汽輪機旁路系統高壓旁路閥泄漏經濟性分析及對策

雷 剛

(中電(普安) 發(fā)電有限責任公司)

0 引言

汽輪機的啟動、運行、停止等都需要旁路系統的參與, 高壓旁路閥作為旁路系統的核心零件, 保證閥門密封良好, 不僅能保證汽輪機具有良好的經濟性,而且還能有效防止排汽溫度過高、凝汽器真空下降等導致的安全隱患, 對延長汽輪機的使用壽命也有積極幫助。密封面磨損、裂紋等缺陷是造成高壓旁路閥泄漏的常見原因, 如何預防和處理高壓旁路閥泄漏也成為發(fā)電廠設備管理人員關注的焦點問題。

1 汽輪機高壓旁路閥泄漏原因

1.1 汽輪機概況

某電廠2 號機組為一臺660MW 超臨界空冷燃煤機組, 采用高、低壓兩級串聯旁路系統。其中, 高壓旁路系統與汽輪機高壓缸并聯, 低壓旁路與汽輪機中低壓缸并聯, 高壓旁路閥型號為HBSE280-200-1, 介質為蒸汽。660MW 汽輪機的主要參數見表1。

1.2 高壓旁路閥故障調查

1.3 高壓旁路閥泄漏原因

結合故障調查信息和汽輪機維修經驗, 判斷本次高壓旁路閥泄漏的原因主要有以下幾點: 第一, 采用光譜儀檢測高壓旁路閥的組成零件, 結果表明主閥芯的密封面未按照要求堆焊硬質合金。這種情況下, 主閥芯的抗沖刷能力大幅度下降, 在汽輪機正常運轉時主閥芯的密封面出現“吹損”[1]。隨著時間的延長,密封面的密封效果不斷變差, 從而出現泄漏。第二,高壓旁路閥的密封圈表面也有不同程度的磨損, 特別是閥芯外緣的石墨密封圈磨損嚴重。在汽輪機工作時,有一部分蒸汽從密封圈與套筒之間的間隙進入到閥門后方, 隨后蒸汽凝結成水滴, 進而導致高壓旁路閥的泄漏[2]。第三, 與高壓旁路閥連接的液壓膠管由于使用年限較長, 加上介質腐蝕等原因, 已經出現橡膠老化的問題, 接口活接部位因為密封不嚴進而出現油液泄漏, 影響執(zhí)行機構的作用力穩(wěn)定性, 嚴重者也可能導致閥門關閉不嚴發(fā)生泄漏。高壓旁路閥出現泄漏問題后, 如果未能及時處理, 泄漏問題將會逐步加重,進而對汽輪機的發(fā)電性能和運轉安全造成不良影響。

2 高壓旁路閥泄漏經濟性分析

2.1 計算方法

為更加直觀地表示高壓旁路閥泄漏造成的經濟損失, 本文基于熱平衡與質量平衡原理, 以及等效熱降法展開了高壓旁路閥泄漏經濟性計算[3]。

根據熱平衡方程, 可得:

GAhA+Gxhx=GBhB

上式中,GA、GB分別表示高壓旁路與高壓缸排汽管的節(jié)點前方(A 點) 和后方(B 點) 的泄漏量;hA和hB則表示A 點和B 點的高壓缸排汽焓;Gx表示高壓旁路閥泄漏量,hx表示高壓旁路閥漏氣焓。其中,GB為GA與Gx之和。

根據質量平衡方程, 可得:

G01=G0-Gx

GA=G01-G1-G2-G11-G22-G33

上式中,G01表示進入汽輪機的主蒸汽流量,G0表示主蒸汽總流量, 其他符號的含義見上文表1。由此可以得出高壓旁路閥泄漏量的計算公式:

考慮到高壓旁路閥泄漏的蒸汽沒有經過高壓缸做功, 則蒸汽等效熱降減少值ΔH的計算式為:

計算過程中,以下情況中位于邊緣的特征屬性被視為誤報:自然物體(如森林等)、邊界長度小于2像素的物體(如線條)、圓形物體以及由這些物體引起的陰影;噪音引起的干擾特征。當邊界的長度在3到4像素之間的部分,可忽略檢測。

ΔH=Gx(hx-hA)

蒸汽泄漏后, 再熱器進口溫度也會出現一定程度的上升, 此時循環(huán)吸收熱量的減少值ΔQ的計算式為:

ΔQ= (G0-G1-G2-G11-G22-G33)(hB-hA)

裝置效率相對降低值Δη的計算式為:

機組的熱耗率增加值Δq的計算式為:

Δq=qΔη

機組的標準煤耗率增加值Δb的計算式為:

Δb=bΔη

機組每年多消耗的標準煤ΔB的計算式為:

ΔB=BΔη

2.2 計算結果

結合上文表1 提供的各項參數, 帶入公式后可以求得Gx、ΔH、ΔQ等各項指標的具體值, 如表2所示。

表2 高壓旁路閥泄漏經濟性計算結果

由表2 數據可知, 本次汽輪機高壓旁路閥發(fā)生泄漏后, 泄漏量(Gx) 達到了92508.77kg/h, 屬于比較嚴重的泄漏故障。發(fā)生泄漏后, 機組熱耗率(Δq)增加了13.84kJ/kw·h, 標準煤耗率(Δb) 增加了0.44, 年標準煤耗量(ΔB) 增加了1546.65t/a。這也表明了高壓旁路閥泄漏會對汽輪機組運行的經濟性產生較為明顯的影響, 導致發(fā)電成本的升高, 間接地體現了高壓旁路閥泄漏故障處理的緊迫性和必要性。

3 高壓旁路閥泄漏故障的處理對策

3.1 泄漏故障的鑒別

根據以往的汽輪機組維修經驗, 高壓旁路閥泄漏較為隱蔽。尤其是在發(fā)生泄漏的初期, 很難通過直接觀測的方式發(fā)現故障, 容易錯過最佳的維修時機。因此, 采用一種更加直觀并且相對簡便的故障鑒別方法就顯得尤為重要。本文提出了一種鑒別方法: 在高壓旁路與高壓缸排汽管中設置三個溫度傳感器: A 點、B 點和C 點(如圖1), 實時采集管道內溫度值。在高壓旁路閥正常工作時, A 點溫度相對B 點和C 點略低, B 點和C 點的溫度幾乎相等, 或者略有偏差(1℃以內), 此種情況下, 則說明閥門密封良好。相反, 如果高壓旁路閥出現漏氣情況, 那么泄漏出來的高溫蒸汽必然會導致A 點溫度升高, 超過B 點或C點的溫度, 此溫度差越大, 說明高壓旁路閥的泄漏量越大[4]。從檢查結果來看, A 點和B 點之間的溫度差接近20℃, 減溫水開始投入使用, 由此可判斷為高壓旁路閥內泄漏故障。

圖1 溫度傳感器布置示意圖

3.2 泄漏故障的處理

3.2.1 處理標準

在確定高壓旁路閥存在泄漏問題后, 要進一步確定損傷程度, 然后根據損傷程度的不同, 采取差異化的處理措施。這里以密封面缺陷為例, 概述其處理標準:

如果高壓旁路閥密封面的缺陷深度在1mm 以內,屬于比較輕微的缺陷。維修人員可以使用砂紙打磨高壓旁路閥密封面, 使表面重新變得光滑。閥芯需要采取車削加工方法進行處理。在處理前, 要使用游標卡尺等精準測量工具分別對閥芯、閥座進行測繪, 記錄測量數據, 并根據這些數據加工閥座研磨胎具。為保證加工處理效果, 所用的研磨胎具盡量使用鑄鐵材料。首先根據閥殼尺寸加工出研磨胎具的中心定位平板, 然后測量研磨胎具與閥座的中心平面是否在同一高度。如果存在高度差, 需要進行調平, 這樣才能保證密封片不會出現磨偏的情況。研磨閥芯時, 按照從細到粗的順序, 先選擇100 目的研磨膏, 通過研磨將閥座密封面上的缺陷去除; 研磨結束后, 重新選擇一個研磨頭, 并將研磨膏替換為400 目, 重復上述操作流程進行密封面處理。最后進行拋光, 可以讓密封面的平整度和光潔度恢復如新。完成上述修復處理后,用車削加工好的閥芯與閥座進行對研, 保證閥芯、閥座密封面做到100%的均勻接觸[5]。

如果高壓旁路閥密封面的缺陷深度超過了1mm,屬于比較嚴重的缺陷。考慮到閥座堆焊的密封面最多只有3mm, 如果按照上文所述方法直接車削研磨, 會造成密封面堆焊進一步變薄, 嚴重時還有可能導致閥座母體材料裸露, 反而會導致高壓旁路閥的泄漏問題加重。因此, 對于這類缺陷, 只能選擇在密封面上重新堆焊的方式來提高密封效果。

3.2.2 處理措施

通過汽輪機旁路系統的拆機檢查與測量, 確定本次泄漏故障是高壓旁路閥密封面損傷導致的, 并且損傷最嚴重的區(qū)域, 缺陷深度達到了1.31mm, 屬于比較嚴重的缺陷。同時, 結合說明書可知, 該高壓旁路閥的閥座密封面材質為司太立鈷基合金, 主要成分有鈷、鉻、碳、鎢等, 符合堆焊工藝的要求。綜上, 針對本次泄漏故障, 決定采用堆焊工藝進行高壓旁路閥密封面的處理, 具體方法如下:

使用C-2X 型快速脫脂除銹劑, 均勻噴灑到需要處理的密封面上, 靜置約10min, 然后使用干凈的紗布進行擦拭, 能夠有效去除密封面上的油污和銹跡。然后通過機加工的方式, 將密封面上的裂紋、剝離等缺陷也一并處理掉, 使密封面平整有光澤。堆焊處理中選用的焊條材質應當與密封面表面材質相同,即鈷基合金堆焊焊條。焊接方法為手工電弧焊, 焊接開始前需要對焊件做預熱處理。使其溫度達到300℃。開始焊接后, 讓閥座保持水平, 按照統一方向分3 層逐層完成堆焊。焊接完畢后, 觀察焊接效果, 確保不存在未焊透、焊縫等明顯質量問題后, 進行高溫回火, 消除內部應力, 獲得較好的綜合機械性能并通過空冷淬火, 完成處理后自然冷卻至室溫。將冷卻后的高壓旁路閥進行機加工、并對閥芯、閥座進行打磨處理, 直到符合高壓旁路閥的使用標準[6]。

將處理完成的高壓旁路閥重新裝回到汽輪機的旁路系統中, 啟動汽輪機, 并關注A 點、B 點和C 點的溫度變化, 結果B 點和C 點兩點溫度相等, A 點溫度明顯低于B 點和C 點, 說明高壓旁路恢復到正常工作狀態(tài), 本次高壓旁路閥泄漏故障得到成功解決。

4 結束語

本文通過一起汽輪機高壓旁路閥泄漏故障實例的診斷與處理, 得出以下結論:

(1) 高壓旁路閥作為汽輪機旁路系統的重要組成, 本文研究的某660MW 汽輪機組, 其高壓旁路閥在出現密封不嚴、蒸汽泄漏問題后, 經計算每年多消耗1546.65t 標準煤, 嚴重影響汽輪機的運行經濟性。

(2) 為了更加方便地判斷高壓旁路閥是否存在泄漏故障, 本文創(chuàng)新性的提出了一種溫差比較觀測法。在高壓旁路與高壓缸排汽管中設置三個溫度傳感器: A 點、B 點和C 點(如圖1), 實時采集管道內溫度值。閥門密封良好時, A 點溫度相對B 點和C 點略低, B 點和C 點的溫度幾乎相等; 反之, 當高壓旁路閥出現內漏情況, 泄漏的高溫蒸汽必然會導致A 點溫度升高, 超過B 點或C 點的溫度, 此溫度差越大,說明高壓旁路閥的泄漏量越大。由此可判斷高壓旁路閥是否發(fā)生內漏故障。

(3) 在日常的機組檢查中, 如果診斷出高壓旁路閥泄漏故障, 應當引起重視、立即處理。在確定導致高壓旁路閥泄漏的具體原因后, 采取相應的維修措施。本文研究的實例中, 是因為密封面損傷導致泄漏,采用了堆焊工藝進行處理。同時, 將老化的液壓膠管也一并更換。將修復后的高壓旁路閥重新裝回汽輪機,并在啟動運行后重新獲取測溫點溫度, 結果表明兩點溫度穩(wěn)定在許可范圍內, 泄漏問題得到了妥善解決。