超臨界鍋爐吹灰調(diào)閥改造

戴云飛

(寧夏京能寧東發(fā)電有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750400)

1 鍋爐吹灰系統(tǒng)設(shè)備簡介

某廠2×660 MW—HG-2210/25.4-YM16型鍋爐是哈爾濱鍋爐廠自主開發(fā)制造的燃煤超臨界壓力變壓運(yùn)行，一次中間再熱，π型布置，單爐膛，尾部雙煙道，全鋼架，懸吊結(jié)構(gòu)，采用不帶再循環(huán)泵的大氣擴(kuò)容式啟動系統(tǒng)的直流660 MW鍋爐。

鍋爐本體吹灰系統(tǒng)的蒸汽汽源一路取末級過熱器入口集箱，汽源壓力為25.9 MPa，溫度為532 ℃，減壓閥供汽量20 t/h；另一路取自爐左再熱冷段管道，汽源壓力為4 MPa，溫度為315 ℃。兩路汽源均設(shè)置減壓站且可互相切換使用。末過入口集箱汽源減壓站配1臺截止閥、電動截止閥、氣動調(diào)節(jié)和安全閥，再熱冷段管道汽源減壓站配置1臺手動截止閥、電動截止閥、電動調(diào)節(jié)和逆止閥等。

鍋爐主汽供吹灰調(diào)閥型號為DN50，PN500，閥體材質(zhì)F22，配FISHER氣關(guān)式667型執(zhí)行機(jī)構(gòu)。入口管道規(guī)格材質(zhì)為φ89 mm×20 mm，12Cr1MoV。出口管道規(guī)格材質(zhì)為φ60 mm×11 mm/φ133 mm×16 mm,20號。

2 吹灰調(diào)閥運(yùn)行現(xiàn)狀及原因分析

2.1 吹灰調(diào)閥存在的問題

自機(jī)組投產(chǎn)后鍋爐吹灰調(diào)閥在檢修時多次發(fā)現(xiàn)閥芯沖刷、閥座壓痕較深，閥座、閥輪內(nèi)圈汽蝕沖刷，內(nèi)漏嚴(yán)重，閥體有2條長約50 mm裂紋，若繼續(xù)長期運(yùn)行，則存在較大的安全隱患。

圖1 吹灰調(diào)閥閥體裂紋

2.2 原因分析

2.2.1 吹灰調(diào)閥內(nèi)漏的原因

主汽供吹灰調(diào)閥閥輪為普通鼠籠套筒單座結(jié)構(gòu)，單級節(jié)流降壓，該形式的閥門驅(qū)動所需要的力矩相當(dāng)大，導(dǎo)致閥桿粗壯，傳動機(jī)構(gòu)笨重，尤其是在使用過程中壓力很難穩(wěn)定降到需求值，加之前后20 MPa左右超大壓差，閥門在開關(guān)及運(yùn)行中會產(chǎn)生嚴(yán)重的汽蝕現(xiàn)象；并且傳動機(jī)構(gòu)經(jīng)常發(fā)生、突開、突關(guān)缺陷導(dǎo)致閥芯與閥座產(chǎn)生撞擊，損壞閥門密封面，長期運(yùn)行導(dǎo)致閥門密封不嚴(yán)，內(nèi)漏嚴(yán)重，關(guān)閉閥門1 h后閥門后管道溫度仍達(dá)350 ℃。

圖2 主汽供吹灰調(diào)閥閥輪

2.2.2主汽供吹灰調(diào)閥閥體裂紋原因

閥體設(shè)計材質(zhì)為12Cr1MoV，現(xiàn)場光譜儀檢測閥體材質(zhì)與15CrMo化學(xué)成分相符，見表1。

表1 15CrMo和12Cr1MoV化學(xué)成分對比[1]

表2 15CrMo和12Cr1MoV力學(xué)性能對比[1]

從表1和表2可以看出15CrMo和12Cr1MoV兩種材質(zhì)化學(xué)成分及力學(xué)性能相差不大。根據(jù)NB/T47044-2014電站閥門要求在530 ℃、PN500系列下15CrMo材料的壓力-溫度額定值規(guī)定最大允許工作壓力為21.02 MPa，在530 ℃、PN500系列下12Cr1MoV材料的壓力-溫度額定值規(guī)定最大允許工作壓力為27.44 MPa[2]。鍋爐廠計算的分隔屏過熱器設(shè)計工作壓力為25.97 MPa，已經(jīng)大大超過了15CrMo材質(zhì)對應(yīng)的壓力-溫度額定值的規(guī)定，故可說明閥門壓力等級及材質(zhì)選用過低，不能滿足現(xiàn)場使用要求，長期運(yùn)行導(dǎo)致裂紋。伯奴利方程如下：

(1)

式中：p—流體中某點(diǎn)的壓強(qiáng);

ρ—流體密度;

v—流體該點(diǎn)的流速;

g—重力加速度;

h—該點(diǎn)所在高度;

C—常量[3]。

根據(jù)伯奴利方程，管道內(nèi)流體的流速提高,壓力就會下降。如果液體流經(jīng)管道節(jié)流處的壓力高于或低于汽化壓力將產(chǎn)生汽蝕或閃蒸現(xiàn)象。氣蝕與閃蒸是由于管道節(jié)流引起的，閥門就相當(dāng)于管道的節(jié)流。閃蒸最嚴(yán)重的破壞發(fā)生在流速最高處，即閥塞閥座處。沖蝕是閃蒸破壞的直觀表現(xiàn)，汽蝕發(fā)生時，氣泡破裂釋放的能量使閥塞、閥座甚至附近管道損壞，并伴發(fā)噪聲[4-5]。從現(xiàn)場運(yùn)行時閥門及管道存在噪音且振動大，解體后內(nèi)部汽蝕、沖刷嚴(yán)重即可判斷汽蝕與閃蒸是致使閥門產(chǎn)生裂紋的原因之一。

根據(jù)機(jī)組運(yùn)行狀況需要吹灰時，當(dāng)值人員將各疏水閥打開后，開啟吹灰蒸汽電動門及調(diào)閥開始暖管，當(dāng)疏水溫度達(dá)到280 ℃或疏水時間達(dá)20 min，疏水閥關(guān)閉，吹灰蒸汽壓力達(dá)2.0 MPa后，吹灰器開始工作。兩次吹灰間隔時間較長，管道內(nèi)部蒸汽凝結(jié)后，水匯集在管道內(nèi)及閥門入口處，在開啟吹灰蒸汽電動門及調(diào)閥后高溫、高壓蒸汽經(jīng)過閥門，此時在閥門各部件溫度梯度較大，存在較大的熱應(yīng)力，長期冷、熱態(tài)交替運(yùn)行導(dǎo)致了閥體產(chǎn)生裂紋。

綜上所述，閥門壓力等級及閥體材質(zhì)選用過低，加之閥門長期處于冷、熱態(tài)交替運(yùn)行狀態(tài)，閥體溫度梯度較大，熱應(yīng)力無法有效釋放導(dǎo)致閥體產(chǎn)生裂紋。

3 吹灰調(diào)閥優(yōu)化改造

為了確保改造后的吹灰調(diào)門滿足現(xiàn)場安裝、使用要求，新閥門性能要求及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)必須滿足以下要求：

(1)新閥門尺寸盡可能與原閥門一致，便于現(xiàn)場安裝施工，且閥門滿足所安裝系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)要求。調(diào)節(jié)閥壓力等級按系統(tǒng)最大壓力和設(shè)計溫度選取，并考慮管道做嚴(yán)密性試驗時，閥門應(yīng)能承受此壓力。閥門應(yīng)能在0%～100%范圍內(nèi)進(jìn)行靈活調(diào)節(jié), 特別要求能實(shí)現(xiàn)小開度調(diào)整。

(2)閥體結(jié)構(gòu)具有良好的抗熱沖擊能力，結(jié)構(gòu)設(shè)計具有易維護(hù)、噪音低、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈活、調(diào)節(jié)區(qū)域大和靈敏度高等特點(diǎn)。

(3)閥內(nèi)件需滿足現(xiàn)場壓力和流量調(diào)節(jié)的需要，閥芯及閥座應(yīng)耐磨、耐沖刷，便于檢修、拆裝與研磨。閥門能在冷熱狀態(tài)下靈活關(guān)閉，不得有卡澀、內(nèi)漏現(xiàn)象。

(4)閥門在運(yùn)行累計9 000 h內(nèi)，閥門易損件不得損壞，閥門不得泄漏。確保閥門使用壽命為10年以上，且3年內(nèi)無內(nèi)漏、卡澀、線性調(diào)節(jié)不好等問題。

3.1 閥門結(jié)構(gòu)的選擇

(1)閥門按壓差的大小可以采用不同的節(jié)流級數(shù)，所謂節(jié)流，就是介質(zhì)在正常通道，正常流速下，流經(jīng)至漸縮的狹小通道，此時流速驟增，速度變大，隨后通道驟擴(kuò)，又變回正常通道、正常流速。每經(jīng)過這一循環(huán)，就為一級節(jié)流。這樣，通過多級降壓減輕了汽體對閥門的沖擊和震動，降低了噪音，同時也避免對閥門密封面的沖蝕。將吹灰調(diào)門改造為4級節(jié)流降壓的結(jié)構(gòu)，可確保大壓差下的運(yùn)行效果。國內(nèi)同類型閥門最多已達(dá)到20級節(jié)流，最高實(shí)現(xiàn)31 MPa的壓降，并在超臨界機(jī)組上得到成功應(yīng)用[6-10]。

(2)閥門開啟后溫度急劇上升，但整個閥體的溫升是不均勻的，閥座溫升最快，閥體稍慢，溫升后都要產(chǎn)生熱變形，由于閥座與閥體的材質(zhì)不同，熱膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致變形不同步，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，加之震動的存在，長期運(yùn)行產(chǎn)生裂紋。鑒于此，采用了鑲裝式分體閥座，杜絕了裂紋的產(chǎn)生。

圖3 改造后主汽供吹灰調(diào)閥結(jié)構(gòu)

3.2 閥芯結(jié)構(gòu)的選擇

閥芯選擇預(yù)啟式閥芯，在大閥塞中設(shè)置1個平衡壓力的小閥塞，用碟形彈簧將大小閥塞推開，當(dāng)閥門開啟后，閥塞上下腔是連通的、平衡式閥芯；當(dāng)閥門全關(guān)后，小閥塞因執(zhí)行器的作用而將碟簧進(jìn)一步壓縮，最后小閥塞關(guān)閉，整個閥塞由平衡式變成非平衡式，達(dá)到零泄漏。碟形彈簧是預(yù)啟式閥芯中的關(guān)鍵部件，其作用是閥門運(yùn)行時將預(yù)啟閥塞與主閥塞推開，使閥塞為平衡式，使用的是彈簧預(yù)變形時產(chǎn)生的作用力。當(dāng)主閥塞關(guān)閉后，執(zhí)行器進(jìn)一步推壓閥桿使作用力進(jìn)一步壓緊彈簧后，預(yù)啟閥塞關(guān)閉，整體閥塞變成非平衡式，關(guān)斷嚴(yán)密。

3.3 設(shè)備材質(zhì)的選擇

為確保閥門各部件適應(yīng)在高溫、高壓差下運(yùn)行，滿足耐沖刷、耐汽蝕的條件，改造后的閥門閥桿為X20CrMoV121，閥座X22CrMoV121，閥體為12Cr1MoV，并進(jìn)行2次以上的滲氮處理。高合金鋼X20CrMoV121屬于馬氏體型耐熱鋼,該種鋼可以耐使用溫度達(dá)650 ℃，在進(jìn)口火電高溫高壓機(jī)組管道中應(yīng)用較廣,一般處于調(diào)質(zhì)狀態(tài),其抗拉強(qiáng)度達(dá)685～833 MPa。X22CrMoV121是一種耐高溫不銹鋼，其抗拉強(qiáng)度達(dá)800～950 MPa。閥體材料的焊接性能應(yīng)與相連的管道材料焊接性能相適應(yīng)，以便于安裝施焊。

3.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇

閥門配套的雙作用氣缸執(zhí)行器BPDV系列，推力32 kN,氣源壓力0.5～0.8 MPa；配西門子ABB雙作用定位器，SMC減壓閥，SMC閉鎖閥；雙作用氣缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行可靠、準(zhǔn)確、靈活，執(zhí)行機(jī)構(gòu)必須滿足閥門在調(diào)節(jié)中的穩(wěn)定性，不得出現(xiàn)定位不準(zhǔn)確以及擺動不正?，F(xiàn)象；執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥內(nèi)件在工作中達(dá)到良好配合，閥門調(diào)整靈敏準(zhǔn)確，無內(nèi)、外漏現(xiàn)象，保證設(shè)備良好穩(wěn)定的運(yùn)行。

4 吹灰調(diào)閥改造后效果評估

統(tǒng)計吹灰調(diào)閥改造前后吹灰系統(tǒng)疏水至壓力穩(wěn)定時間段內(nèi)的閥門開度與壓力參數(shù)，共計選取50個不同開度對應(yīng)的壓力點(diǎn)繪制成閥門特性曲線，如圖4和圖5所示。

圖4 主汽供吹灰調(diào)閥改造前開度與壓力曲線

從圖4主汽供吹灰調(diào)閥改造前開度與壓力曲線可以看出：閥門開度從全關(guān)開至40%時，吹灰系統(tǒng)壓力均為0.103 MPa，系統(tǒng)壓力隨閥門開度增大無變化，閥門開啟過程中閥門死區(qū)較大。閥門開度從40%開至56%時，系統(tǒng)壓力達(dá)到2.334 MPa，超過了設(shè)定壓力2.0 MPa。按照吹灰邏輯要求，在系統(tǒng)壓力大于2.0 MPa且閥門開度減小的過程中，系統(tǒng)壓力總體隨開度減小而降低。在閥門開度減小至50%時，系統(tǒng)壓力2.547 MPa，隨后閥門突開至70%后全關(guān)，系統(tǒng)壓力最大達(dá)3.126 MPa。閥門重新開啟后，經(jīng)過一次開度和壓力的增大-減小-增大波動過程后，閥門開度、系統(tǒng)壓力趨于穩(wěn)定，滿足吹灰壓力條件，該過程共計用時約22 min。

圖5 主汽供吹灰調(diào)閥改造后開度與壓力曲線

從圖5主汽供吹灰調(diào)閥改造后開度與壓力曲線可以看出：閥門開度從全關(guān)開至35%左右時，系統(tǒng)壓力隨閥門開度增大而增大，閥門開度小幅度波動對系統(tǒng)壓力影響較小，系統(tǒng)壓力整體呈上升趨勢，無大幅度波動。閥門開至35%以后，隨著吹灰系統(tǒng)疏水時間的增加，系統(tǒng)壓力最終穩(wěn)定在2.028 MPa左右，對應(yīng)閥門開度在30%左右，閥門開度、壓力均穩(wěn)定，滿足吹灰壓力條件，該過程共計用時約3 min。

從主汽供吹灰調(diào)閥改造前、后開度與壓力曲線對比可以看出：改造前閥門調(diào)節(jié)特性不穩(wěn)定，在一定的閥門開度區(qū)間內(nèi)死區(qū)較大，較大開度對系統(tǒng)壓力影響不大，閥門存在突開、突關(guān)現(xiàn)象，系統(tǒng)壓力波動大，疏水達(dá)到穩(wěn)定壓力時間較長。改造后的閥門開度小幅度波動對系統(tǒng)壓力影響較小，系統(tǒng)壓力整體平穩(wěn)，無大幅度波動，能夠?qū)崿F(xiàn)小開度調(diào)整，疏水達(dá)到穩(wěn)定壓力的時間較短。

5 結(jié) 語

通過對660 MW等級超臨界鍋爐吹灰調(diào)門改造，有效解決了普通單級鼠籠套筒單座結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)閥存在頻繁內(nèi)漏、調(diào)節(jié)線性差、卡澀、管路振動、噪音大等問題。多級節(jié)流降壓分體式調(diào)節(jié)閥可實(shí)現(xiàn)吹灰系統(tǒng)的快速壓力穩(wěn)定及閥門的小開度調(diào)節(jié)，密封性優(yōu)良、調(diào)節(jié)穩(wěn)定性高、管路無振動、噪音小，對同類型火力發(fā)電廠鍋爐吹灰系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥選型、改造有借鑒意義。