超臨界630MW機(jī)組主機(jī)配汽系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究與應(yīng)用

劉飛 楊艷妃

【摘 要】本文以某廠的汽輪機(jī)為例，通過(guò)進(jìn)行科學(xué)的計(jì)算與分析之后，來(lái)找出設(shè)備機(jī)構(gòu)所存在的問(wèn)題，并針對(duì)這些問(wèn)題，提出相應(yīng)的解決對(duì)策，來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備機(jī)構(gòu)的優(yōu)化，經(jīng)實(shí)施后上述隱患得到徹底消除，極大地提高了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性與運(yùn)行可靠性。

【關(guān)鍵詞】超臨界630MW機(jī)組；主機(jī)配汽系統(tǒng)；設(shè)備結(jié)構(gòu)；優(yōu)化

在本文中，以某廠汽輪機(jī)為國(guó)產(chǎn)首批超臨界G30MW等級(jí)機(jī)組為例展開(kāi)研究。其中，配汽系統(tǒng)為高壓主汽調(diào)節(jié)聯(lián)合閥殼是一個(gè)整體合金鋼鍛件，機(jī)組裝有兩個(gè)高壓主汽調(diào)節(jié)聯(lián)合閥，分別位于高中壓缸兩側(cè)，每個(gè)主汽調(diào)節(jié)聯(lián)合閥包括一個(gè)水平安裝的主汽閥和兩個(gè)相同的垂直安裝的調(diào)節(jié)閥。這些閥門的開(kāi)度均由各自的油動(dòng)機(jī)來(lái)控制，油動(dòng)機(jī)由數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)控制。

一、超臨界630MW機(jī)組主機(jī)配汽系統(tǒng)設(shè)備概述

（1）設(shè)備簡(jiǎn)介

在設(shè)備中，其汽輪機(jī)所配置的主汽門及高壓調(diào)節(jié)汽門，都是引國(guó)內(nèi)進(jìn)美國(guó)西屋公司技術(shù)設(shè)計(jì)的高壓聯(lián)合汽門，布置于13.7米運(yùn)轉(zhuǎn)層高中壓缸的兩側(cè)，為臥式布置的聯(lián)合主汽門閥體組件。高壓聯(lián)合汽門由三個(gè)彈簧支架支撐，允許其能在各個(gè)方向自由地?zé)崤蛎?。高調(diào)門主要由閥殼、閥蓋、閥桿、閥蝶、導(dǎo)向套、閥桿套、油動(dòng)機(jī)、彈簧座、聯(lián)軸節(jié)、LVDT組件、伺服閥、伺服卡等組成。高調(diào)門閥桿與油動(dòng)機(jī)活塞桿由套筒型式聯(lián)軸節(jié)連接，聯(lián)軸節(jié)與閥桿采用螺紋連接，并加裝防轉(zhuǎn)銷防轉(zhuǎn)。

（2）設(shè)備運(yùn)行情況

在進(jìn)行了投產(chǎn)運(yùn)行之后，該機(jī)組的高壓聯(lián)合汽門，多次出現(xiàn)故障問(wèn)題，影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，主要故障如下：（l）主汽門門桿斷裂，機(jī)組停運(yùn)；（2）主汽門預(yù)啟閥卡澀，導(dǎo)致主門無(wú)法正常關(guān)閉；（3）高壓調(diào)節(jié)汽門閥座脫出，導(dǎo)致高調(diào)門無(wú)法正常操作；（4）高壓調(diào)節(jié)汽門聯(lián)軸節(jié)與閥桿防轉(zhuǎn)銷斷裂，聯(lián)軸節(jié)與閥桿螺紋磨損松脫，無(wú)法正常操作[1]。

二、超臨界630MW機(jī)組主機(jī)配汽系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化及應(yīng)用

（1）主汽門桿斷裂原因分析及應(yīng)用

①主汽門門桿斷裂原因分析

電廠將斷裂閥桿送至權(quán)威機(jī)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)行金相分析，對(duì)斷裂的主汽門門桿來(lái)樣進(jìn)行宏觀檢查，對(duì)斷口進(jìn)行掃描電鏡檢查，分析其主要元素成分，進(jìn)行硬度檢測(cè)，在相關(guān)部位取樣，進(jìn)行常溫力學(xué)性能試驗(yàn)，觀察金相組織。閥桿使用的GH901合金在正常的固溶、時(shí)效處理后，少量的碳化物和金屬間化合物及微量的夾雜物，可在550一650℃下長(zhǎng)期工作。只有在較高的工作溫度（650一1100）和使用應(yīng)力作用下長(zhǎng)期工作。所以在566℃的工作溫度下，不會(huì)形成有害的刃和Laves相。即使在566℃長(zhǎng)期（13000h）使用，形成少量的Laves相，也因溫度較低，其形態(tài)呈顆粒狀，對(duì)使用性能影響較小。切取斷口清洗去除氧化膜后，在掃描電鏡下觀察，看到裂紋起源于螺紋底部，高倍下裂源處有小缺口和韌窩形貌，在裂源附近螺紋底部的表面有細(xì)小的裂紋存在。結(jié)論如下：①主汽門門桿的材料符合GH901高溫合金牌號(hào)要求，常溫為學(xué)性能符合要求[2]。②門桿圓柱表面經(jīng)氮化處理，由于長(zhǎng)期在高溫下運(yùn)行外表面形成一層氧化膜，而螺紋斷裂部位未經(jīng)氮化處理。③主汽門門桿的斷裂是由于螺紋底部表面存在細(xì)小缺陷，受到拉伸應(yīng)為而產(chǎn)生小裂口，然后隨工作應(yīng)為的變化而緩慢的向內(nèi)擴(kuò)展，使缺陷處產(chǎn)生應(yīng)為集中，出現(xiàn)晶粒滑移和微裂紋，最終導(dǎo)致門桿的斷裂。

②故障處理與應(yīng)用

第一、更換新門桿，要求表面進(jìn)行氮化處理，新更換的閥桿使用前進(jìn)行仔細(xì)檢查，表面應(yīng)光潔無(wú)損防。第二、修定主汽門檢修文件包，補(bǔ)充完善主汽門門桿及高壓調(diào)門門桿金屬檢驗(yàn)項(xiàng)目。第三、利用檢修機(jī)會(huì)對(duì)同批次閥桿進(jìn)行檢測(cè)。

（2）主汽門卡澀原因分析及應(yīng)用

①主汽門卡澀故障原因分析

第一、汽門長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中未進(jìn)行全行程活動(dòng)試驗(yàn)，閥桿與主閥套筒間附著結(jié)垢物堆積，造成閥桿與主閥套筒局部卡澀。第二、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，閥桿和閥碟套筒表面氧化層增厚，導(dǎo)致閥桿與閥碟套筒間隙偏小。第三、蒸氣通過(guò)節(jié)流孔進(jìn)入預(yù)啟閥，再通過(guò)閥桿和套筒間隙進(jìn)入閥桿漏汽管，蒸氣參數(shù)逐級(jí)降低，蒸氣攜帶雜質(zhì)和析出物在閥桿和閥碟套筒間隙較小處沉積結(jié)垢。

②故障處理及應(yīng)用

第一、對(duì)原主閥碟換型，選用配備預(yù)啟閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化的新型閥碟，該閥碟凡爾線接觸直徑、外型尺寸公差、總長(zhǎng)度尺寸公差均完全相同優(yōu)化后預(yù)啟閥在全開(kāi)行程的進(jìn)汽流量不小于改造前預(yù)啟閥全開(kāi)時(shí)的進(jìn)汽流量。第二、機(jī)組運(yùn)行期間，主汽門每月不少于一次全行程活動(dòng)試驗(yàn)。第三、機(jī)組檢修期間，對(duì)主汽門閥芯進(jìn)行解體，清理閥桿和閥碟套筒表面氧化皮及積垢，保持間隙在上限值。

（3）高壓調(diào)節(jié)汽門閥座脫出原因分析及應(yīng)用

①高壓調(diào)節(jié)汽門閥座脫出原因分析

第一、在高調(diào)門調(diào)節(jié)過(guò)程中，閥芯頻繁開(kāi)關(guān)動(dòng)作，產(chǎn)生汽流激振，對(duì)閥座產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)向上合為，導(dǎo)致閥座向上運(yùn)動(dòng)，最終使閥座從閥體中脫落。第二、由于預(yù)緊狀態(tài)下，原子位置變化，晶格畸變，當(dāng)閥座長(zhǎng)期在高溫下工作時(shí)，原子的活性增加，原子位置的調(diào)整導(dǎo)致金屬產(chǎn)生蠕變，蠕變的速度與材料特性、工作溫度、應(yīng)為大小有關(guān)，蠕變的結(jié)果導(dǎo)致預(yù)緊應(yīng)為松弛，閥座和閥體的配合緊為在高溫下釋放、減小，閥座易于從閥體中脫落。第三、原設(shè)計(jì)閥座緊為不足，無(wú)法滿足閥門長(zhǎng)期運(yùn)行要求。

②故障處理及應(yīng)用

第一、機(jī)組運(yùn)行期間，嚴(yán)格控制故障閥門的開(kāi)度，減少對(duì)故障閥座的沖擊，避免缺陷進(jìn)一步劣化。第二、機(jī)組檢修期間，將兩臺(tái)高壓聯(lián)合汽門切割返廠檢修，更換新型閥座，新閥座改進(jìn)情況：a.閥座材料由原12Cr2Mo變更為X10CrMoNb9，從而提高其抗高溫性能，f咸少熱應(yīng)為變形；B.閥座與閥體的配合部分長(zhǎng)度在原設(shè)計(jì)上加長(zhǎng)30mm；C.閥座與閥體配合緊為由原設(shè)計(jì)的0.19-0.23mm提高至0.25一0.3Omm。

三、結(jié)語(yǔ)

總而言之，國(guó)產(chǎn)引進(jìn)型聯(lián)合閥門因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、使用參數(shù)、制造加工水平等原因，導(dǎo)致實(shí)際使用時(shí)存在不同程度的缺陷。隨著對(duì)此類設(shè)備認(rèn)知水平的不斷提高，逐步明確了缺陷產(chǎn)生的機(jī)理，及時(shí)采取了科學(xué)有效地治理方案并進(jìn)行了有效實(shí)施。

【參考文獻(xiàn)】

[1]謝旭陽(yáng). 西屋引進(jìn)型超臨界600MW汽輪機(jī)組整體性能優(yōu)化節(jié)能技術(shù)研究與應(yīng)用[D].山東大學(xué)，2014.

[2]唐廣通. 超臨界直接空冷機(jī)組調(diào)試期關(guān)鍵問(wèn)題改進(jìn)研究[D].華北電力大學(xué)，2014.