淺談1000MW超超臨界火電機(jī)組中低壓旁路閥內(nèi)漏問題的優(yōu)化改造

雷鵬　張守文　史振谷　李培宇

摘要：汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)是與汽輪機(jī)并聯(lián)的蒸汽減溫減壓系統(tǒng)，主要由旁路蒸汽管道、閥門、控制系統(tǒng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，其作用是將鍋爐產(chǎn)生的蒸汽不經(jīng)過汽輪機(jī)而引到下一級壓力和溫度的蒸汽管道或直接引入凝汽器。文章介紹了1000MW超超臨界火電機(jī)組中低壓旁路閥內(nèi)漏問題的優(yōu)化改造情況和使用效果。

關(guān)鍵詞：超超臨界火電機(jī)組；低壓旁路閥；內(nèi)漏問題；優(yōu)化改造；汽輪機(jī)旁路系統(tǒng) 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TK223 文章編號：1009-2374（2016）21-0023-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.21.011

1 概述

某1000MW超超臨界火力機(jī)組的低壓旁路閥采用CCI公司生產(chǎn)的NBSE60-500-2閥門。自2006年機(jī)組陸續(xù)投運(yùn)以來，4臺機(jī)組的低旁閥逐漸出現(xiàn)內(nèi)漏，經(jīng)多次檢修后始終無法徹底解決重新啟機(jī)后的低旁閥內(nèi)漏問題。本文以此為契機(jī)，展開分析與改造。

低旁閥要想達(dá)到理想的使用效果安裝是非常重要的，閥門安裝垂直布置，最利于維護(hù)、檢修工作。一般情況，其他布置也可以，但必須和生產(chǎn)廠家協(xié)商確定。

入口管（自流通蒸汽管的歧管和低旁閥入口之間）必須確保凝結(jié)水能流回流通蒸汽管，從而避免凝結(jié)水導(dǎo)致的熱震動。必須避免水袋。若做不到，管段必須裝備具備充分能力和壓差的恒動作排水設(shè)施。為避免噪音和震動，建議直接在閥門的上游安裝一段長度為內(nèi)徑5～10倍長的直管線，應(yīng)避免在閥門入口附近安裝帶兩個(gè)位于不同平面的肘的S-彎管。若設(shè)計(jì)中包括幾段通用管的旁路閥歧管，必須進(jìn)行測量，以消除不期望的回聲導(dǎo)致的入口管中的壓力震蕩。閥門應(yīng)預(yù)熱到流通蒸汽溫度下約50℃（最大100℃），若閥門與HRH（熱預(yù)熱器）間距超過2米，必須單獨(dú)安裝一段連接到閥門入口的預(yù)熱管。旁路閥因具有良好的緊密性，因此不再需要額外的上游隔離閥。

出水管應(yīng)避免在閥門下游出口管上升。由于凝結(jié)水聚集，管上升有形成水袋的危險(xiǎn)。高旁閥行程開時(shí)，易造成嚴(yán)重水擊并引起破壞。

若上升管不可避免，必須裝配開排水設(shè)備。若不能裝開排水設(shè)備，必須裝配可靠的恒動作排水設(shè)備，一個(gè)用于凝結(jié)水積聚的小裝置和集成到啟動序列的大裝置。

旁路閥的外力和力矩閥門必須自由掛在管上。它們不能有固定點(diǎn)，若閥體比與其連接的管直，則管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)正確，例如各種閥門噴嘴的管段模具必須比連接管大。若該條件實(shí)現(xiàn)，閥體能不失真地傳送外力和力矩，不會有削弱閥門可操作性的不良效果。

閥門可接觸性、拆卸對于旁路閥，建議在閥門上面和四周留有足夠的空間以便于檢修。液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)在伺服閥和液壓泵之間的泄露管中不允許有靜態(tài)壓力，否則會加重伺服閥的壓力。

降低噪音措施直接在閥門下游裝配一段至少長為5xI.D.（最小2m）的厚壁直管段，內(nèi)徑盡可能符合尺寸圖所示的閥門出口噴嘴內(nèi)徑。若直管段緊挨肘，我們建議張開直管段的下游以提供錐形過渡段，同時(shí)裝配一個(gè)直徑擴(kuò)大的肘以降低蒸汽速度。

2 低旁閥概述

2.1 低旁閥的結(jié)構(gòu)

低旁閥采用上閥籠籠罩導(dǎo)向、平衡式閥芯設(shè)計(jì)，閥座下游為整流式下閥籠，閥后為線性彈簧式噴嘴，閥門采用先減壓、后減溫的方式達(dá)到減溫減壓的效果?，F(xiàn)場閥門采取的是下進(jìn)側(cè)出的管道布局。在低旁出口管道進(jìn)入冷凝器前安裝有三級噴水減溫器。

2.2 低旁閥的作用

因?yàn)榈团匀墱p溫是低旁動作后自動開啟的，其作用是當(dāng)?shù)团蚤_啟時(shí)，降低低旁排入凝汽器蒸汽溫度，從而保護(hù)凝汽器和防止熱汽返回低壓缸使低壓缸過熱。而產(chǎn)生內(nèi)漏的危害因?yàn)榈团院蟮恼羝侨ツ鞯?，如果低旁減溫門后溫度高，說明有高溫蒸汽進(jìn)入凝汽器，可能會造成凝汽器銅管脹口泄漏，同時(shí)還說明低旁調(diào)整門內(nèi)漏，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性差，因此如何改善低旁閥可靠性是我們追求的目標(biāo)。

3 低旁閥內(nèi)漏原因分析

3.1 低旁閥內(nèi)漏現(xiàn)狀

從解體后的低旁閥閥芯、閥座和閥籠的損傷部位來看，基本都是位于閥門開度在25%以內(nèi)的沖蝕痕跡，雖然引起閥門內(nèi)漏的原因有很多，但是根據(jù)我們的調(diào)研和用戶反映的實(shí)際情況分析，密封面受到濕蒸汽沖蝕和小開度閥門喉頸部位的局部蒸汽流速過高是引起低旁閥內(nèi)漏的一個(gè)主要原因。

3.2 內(nèi)漏原因分析

3.2.1 初步分析。在閥門開啟過程中，由于蒸汽的過熱度太低，蒸汽中混合著大量的水汽，濕蒸汽通過籠罩上的開孔流道對閥芯斜面密封面產(chǎn)生的沖蝕，引起閥芯密封面的最初損傷，造成閥門關(guān)閉不嚴(yán)。在機(jī)組啟動完成后，低旁閥全關(guān)，由于已經(jīng)在閥芯密封面上形成了微創(chuàng)傷，在相應(yīng)的損傷位置就會泄漏，而泄漏產(chǎn)生的高速流既會加劇閥芯和閥籠的損傷，同時(shí)又會在閥座密封面上形成損傷。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)分析。針對沖刷閥芯凹坑處，我們利用11x和500x的電子顯微成像圖分析，得出的結(jié)果是水沖蝕造成的閥芯凹坑。

閥門實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)分析：

在啟動階段低旁閥開度設(shè)置為10%左右，可以觀察到綠色曲線的入口蒸汽溫度遠(yuǎn)低于紅色曲線蒸汽飽和溫度，持續(xù)時(shí)間約為2小時(shí)，此時(shí)機(jī)組處于小容積流量、真空運(yùn)行工況，進(jìn)入閥門的蒸汽里含有大量的水分，濕蒸汽的含水量超過20%，經(jīng)過籠罩節(jié)流孔后迎面對著閥芯的傾斜密封面流向閥座下游，由于閥后的壓力為真空負(fù)壓以及閥座的喉頸縮口，濕蒸汽在經(jīng)過閥籠節(jié)流孔出口和閥芯間隙時(shí)，蒸汽流速是瞬間上升的，在閥籠和閥芯的間隙中容易形成渦流，高速濕蒸汽中的水滴分子正對閥芯密封面斜角沖刷，這樣對閥芯的斜角密封面破壞會比較大。由于蒸汽流順流向閥座下游流出，所以對閥芯的底平面幾乎沒有任何影響。低旁閥閥內(nèi)件的損傷是明顯的水蝕損傷，閥籠、閥芯和閥座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無法防止水蝕破壞，所以造成每次閥門檢修完畢，機(jī)組啟動運(yùn)行后不到半年，低旁閥的內(nèi)漏嚴(yán)重的問題再次出現(xiàn)。

4 低旁閥的優(yōu)化改造

針對上述引起低旁閥內(nèi)漏的主要原因，設(shè)計(jì)測算對閥芯和閥座密封面進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)改造，將閥芯和閥座升級為防沖蝕結(jié)構(gòu)但不影響閥門的基本流量特性。防沖蝕密封結(jié)構(gòu)的實(shí)質(zhì)是改變閥芯密封面與氣流方向的相對位置。

原閥芯密封面與閥門中心線呈30°角，密封面正對籠罩上的開孔，蒸汽流以與密封面成60°的夾角沖擊密封面，對密封面造成損傷，但是我們發(fā)現(xiàn)與氣流方向平行的閥芯底部平面絲毫未受損傷。

將密封面做成與氣流方向平行，密封面也就不會被沖蝕，而為了提高安全系數(shù)，將密封面設(shè)計(jì)成向內(nèi)傾斜一個(gè)角度，在閥門開度較小的時(shí)候，使?jié)裾羝鹘?jīng)過閥籠和閥芯的間隙折一次方向，再經(jīng)過閥芯底部再次折向，可以有效降低蒸汽的瞬間流速，配合閥芯密封面的改動，閥座密封面改成往外凸出。改造后閥門仍保持線密封或狹窄的面密封如圖2所示：

改造前后閥芯受高速氣流沖蝕狀態(tài)對比如圖3所示：左圖為改造前的結(jié)構(gòu)，閥芯密封面剛好為迎流面，蒸汽流直接沖到閥芯密封面上，可造成密封面的直接沖蝕；右圖為改造后的結(jié)構(gòu)，由于密封面不再是迎流面，而是向內(nèi)傾斜，氣流不會直接沖蝕密封面。

5 改造后低旁閥的特點(diǎn)

（1）改造需要更換新的閥芯/閥桿組件以及新的閥座或者在原閥芯/閥桿組件上做結(jié)構(gòu)修改，閥門密封件尺寸維持不變，但重新組裝閥門時(shí)需要更換新密封件；（2）閥門籠罩維持不變，無需進(jìn)行更換；（3）閥門的行程維持不變，閥芯和閥座上的堆焊層以及表面硬化處理均維持不變；（4）結(jié)構(gòu)的緊湊性。新的密封面結(jié)構(gòu)雖然比原結(jié)構(gòu)占據(jù)了較大的空間，在設(shè)計(jì)上仍較好地保持了結(jié)構(gòu)的緊湊性；（5）閥座喉徑尺寸縮小量控制在原設(shè)計(jì)的裕度范圍內(nèi)。閥座喉徑作為閥門的重要尺寸，其大小直接影響閥門總的流通能力，過度縮小還會引發(fā)其他問題，如高頻震動、噪聲等；（6）改造設(shè)計(jì)閥座喉徑只縮小約5mm，通常閥門設(shè)計(jì)會留有10%的裕度，閥門的總流通能力幾乎不受到影響，蒸汽的流速略有上升，但仍在允許范圍內(nèi)，不會引發(fā)震動或噪音問題。

NBSE60-500-2低旁閥原閥座喉徑為279mm，改造后喉徑為274mm，其流通面積縮小3.5%。如果按縮小25mm計(jì)算，流通面積將縮小17.1%。同樣流量的情況下，流速與流通面積成反比。閥門廠家的設(shè)計(jì)含有10%的裕度，喉徑縮小5mm仍在裕度范圍內(nèi)，而縮小25mm則超過了閥門的設(shè)計(jì)裕度。

6 關(guān)于密封面的角度問題

（1）為了更好地保護(hù)密封面免受汽流得沖蝕，密封面設(shè)計(jì)成以一個(gè)小角度向內(nèi)傾斜；（2）在滿足強(qiáng)度要求的前提下盡可能做到結(jié)構(gòu)緊湊。閥門在關(guān)閉時(shí)閥芯對閥座作用了一個(gè)向下的推力（關(guān)閉力），閥芯密封面角度越平坦，其產(chǎn)生的徑向分力越小，反之則越大。為了滿足強(qiáng)度需要，徑向分力越大，閥座的寬度也必須越大，結(jié)構(gòu)就不再緊湊；（3）密封面越是平坦對閥門安裝時(shí)的同心度要求越低，這對于所有閥門來說都是有利的，因?yàn)殚y內(nèi)件對中不佳往往也是引起閥門泄漏的一個(gè)重要原因，這對于水平安裝的閥門來說尤其有利，因?yàn)樗桨惭b的閥門由于受到重力作用，其閥內(nèi)件的對中會受到較大影響。

經(jīng)上述方案改造后，低壓旁路閥可以避免汽流對閥芯密封面的直接沖蝕，從而避免閥芯密封面的初始損傷，可以極大地提高閥門密封的耐用周期。

7 結(jié)語

某電廠對于1000MW超超臨界機(jī)組低壓旁路閥內(nèi)漏問題的優(yōu)化改造特別重視，經(jīng)過不斷的探索和實(shí)踐，低旁閥的改造工作已經(jīng)取得了較大的成功，目前該電廠的#4機(jī)組低壓旁路閥內(nèi)漏問題已經(jīng)徹底得到解決。此技改對國內(nèi)1000MW超超臨界機(jī)組中低壓旁路閥內(nèi)漏優(yōu)化治理工作，具有一定的借鑒和參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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[3] 哈爾濱汽輪機(jī)廠.1000MW超超臨界機(jī)組高、低壓汽機(jī)旁路[S].

作者簡介：雷鵬（1975-），男，河南鶴壁人，華能玉環(huán)電廠工程師，研究方向：閥門。

（責(zé)任編輯：蔣建華）