng)并加大開度，使機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)30 MW左右。

為解決此問題，利用檢修機(jī)會對調(diào)速汽門及油動(dòng)機(jī)進(jìn)行解體，發(fā)現(xiàn)油動(dòng)機(jī)內(nèi)缸壁被活塞脹圈磨損。磨損寬度為40 mm左右 (調(diào)速汽門經(jīng)常工作區(qū))，設(shè)計(jì)直徑為200 mm，磨損部位直徑為201.4 mm，增大了1.4 mm。因此油動(dòng)機(jī)在磨損與未磨損部位交界處卡澀。油動(dòng)機(jī)內(nèi)缸壁磨損有以下幾點(diǎn)原因。

a． 調(diào)速汽門油動(dòng)機(jī)全工作區(qū)域?yàn)?～248 mm。由于汽輪機(jī)長期在230～250 MW負(fù)荷區(qū)間運(yùn)行，對應(yīng)調(diào)速汽門油動(dòng)機(jī)開度區(qū)域?yàn)?10～150 mm，油動(dòng)機(jī)活塞脹圈始終工作在此區(qū)域，造成油動(dòng)機(jī)缸壁在40 mm區(qū)域內(nèi)被活塞脹圈長期磨損而使缸壁直徑增大1.4 mm。

b． 油動(dòng)機(jī)缸體母材為SCMnH11，硬度 (HB)為220，而油動(dòng)機(jī)活塞脹圈材質(zhì)為HT28－48，硬度 (HB)為270。活塞脹圈硬度比油動(dòng)機(jī)內(nèi)缸壁高，因此油動(dòng)機(jī)缸體被活塞脹圈磨損。

顯然這種設(shè)計(jì)不合理，因?yàn)橛蛣?dòng)機(jī)缸體屬于設(shè)備，設(shè)備磨損更換困難且費(fèi)用昂貴，而活塞脹圈屬于易損件容易更換。

3 油動(dòng)機(jī)內(nèi)缸壁磨損治理措施

3.1 設(shè)計(jì)鑲內(nèi)套方法

采用設(shè)計(jì)加工鑲內(nèi)套辦法，解決油動(dòng)機(jī)缸體磨損問題。將油動(dòng)機(jī)內(nèi)缸壁由200mm擴(kuò)大到208mm，鑲?cè)雰?nèi)套尺寸為208 mm×200 mm。所鑲內(nèi)套材質(zhì)為38CrMoAl，且表面進(jìn)行氮化處理，硬度 (HB)為320，這樣油動(dòng)機(jī)缸體比活塞脹圈硬度 (HB為270)高，油動(dòng)機(jī)缸體磨損大大減輕，即使長時(shí)間磨損，也可更換內(nèi)套，簡單且費(fèi)用低。

3.2 鑲內(nèi)套的工藝要求

a． 材料的選用。由于油動(dòng)機(jī)缸壁材料為鑄鋼，HB為200左右［1］。油動(dòng)機(jī)脹圈屬于易更換部件，但缸體造價(jià)昂貴，屬于經(jīng)久耐用件，因此油動(dòng)機(jī)缸壁需有較高抗磨能力，鑲?cè)雰?nèi)套材料應(yīng)具備較好熱處理性能及表面滲氮性能，以提高抗磨能力，并具有較好高溫定性性能，防止變形。

b． 工藝要求。鑲?cè)雰?nèi)套選用38CrMoAl材質(zhì)，調(diào)質(zhì)后表面滲氮48 h后處理，過盈裝配后在端部氬弧焊接，并用專用設(shè)備對新鑲?cè)雰?nèi)套進(jìn)行研磨使其達(dá)到要求公差度及光潔度［2］。

3.3 強(qiáng)度計(jì)算

改造前油動(dòng)機(jī)內(nèi)徑為D0=200 mm，壁厚t1=24 mm，D1=212 mm，工作油壓為P=2.1 MPa，那么油動(dòng)機(jī)缸壁所受徑向應(yīng)力:

油動(dòng)機(jī)缸壁所受軸向應(yīng)力:

改造后油動(dòng)機(jī)內(nèi)徑D0=208 mm，壁厚為t2=20 mm，D2=218 mm，工作油壓P=2.1 MPa，那么油動(dòng)機(jī)缸壁所受徑向應(yīng)力:

油動(dòng)機(jī)缸壁所受軸向應(yīng)力:

油動(dòng)機(jī)缸體材質(zhì)為SCMnH11，為鑄鋼結(jié)構(gòu)，屬于脆性材料，則:

式中，σb=52 MPa［3］;脆性鑄鋼斷裂安全系數(shù)nb為 4.0［2］。

經(jīng)過強(qiáng)度計(jì)算，鑲?cè)雰?nèi)套改造的油動(dòng)機(jī)缸壁完全滿足強(qiáng)度要求，改造工藝過程也滿足油動(dòng)機(jī)使用性能需求。

4 經(jīng)濟(jì)效益

華能大連電廠一期2臺350 MW機(jī)組調(diào)速汽門油動(dòng)機(jī)缸體經(jīng)過鑲?cè)雰?nèi)套改造安裝調(diào)試后，調(diào)速汽門油壓開度曲線平滑，機(jī)組轉(zhuǎn)速及負(fù)荷控制穩(wěn)定，徹底解決了油動(dòng)機(jī)卡澀問題。

改造后的油動(dòng)機(jī)缸體，在強(qiáng)度、材料使用、外形尺寸、使用性能等方面都滿足改造前油動(dòng)機(jī)技術(shù)工藝要求。

油動(dòng)機(jī)缸體改造從2008年6月至今，已有3年半時(shí)間，小修時(shí)對油動(dòng)機(jī)缸體進(jìn)行了解體檢查，未見磨損現(xiàn)象，使用效果良好，說明改造效果較好，僅此一項(xiàng)就節(jié)約進(jìn)口備件費(fèi)用約300多萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

［1］ 劉鳴放．金屬材料力學(xué)性能手冊［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010．

［2］ 盧玉明．機(jī)械零件的可靠性設(shè)計(jì)［M］．北京:高等教育出版社，1989．

［3］ 機(jī)械工程師編委．機(jī)械工程師手冊 (第二版)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000．