日立350 MW 亞臨界機(jī)型高壓調(diào)閥閥桿振動(dòng)問題分析及解決方案

廖源， 譚銳， 米斌， 曾婭， 查冰鋒

（1.國電九江發(fā)電有限公司， 江西 九江， 332001； 2.東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽， 618000）

0 引言

某電廠350 MW 亞臨界機(jī)組是日本日立公司生產(chǎn)的TCDF-40 型凝汽式汽輪機(jī)， 其調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)由高壓抗燃油即EHG 供油系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制， 原高壓調(diào)閥的控制型式為一個(gè)油動(dòng)機(jī)控制凸輪組帶動(dòng)4個(gè)高壓調(diào)閥進(jìn)行配汽， 開啟順序和重疊度按照凸輪型線動(dòng)作。 機(jī)組投運(yùn)后多次出現(xiàn)高調(diào)閥十字頭連接件及閥桿斷裂導(dǎo)致的機(jī)組跳機(jī)事件。 后續(xù)對調(diào)閥配汽執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改造， 但仍多次出現(xiàn)類似問題。 本文針對該機(jī)型調(diào)閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析， 找出其問題根源， 從而提出解決方案， 根治困擾電廠多年的頑疾。

1 機(jī)型閥門結(jié)構(gòu)簡介

該機(jī)型高壓主汽閥和調(diào)閥為分體結(jié)構(gòu)， 主汽閥安裝在機(jī)頭側(cè)， 調(diào)閥閥殼與汽缸鑄為一體， 主汽閥與調(diào)閥之間用4 根高壓導(dǎo)汽管連通。 高壓調(diào)門CV1、 CV3對稱布置在汽缸上半， 高壓調(diào)門CV2、 CV4對稱布置在汽缸下半， 上下半左右兩側(cè)調(diào)門的閥殼腔室分別相通， 見圖1。

圖1 日立TCDF-40 型機(jī)組原高調(diào)閥布置示意圖

高調(diào)閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)及操縱座連接部位結(jié)構(gòu)詳見圖2。

圖2 日立TCDF-40 型機(jī)組原高調(diào)閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

高調(diào)閥操縱座（杠桿機(jī)構(gòu)）與十字套過連接軸與閥桿連接， 閥桿與連接軸之間采用螺紋連接，用于傳動(dòng)， 同時(shí)在閥桿頂部打入防轉(zhuǎn)銷防止相互轉(zhuǎn)動(dòng)。 調(diào)節(jié)閥碟與閥桿之間裝有導(dǎo)向鍵， 閥碟與閥碟套筒之間采用間隙配合， 閥碟套筒可以起到基本的導(dǎo)向作用。

2 閥桿及十字頭連接件斷裂原因分析

根據(jù)電廠反饋信息， 2 臺(tái)該機(jī)型高壓調(diào)閥在運(yùn)行時(shí)， 經(jīng)常出現(xiàn)閥桿劇烈振動(dòng)， 甚至多次出現(xiàn)防轉(zhuǎn)銷斷裂、 閥桿螺紋松動(dòng)、 閥桿斷裂等現(xiàn)象， 給電廠安全、 穩(wěn)定運(yùn)行帶來了極大隱患。

針對上述問題， 對閥門的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行分析，主要原因有以下幾點(diǎn)：

（1）高壓調(diào)閥閥桿斷裂主要是由于閥桿振動(dòng)造成， 長時(shí)間高頻振動(dòng)導(dǎo)致閥桿疲勞斷裂；

（2）閥桿振動(dòng)可能是閥殼進(jìn)汽腔室設(shè)計(jì)不合理， 汽缸上半的2 個(gè)調(diào)門閥殼腔室相通（下半相同）， 蒸汽從左右2 根管道進(jìn)入同一腔室， 腔室內(nèi)流場復(fù)雜， 汽流激振力頻率一旦與閥芯零件固有頻率接近， 調(diào)閥閥芯零件則將產(chǎn)生振動(dòng)， 特別是閥門小開度或僅開啟1 只閥門時(shí)， 振動(dòng)強(qiáng)度更大，對設(shè)備的破壞程度更大；

（3）防轉(zhuǎn)銷安裝時(shí)需要將調(diào)閥閥桿頂部與十字套連接軸頂緊之后再配做銷孔， 裝入防轉(zhuǎn)銷。 對安裝過程要求很高， 若閥桿頂部存在間隙， 閥門關(guān)閉時(shí)沖擊載荷會(huì)直接作用于防轉(zhuǎn)銷， 造成銷子承受過大的剪切力， 發(fā)生斷裂。 銷子斷裂后， 在汽流的作用下， 閥桿與十字套連接軸會(huì)發(fā)生相對轉(zhuǎn)動(dòng)， 從而導(dǎo)致閥桿螺紋磨損、 松動(dòng)。

上述問題是閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的， 是該機(jī)型的固有問題， 僅通過外部手段進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化難以完全解決該問題。 該電廠后續(xù)也做過執(zhí)行機(jī)構(gòu)及十字套連接部位結(jié)構(gòu)優(yōu)化， 運(yùn)行一段時(shí)間后仍出現(xiàn)了同樣問題。 因此， 若要從根源上解決該問題， 對機(jī)組改動(dòng)較大。

3 閥桿振動(dòng)及連接件損壞綜合解決方案

針對該機(jī)型高壓調(diào)閥存在的固有問題， 主要從2 個(gè)方面入手： （1）優(yōu)化調(diào)閥腔室， 改善其內(nèi)部蒸汽流場， 解決閥桿振動(dòng)、 斷裂的問題； （2）優(yōu)化調(diào)閥閥桿連接及導(dǎo)向結(jié)構(gòu)， 解決連接件損壞問題。

（1）調(diào)閥腔室優(yōu)化方案

根據(jù)第2 節(jié)的分析， 閥桿振動(dòng)主要原因是閥殼腔室及流場設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致。 對此， 在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)采用300 MW 等級(jí)機(jī)組成熟的高壓閥組設(shè)計(jì)方案， 將高壓主汽閥和調(diào)閥做成一體結(jié)構(gòu)， 分為2組（每組一個(gè)主汽閥帶2 個(gè)調(diào)閥）， 布置在原高壓主汽閥安裝位置， 閥組布置示意圖見圖3。

圖3 新設(shè)計(jì)高壓閥組布置示意圖

蒸汽通過主汽閥后， 分別進(jìn)入兩側(cè)的調(diào)閥腔室， 調(diào)閥腔室之間設(shè)置分流結(jié)構(gòu)， 使得2 個(gè)調(diào)閥獨(dú)立進(jìn)汽， 互不干擾， 最大限度地減小了兩股汽流相互間的作用力。 如此便可解決原調(diào)閥因進(jìn)汽對沖產(chǎn)生的激振力對閥芯零件的影響。 這種結(jié)構(gòu)在同類型國產(chǎn)機(jī)組上已廣泛應(yīng)用， 其安全可靠性早已得到驗(yàn)證。

需要說明的是， 由于原調(diào)閥閥殼與高中壓外缸鑄成一個(gè)整體， 需要對高中壓外缸進(jìn)行配套優(yōu)化改造， 取消調(diào)閥閥殼， 將其改為普通的高壓進(jìn)汽短管與高壓導(dǎo)汽管連接。

（2）閥桿連接及導(dǎo)向結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

高調(diào)閥十字套與閥桿之間采用防轉(zhuǎn)銷結(jié)構(gòu)在同類型國產(chǎn)機(jī)組上也有很多應(yīng)用案例， 這種結(jié)構(gòu)確實(shí)存在很大的局限性。 對此， 設(shè)計(jì)了一種新的十字套連接結(jié)構(gòu)， 見圖4。

圖4 優(yōu)化后十字套連接結(jié)構(gòu)

調(diào)節(jié)閥操縱座與閥桿通過連接套組件連接，操縱座與連接套組件之間采用12 顆連接套螺栓連接， 閥桿通過閥桿提升螺母與連接套組件連接，安裝時(shí)擰緊螺母（用止動(dòng)銷防退）， 閥桿頂部頂緊，實(shí)現(xiàn)閥桿傳動(dòng)功能。 油動(dòng)機(jī)桿與連接套之間采用同樣的連接與傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。 調(diào)節(jié)閥閥碟套筒與調(diào)節(jié)閥碟配合部位增加2 個(gè)導(dǎo)向鍵， 導(dǎo)向鍵對稱布置在閥碟兩側(cè)。 閥桿與調(diào)節(jié)閥碟之間同樣對稱布置2個(gè)導(dǎo)向鍵。

采用連接套螺栓及提升螺母進(jìn)行傳動(dòng)， 大大提升了傳動(dòng)可靠性， 閥門關(guān)閉時(shí)的沖擊力也由閥桿頂部承受， 改善了其承載條件。 另外， 增加導(dǎo)向鍵可以改變閥碟約束條件， 提高結(jié)構(gòu)剛性和抗振能力， 同時(shí)防止閥碟與閥套間的相互轉(zhuǎn)動(dòng)。 總體來說， 優(yōu)化后的閥桿連接及導(dǎo)向結(jié)構(gòu)較原機(jī)型的結(jié)構(gòu)在安全可靠性上均有較大的提升。

4 結(jié)語

電廠采用本文中所述方案對該機(jī)型進(jìn)行了優(yōu)化改造， 并已成功投運(yùn)， 機(jī)組運(yùn)行指標(biāo)良好。 對改造前后進(jìn)行比對分析， 改造后機(jī)組調(diào)節(jié)閥桿振動(dòng)現(xiàn)象明顯消失。

理論與實(shí)踐證明， 日立生產(chǎn)的TCDF-40 型機(jī)組高調(diào)閥存在較大的缺陷， 不利于機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行， 該類型的機(jī)組可以采用本文中所述方式進(jìn)行改造， 從而提高機(jī)組運(yùn)行可靠性。