640 MW超臨界機(jī)組汽輪機(jī)高壓旁路閥內(nèi)漏的改造及經(jīng)濟(jì)性分析

李 恒，李軍輝

(河北西柏坡發(fā)電有限責(zé)任公司，石家莊 050400)

0 引 言

高壓旁路閥(簡稱高旁)是汽輪機(jī)高中壓缸聯(lián)合啟動(dòng)，正常停機(jī)及事故處理的關(guān)鍵閥門，高旁長期運(yùn)行在比較惡劣的環(huán)境中，閥前處于主蒸汽的高溫、高壓區(qū)域，閥后為冷段再熱管道，閥前與閥后運(yùn)行參數(shù)差距較大，當(dāng)閥門開啟瞬間或者不嚴(yán)密時(shí)，閥芯承受高溫高壓蒸汽沖刷，造成閥門內(nèi)漏，為減少新蒸汽損失，避免循環(huán)效率下降，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)高旁轉(zhuǎn)換閥必須具有良好的嚴(yán)密性[1]。

文中針對某電廠640 MW超臨界機(jī)組高旁內(nèi)漏日益嚴(yán)重的問題展開分析，確定了高旁內(nèi)漏的原因，提出了改造方案并加以實(shí)施，解決了高旁內(nèi)漏問題，提高了機(jī)組效率，降低了煤耗，保證了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 高壓旁路閥的作用及現(xiàn)狀

1.1 高壓旁路閥的主要作用

(1)改善機(jī)組的啟動(dòng)性能：機(jī)組在各種工況下(冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)和極熱態(tài))用中壓缸啟動(dòng)時(shí)，投入旁路系統(tǒng)控制鍋爐蒸汽溫度使之與汽機(jī)汽缸金屬溫度較快地相匹配，從而縮短機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間和減少蒸汽向空排放，減少汽機(jī)循環(huán)壽命損耗，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的最佳啟動(dòng)。

(2)機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，高壓旁路裝置具有超壓安全保護(hù)的功能:一旦主蒸汽壓力超過高壓旁路裝置的設(shè)定值，高壓旁路閥快速開啟，并按照機(jī)組主蒸汽壓力進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，直到恢復(fù)正常值。

(3)回收工質(zhì)，減少噪音:機(jī)組啟動(dòng)過程中，鍋爐蒸發(fā)量大于汽機(jī)消耗量，在符合突降和甩負(fù)荷時(shí)，有大量蒸汽需要排出，多余的蒸汽若直接排在大氣中，不僅損失了工質(zhì)，而且對環(huán)境有很大的噪音污染，設(shè)置旁路系統(tǒng)，達(dá)到回收工質(zhì)和消除噪聲的目的[2]。

1.2 高壓旁路構(gòu)造現(xiàn)狀

某機(jī)組高壓旁路閥為進(jìn)口CCI產(chǎn)品，型號(hào)是HBSE160-250，閥門由閥芯閥桿組件、閥座、閥籠、閥蓋及密封件等組成,具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高旁結(jié)構(gòu)圖

高旁內(nèi)漏使得本應(yīng)該進(jìn)入汽輪機(jī)做工的部分蒸汽沒能參與汽輪機(jī)高壓缸的做功，浪費(fèi)了高品質(zhì)蒸汽，使得機(jī)組效率降低，煤耗升高，而且高旁內(nèi)漏還會(huì)使閥后管道溫度居高不下(400 ℃以上)，威脅機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行[3]，因此高旁內(nèi)漏問題急需解決。

2 高壓旁路閥內(nèi)漏的原因分析

通過解體某電廠高旁閥內(nèi)件及底口，并對閥內(nèi)件的間隙測量和行程校對，分析得出此電廠高旁內(nèi)漏的主要原因有以下兩點(diǎn)：

(1)高旁采用平衡式結(jié)構(gòu)，由于平衡閥芯上下腔通過貫穿閥芯的通孔相連，以此來平衡壓力，這種閥的優(yōu)點(diǎn)是執(zhí)行器所需驅(qū)動(dòng)力小，開關(guān)靈活，但是缺點(diǎn)就是閥門平衡密封圈一旦磨損就會(huì)導(dǎo)致閥門內(nèi)漏量逐漸增大，閥門泄露等級(jí)較低，存在本質(zhì)上的內(nèi)漏因素。

閥桿和流量套筒之間采用可以壓縮的石墨密封圈，在開始的時(shí)候壓緊密封嚴(yán)密，隨著來回動(dòng)作，會(huì)使密封圈磨損，當(dāng)機(jī)組啟停次數(shù)多時(shí)，就會(huì)造成間隙超標(biāo)影響密封性能，導(dǎo)致閥門從石墨密封圈間隙竄入閥芯上部從平衡孔直接進(jìn)入閥后，直接導(dǎo)致閥體內(nèi)漏。

(2)由于限位桿(如圖2所示)連接部分出現(xiàn)松動(dòng)或行程調(diào)節(jié)時(shí)零位標(biāo)記錯(cuò)誤，導(dǎo)致閥門反饋出現(xiàn)負(fù)偏差，控制邏輯認(rèn)為閥門過關(guān)(實(shí)際零位)，開啟閥門導(dǎo)致閥門過流。

圖2 高旁限位桿松動(dòng)圖

從機(jī)組啟動(dòng)后高旁閥后溫度曲線(如圖3所示)可以看到閥后溫度達(dá)到450 ℃，經(jīng)過排查，閥門回裝并調(diào)整行程后在閥門啟閉過程中由于限位桿連接部分出現(xiàn)松動(dòng)導(dǎo)致閥門反饋出現(xiàn)負(fù)偏差，執(zhí)行機(jī)構(gòu)認(rèn)為閥位在零位以下，所以開始執(zhí)行自動(dòng)調(diào)整將閥桿向上抬，恢復(fù)零位。此時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)所認(rèn)為的零位實(shí)際是有開度的，因此閥門并未完全關(guān)閉，導(dǎo)致蒸汽過流、閥后溫度驟升。

圖3 高旁閥后溫度曲線

3 改進(jìn)方案的制定及實(shí)施效果

3.1 高旁采用預(yù)啟閥芯

高旁閥芯結(jié)構(gòu)主要分為平衡閥芯及非平衡閥芯。平衡閥芯上下腔通過貫穿閥芯的通孔相連，以此來平衡壓力，如圖4所示；非平衡閥芯則是選用預(yù)啟閥芯的結(jié)構(gòu)，并將平衡密封圈更換為導(dǎo)向脹圈，只起導(dǎo)向而不起密封作用，如圖5所示。

圖4 平衡閥芯結(jié)構(gòu)圖圖

圖5 非平衡式閥芯結(jié)構(gòu)

針對平衡閥芯和不平衡閥芯的優(yōu)缺點(diǎn)，選用預(yù)啟閥芯的結(jié)構(gòu)解決內(nèi)漏。預(yù)啟閥主閥是主要的控制介質(zhì)元件，其內(nèi)部設(shè)置一個(gè)小預(yù)啟閥，通常情況下，主閥內(nèi)件的蝶形彈簧將大、小閥芯推開，此時(shí)閥芯上下腔室是連通的，即為平衡閥，所需執(zhí)行力很?。划?dāng)閥門需要關(guān)閉時(shí)，主閥芯作為一個(gè)平衡閥首先接觸底座，隨后預(yù)啟閥芯壓縮蝶簧再與小閥座接觸密封，這樣原平衡閥芯就變成了非平衡閥芯，上腔的壓力對閥芯產(chǎn)生巨大推力，促使閥門關(guān)閉的更嚴(yán)密，預(yù)啟閥芯結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是運(yùn)行時(shí)為平衡閥芯，驅(qū)動(dòng)力小，關(guān)閉時(shí)變?yōu)榉瞧胶忾y芯，關(guān)斷嚴(yán)密。

3.2 調(diào)整高旁零位

高旁以及類似氣動(dòng)閥門檢修結(jié)束后調(diào)整行程完畢后請熱工調(diào)試人員手動(dòng)測試關(guān)位，保持氣缸向下作用力最大時(shí)閥桿不再向下活動(dòng)才可確認(rèn)零位；高旁以及類似氣動(dòng)閥門檢修結(jié)束后調(diào)整行程時(shí)，在確定關(guān)位后務(wù)必將行程顯示調(diào)整為3%-4%開度，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)始終認(rèn)為閥門未完全關(guān)閉到位，下氣缸始終保持排氣狀態(tài)而上氣缸保持進(jìn)氣狀態(tài)，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)始終保持對閥桿向下的關(guān)力。

3.3 實(shí)施效果

改造方案的具體實(shí)施，2018年8月21日，對某電廠640 MW超臨界機(jī)組高旁閥進(jìn)行了改進(jìn)方案的實(shí)施工作，改造前后高旁閥后溫度曲線如圖6-7所示。

圖6 改造前高旁閥后溫度曲線

圖7 改造后高旁閥后溫度曲線

經(jīng)過效果確認(rèn)，高旁多次開關(guān)閥后溫度一直穩(wěn)定在250 ℃左右，在標(biāo)準(zhǔn)限值(280 ℃)以下，證明改造方案是有效可行的，成功消除了高旁內(nèi)漏的問題，也為同類機(jī)組高旁內(nèi)漏問題的解決提供了有效參考。

4 高旁改造經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 高旁內(nèi)漏的定量分析

根據(jù)等效熱降的概念[4]，當(dāng)機(jī)組高壓旁路系統(tǒng)無泄漏時(shí)，1kg新蒸汽凈等效熱降為：

(1)

單位工質(zhì)的循環(huán)吸熱量為：

Q=(h0-hfw)+αrhσ

(2)

汽輪機(jī)裝置效率：

(3)

式中，h0為新蒸汽焓，kJ/kg；σ為1 kg蒸汽的再熱吸熱量，kJ/kg；hc為汽輪機(jī)排汽焓，kJ/kg；τr為第r級(jí)加熱器的給水焓升，kJ/kg；η0為汽輪機(jī)第r級(jí)抽汽的效率；z為汽輪機(jī)回?zé)岢槠?jí)數(shù)；∑∏為附加成分做功損失，kJ/kg；hfw為鍋爐給水焓，kJ/kg；αrh為再熱蒸汽份額。

當(dāng)高旁壓力調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)新蒸汽小泄漏但尚未導(dǎo)致噴水減溫時(shí)，由于給水和凝結(jié)水量均未發(fā)生變化，汽輪機(jī)各級(jí)抽汽份額不受影響。泄漏的新蒸汽節(jié)流后匯入再熱冷段，再熱蒸汽份額也不變。因此αLkg的新蒸汽泄漏導(dǎo)致汽輪機(jī)高壓缸做功的減少為：

ΔH=αL(h0-hrhc)

(4)

式中，hrhc為再熱冷段蒸汽焓，kJ/kg。

此時(shí)，鍋爐蒸發(fā)吸熱量不變，而再熱吸熱量變化為αLkg節(jié)流后新蒸汽的再熱吸熱量與(αrh-αL)kg的高缸排汽的再熱吸熱量之和，機(jī)組循環(huán)吸熱量減少了：

ΔQ=αL(h0-hrhc)

(5)

相對于高旁無泄漏時(shí)，汽輪機(jī)裝置效率的相對變化為：

(6)

4.2 經(jīng)濟(jì)性計(jì)算

利用上述理論公式對某640 MW機(jī)組進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，該640 MW機(jī)組和高旁系統(tǒng)的主要參數(shù)見表1-2。

表1 機(jī)組的主要參數(shù)

表2 高壓旁路的主要參數(shù)

當(dāng)高旁壓力調(diào)節(jié)閥蒸汽泄漏量為主汽流量的1%時(shí)，對機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性影響見表3，機(jī)組效率降低0.15%。

表3 高旁壓力調(diào)節(jié)閥泄漏的熱經(jīng)濟(jì)性影響

按照640 MW機(jī)組煤耗300 g/kW·h計(jì)算，當(dāng)?shù)?按電廠采進(jìn)煤價(jià))約為720元/t，640 MW發(fā)電機(jī)組年負(fù)荷率約為74%左右，每年發(fā)電250天計(jì)算，則節(jié)省費(fèi)用：

640 000×300×24×74%×250×0.165%×720/1 000 000≈101.28萬元

每臺(tái)640 MW機(jī)組高旁轉(zhuǎn)換閥改造費(fèi)用約為94萬元，則機(jī)組運(yùn)行一年即可收回改造成本，并在以后將對機(jī)組運(yùn)行效益和安全穩(wěn)定性持續(xù)改善。

5 結(jié)束語

文中分析了高旁閥內(nèi)漏的原因析，提出并實(shí)施了改造預(yù)啟閥結(jié)構(gòu)、調(diào)整高旁行程反饋的方案，實(shí)踐證明，方案十分有效。改造后高旁閥密封嚴(yán)密，閥后溫度(約250 ℃)降到標(biāo)準(zhǔn)值以下，達(dá)到了改造的預(yù)期目的，方案可以在同類機(jī)組上作為參考和依據(jù)。

應(yīng)用等效焓降法分析了改造前后機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性，改造后汽輪機(jī)裝置效率增加0.165%，年節(jié)省煤價(jià)成本費(fèi)用為121.53萬元，經(jīng)濟(jì)效果顯著，回收期短。因此，本改造方案不僅具有良好的可操作性，保證了機(jī)組運(yùn)行的安全穩(wěn)定性，并且能夠取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。