浮動平臺小汽輪機(jī)高壓主汽調(diào)節(jié)聯(lián)合閥設(shè)計初探

(北京國能龍威發(fā)電技術(shù)有限公司， 北京 100044)

0 引 言

本文重點分析研究浮動平臺小汽輪機(jī)主汽調(diào)節(jié)聯(lián)合閥，設(shè)計原則是在滿足機(jī)組性能要求的前提下，盡量緊湊化設(shè)計汽輪機(jī)組，減少設(shè)備尺寸，使汽輪機(jī)組及附屬設(shè)備滿足浮動平臺對沖擊、振動、傾斜、搖擺等環(huán)境條件的要求。

高壓主汽調(diào)節(jié)閥是與汽輪機(jī)進(jìn)行配套、協(xié)調(diào)設(shè)計的非標(biāo)準(zhǔn)專用設(shè)備，具有自身設(shè)計特點和技術(shù)要求，其總體結(jié)構(gòu)設(shè)計、氣動熱力學(xué)造型、零部件材料選擇、零部件設(shè)計、整體強度計算等一系列研發(fā)設(shè)計過程，均需要進(jìn)行反復(fù)修改、完善、匹配和優(yōu)化組合。

1 汽輪機(jī)主汽調(diào)節(jié)聯(lián)合閥總體布局

1.1 汽輪機(jī)本體與主汽調(diào)節(jié)聯(lián)合閥的總體布局

汽輪機(jī)主汽調(diào)節(jié)聯(lián)合閥采用主汽閥與調(diào)節(jié)閥聯(lián)合進(jìn)汽的形式，在汽輪機(jī)單側(cè)設(shè)置。自汽輪機(jī)機(jī)頭向后看，主汽調(diào)節(jié)聯(lián)合閥位于高壓缸左側(cè)(左型機(jī)組)，其中心線與汽輪機(jī)中心線平行，與汽輪機(jī)之間留有運行、維護(hù)、檢修通道(如圖1所示)。

圖1 主汽調(diào)節(jié)聯(lián)合閥外形圖

1.2 主汽調(diào)節(jié)聯(lián)合閥布局及支承方案

主汽調(diào)節(jié)聯(lián)合閥采用沿縱向串列布置的“一主二調(diào)”聯(lián)合進(jìn)汽閥形式，主蒸汽從上方進(jìn)入主汽閥，在主汽閥腔體內(nèi)，沿水平方向通過主汽閥閥座喉部后，進(jìn)入兩個串列布置的調(diào)節(jié)閥腔體，蒸汽在這里分為兩股轉(zhuǎn)向后垂直向下，通過調(diào)節(jié)閥閥座喉部后，分別進(jìn)入兩根高壓主汽管排出。主汽調(diào)節(jié)聯(lián)合閥與汽輪機(jī)高壓缸進(jìn)汽管口通過由法蘭連接的高壓主汽管相連，裝拆方便。

主汽調(diào)節(jié)聯(lián)合閥機(jī)架(簡稱閥門機(jī)架)采用型鋼焊接的剛性閥門機(jī)架，其支承方案為每個閥門設(shè)四個承力支腿與閥門機(jī)架相聯(lián)接，支腿與閥門機(jī)架間的聯(lián)接結(jié)構(gòu)允許閥門受熱后向特定方向膨脹，熱膨脹死點設(shè)在靠近缸體并靠近凝汽器側(cè)的支腿處，其它三個支腿處設(shè)置導(dǎo)向件引導(dǎo)閥門的熱膨脹方向(如圖2所示)。

圖2 主汽調(diào)節(jié)聯(lián)合閥布置及支撐方式圖

1.3 采用先進(jìn)合理的閥門配汽設(shè)計和冗余安全保障

主汽調(diào)節(jié)聯(lián)合閥采用“一主二調(diào)”的配置方案(如圖3所示)，采用兩個調(diào)節(jié)閥各自獨立操控、順序開啟、協(xié)同工作的調(diào)節(jié)與控制方案，并且允許在任意一個調(diào)節(jié)閥本體或電調(diào)操縱機(jī)構(gòu)發(fā)生故障時，僅由另一個調(diào)節(jié)閥單獨工作，可發(fā)出約70%左右額定功率。這種先進(jìn)合理的閥門配汽設(shè)計和互為備用的冗余安全設(shè)計，特別適合于汽輪機(jī)在平臺環(huán)境下單機(jī)孤網(wǎng)運行的嚴(yán)苛工作條件，能夠大大降低非計劃停機(jī)概率，充分保障供電的質(zhì)量、連續(xù)性和安全性。

圖3 調(diào)節(jié)閥配汽方案圖

1.3.1 主汽閥

閥碟配合直徑Ds=250 mm

閥座喉部直徑Dh=237 mm

閥桿預(yù)啟行程L1=12 mm

閥碟工作行程L2=103 mm(即全開行程)

閥碟預(yù)留空行程L3=5 mm

閥桿工作行程L=L1+L2=115 mm

閥桿總行程范圍Lz=L+L3=120 mm(即主汽閥電調(diào)操縱機(jī)構(gòu)總行程)

主汽閥進(jìn)汽參數(shù)：G=136.5 t/h，P=3.45 MPa，T=242 ℃，Q=2.197 m3/s

1.3.2 調(diào)節(jié)閥

閥碟配合直徑Ds=135 mm

閥座喉部直徑Dh=121 mm

閥桿預(yù)啟行程L1=5 mm

閥碟工作行程L2=44 mm(即全開行程)

閥碟預(yù)留空行程L3=5 mm

閥桿工作行程L=L1+L2=49 mm

閥桿總行程范圍Lz=L+L3=54 mm(即調(diào)節(jié)閥電調(diào)操縱機(jī)構(gòu)總行程)

調(diào)節(jié)閥進(jìn)汽參數(shù)：G=130.5 t/h，P=3.45 MPa，T=242 ℃，Q=1.050 m3/s

1.3.3 單個調(diào)節(jié)閥閥碟行程與閥門開度及相對升程關(guān)系

單個調(diào)節(jié)閥閥碟行程與閥門開度及相對升程關(guān)系，見表1。

1級：大多因術(shù)后出現(xiàn)腦脊液漏而確診，手術(shù)過程中難以發(fā)現(xiàn)，若術(shù)中發(fā)現(xiàn)可以使用明膠海綿壓迫或生物蛋白膠粘合，為避免脊髓或馬尾神經(jīng)損傷，植入明膠海綿不宜過多。

1.3.4 兩個調(diào)節(jié)閥配汽規(guī)律及閥碟行程匹配關(guān)系

兩個調(diào)節(jié)閥配汽規(guī)律及閥碟行程匹配關(guān)系，見表2。

表2 兩個調(diào)節(jié)閥配汽規(guī)律及閥碟行程匹配關(guān)系列表

2 閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計及零部件設(shè)計特點

2.1 先進(jìn)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計保證了閥門總體氣動布局和優(yōu)良的綜合性能

主汽調(diào)節(jié)聯(lián)合閥總體氣動布局和零部件氣動造型設(shè)計系采用先進(jìn)的全三維氣動熱力學(xué)計算機(jī)數(shù)值模擬計算及分析方法，科學(xué)設(shè)計閥門內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)，通過研究氣動熱力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律、主汽閥上進(jìn)汽和下進(jìn)汽進(jìn)汽方式來進(jìn)行氣動分析。

根據(jù)主汽閥不同進(jìn)汽方向的數(shù)值分析計算結(jié)果(如圖4至圖9所示)，經(jīng)過對比可以明顯看到流場結(jié)構(gòu)和流動參數(shù)的分布和變化情況。

圖4 上進(jìn)汽方案總壓分布圖

圖5 上進(jìn)汽方案靜壓分布圖

圖6 上進(jìn)汽方案速度矢量分布圖(綜合壓損ξ=2.034%)

圖7 下進(jìn)汽方案總壓力分布圖

圖8 下進(jìn)汽方案靜壓分布圖

圖9 下進(jìn)汽方案速度矢量分布圖(綜合壓損ξ=1.894%)

2.1.1 上方進(jìn)汽時(初始方案)

進(jìn)入主汽閥的氣流方向，總體向調(diào)節(jié)閥Ⅱ的左側(cè)偏斜,有相當(dāng)多的流體“走捷徑”,從調(diào)節(jié)閥Ⅱ的左側(cè)流入,而右側(cè)則流量偏少，造成進(jìn)入調(diào)節(jié)閥Ⅱ進(jìn)出口流場嚴(yán)重不對稱,流動損失必然增大，并且抗振動特性也會變差。

主汽閥、調(diào)節(jié)閥Ⅱ和調(diào)節(jié)閥Ⅰ的進(jìn)出口流場結(jié)構(gòu)均明顯優(yōu)于上方進(jìn)汽。

主汽閥由上方進(jìn)汽，對于閥門壓損影響明顯，會使流場偏離理想狀態(tài)，致使閥門壓損有所增加。計算機(jī)數(shù)值模擬計算[1-2]得到的閥門綜合壓損值為2.034%，略大于由下方進(jìn)汽的方案。

根據(jù)上述分析結(jié)果，主汽閥由下方進(jìn)汽方案較佳，可以實現(xiàn)氣流最佳流動狀態(tài)和最小綜合壓力損失。此外，此種設(shè)計還有構(gòu)造簡潔、加工制造工藝良好、拆裝簡捷、更換易損備件方便、日常少維護(hù)或免維護(hù)等優(yōu)點。

2.2 閥門殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度校驗，保證了總體氣動布局和鑄造工藝性

主汽閥是一種多處開大直徑孔口的多腔體高溫高壓容器，閥殼形狀和受力狀態(tài)均比較復(fù)雜。本文新設(shè)計的主汽閥采用了串列組合的聯(lián)合閥形式，對結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度校驗提出了更高的要求，為滿足設(shè)計要求，最終采用了外形美觀簡潔、內(nèi)腔通道光順、壁厚分布合理、鑄造工藝良好、強度校驗合格的閥殼設(shè)計方案(如圖10和圖11所示)。

圖10 主汽調(diào)節(jié)聯(lián)合閥閥殼合金鑄鋼件外形圖

圖11 主汽調(diào)節(jié)聯(lián)合閥閥殼合金鑄鋼件剖視圖

2.3 調(diào)節(jié)閥閥碟運動機(jī)構(gòu)為部分卸荷式預(yù)加載荷結(jié)構(gòu)，有效地改善了閥門的抗振動特性

由于主汽調(diào)節(jié)閥經(jīng)常在小開度狀態(tài)下工作，閥前閥后高速汽流運動參數(shù)劇烈變化，調(diào)節(jié)閥碟作為重要的節(jié)流調(diào)節(jié)通流部件，不可避免地會感受到其壁面附近的壓力脈動，并在壓力脈動力的作用下產(chǎn)生受迫振動，故采用精心設(shè)計的部分卸荷式預(yù)加載荷結(jié)構(gòu)，使調(diào)節(jié)閥閥碟在預(yù)加載荷的作用下，始終與閥桿互相拉緊，有效地約束并抑制閥碟的軸向位移，防止軸向沖擊運動發(fā)生，將壓力脈動造成的損害降至最低限度，有效地改善了閥門的抗振動特性。

2.4 閥桿汽封結(jié)構(gòu)成熟有效合理，保證長期安全運行無泄漏

閥桿汽封均選用有長期運行經(jīng)驗的成熟結(jié)構(gòu)，具有兩道漏汽收集管口；閥桿不開槽，減少應(yīng)力集中，提高安全性；光滑表面氮化處理，增加耐磨性和抗氧化性；汽封套筒內(nèi)置汽封套，汽封套內(nèi)表面開環(huán)形槽，并進(jìn)行氮化處理。串聯(lián)組合的汽封套構(gòu)成多級間隙節(jié)流密封，環(huán)形槽一方面增大節(jié)流阻尼，一方面可容納氧化皮等異物，防止卡澀；閥桿“漏汽Ⅰ”送往高壓缸排汽管道，進(jìn)入汽水分離再熱器；閥桿“漏汽Ⅱ”送往汽封冷卻器(微負(fù)壓狀態(tài))，確保閥門對外無泄漏。

3主汽調(diào)節(jié)閥及構(gòu)架沖擊搖擺強度計算

主汽調(diào)節(jié)閥在運行中會受到自身重力和隨浮動平臺搖晃而產(chǎn)生的慣性力的作用，在高壓主汽調(diào)節(jié)閥及構(gòu)架的強度校核中，我們必須考慮這兩種力的作用及其疊加效果。

3.1 強度校核

主汽調(diào)節(jié)閥及構(gòu)架的強度校核分為以下幾部分：高壓主汽調(diào)節(jié)閥及構(gòu)架幾何模型的預(yù)處理、高壓主汽調(diào)節(jié)閥及構(gòu)架幾何模型的網(wǎng)格劃分、高壓主汽調(diào)節(jié)閥及構(gòu)架模型各個工況下載荷的施加、基于Abaqus有限元計算軟件的高壓主汽調(diào)節(jié)閥及構(gòu)架靜強度校核分析以及基于Abaqus有限元計算軟件的高壓主汽調(diào)節(jié)閥及構(gòu)架DDAM法沖擊強度校核。

3.2 模型簡化

高壓主汽調(diào)節(jié)閥及構(gòu)架結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，主閥體內(nèi)部還有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如果不簡化模型，劃分網(wǎng)格將是非常困難的。原來的建模過程中因為求和或者修剪操作過多，可能會導(dǎo)致模型中出現(xiàn)大量的瑕疵，這種瑕疵在劃分網(wǎng)格時將會是巨大的阻礙，可能會導(dǎo)致網(wǎng)格的不連續(xù)以及網(wǎng)格質(zhì)量過低。因此，需要將高壓主汽調(diào)節(jié)閥及構(gòu)架模型簡化。本文構(gòu)架的全部結(jié)構(gòu)都采用實體六面體單元劃分，通過一系列預(yù)處理以及網(wǎng)格劃分后，得到的高壓主汽調(diào)節(jié)閥模型總網(wǎng)格數(shù)為214553，其中構(gòu)架的網(wǎng)格數(shù)為59660，高壓主汽調(diào)節(jié)閥部分的網(wǎng)格數(shù)為154893，這樣就具備了進(jìn)行強度計算和校核的基礎(chǔ)條件。

汽輪機(jī)組高壓主汽調(diào)節(jié)閥及構(gòu)架部件的模型可使用UG三維建模軟件進(jìn)行簡化(如圖12所示)，可使用ANSAS軟件對三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分(如圖13所示)，可使用Abaqus軟件對其在一般工況、傾斜、搖擺及沖擊工況條件下的運行進(jìn)行計算。

圖12 主汽調(diào)節(jié)閥及構(gòu)架的幾何模型

圖13 主汽調(diào)節(jié)閥及構(gòu)架裝網(wǎng)格劃分

3.3 模型簡化

根據(jù)以上計算結(jié)果，設(shè)計時應(yīng)加大連接處的圓角，以減少應(yīng)力集中。閥門操縱座所用材料應(yīng)改為15CrMoA，并增加厚度，以減少應(yīng)力水平。

通過對數(shù)值結(jié)果進(jìn)行分析，可以得出如下結(jié)論：采用六面體單元對高壓主汽調(diào)節(jié)閥及構(gòu)架結(jié)構(gòu)很大的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分能夠顯著減少有限元模型的網(wǎng)格數(shù)量，不但可以節(jié)省計算時間，而且精度更高；高壓主汽調(diào)節(jié)閥閥殼及構(gòu)架部件材料為ZG15Cr2Mo1，在靜強度校核和抗沖擊強度校核中，其許用應(yīng)力為275 MPa，由此可以證明，高壓主汽調(diào)節(jié)閥及構(gòu)架部件均能滿足強度要求。

4 結(jié)束語

通過對閥門進(jìn)行選型、結(jié)構(gòu)和氣動計算與分析，主汽調(diào)節(jié)聯(lián)合閥采用下進(jìn)汽閥門結(jié)構(gòu)是最佳的選擇。閥門全開時，閥桿部分設(shè)有自密封結(jié)構(gòu)，可以有效地阻止高溫高壓汽流沿閥桿泄漏，從而提高經(jīng)濟(jì)性。調(diào)節(jié)閥內(nèi)設(shè)有與閥桿相連的預(yù)啟閥，可以減少開啟時主汽閥前后的壓差，減小閥桿的提升力。經(jīng)全三維氣動設(shè)計的主汽調(diào)節(jié)聯(lián)合閥，可以使壓降損失達(dá)到國內(nèi)最先進(jìn)水平。