汽輪機高壓主調閥故障分析及處理

喬 鑫 宋婷婷

海南核電有限公司

汽輪機高壓主調閥故障分析及處理

喬 鑫 宋婷婷

海南核電有限公司

本文介紹了某電廠汽輪發電機機組在調試階段，汽輪機高壓主調閥發生的諸多問題，調試人員從實際問題出發，會同設備廠家多次討論，針對高壓主調閥存在的問題進行原因分析，制定出切實可行的處理方案，最終將問題解決。

高壓調閥；振動；功率

一、引言

某電廠汽輪發電機機組設計為單軸、四缸六排汽帶中間汽水分離再熱器的反動凝汽式汽輪機。主蒸汽通過主汽閥后分兩路進入調節閥，然后經高壓導汽管分別從高壓缸的上部和下部各兩根管道進入高壓缸，高壓缸排汽從MSR底部側面進入位于低壓缸兩側MSR，MSR排汽經再熱閥門后進入低壓缸對轉子做功。當機組功率升至75%時，發現調閥開度已達到最大，機組無法繼續升功率，進行相應處理后機組功率順利升至100%，并完成了相關試驗，但是高壓調閥一直存在嘯叫，振動劇烈，且多次發生閥桿定位銷折斷導致閥芯脫落事件。

二、主調閥功能概述

1、轉速控制；機組掛閘瞬間，主汽閥打開，隨著主調閥的逐漸開啟，汽機轉速升高，直至升至3000rpm，電力行業標準規定主調閥的泄漏量要求必須滿足汽輪機轉速不得高于1000rpm，以便于機組低轉速時進行聽音檢查，以消除機組可能存在的動靜碰磨安全隱患。

2、功率控制。機組正常運行期間，通過調節調閥開度，控制機組蒸汽流量，從而進行功率調節控制。

3、超速保護。當汽輪機轉速達到103%額定轉速即3090rpm時，OPC電磁閥動作，此時OPC油壓立刻降低，主調閥油動機卸荷閥開啟，主調閥迅速關閉，主調閥本身的快關時間要求在0.20s以內，而當轉速降至額定轉速后，OPC電磁閥復位，OPC油壓建立，此時則需要主調閥快速開啟到關閉前的開度，以防止轉速過分降低。

三、調試期間主調閥出現的問題

1、機組并網后，平穩升功率，當功率平臺試驗進行到75%時，發現4臺調閥開度都已達到49%，DEH內流量請求已達到97%，機組無法繼續升功率。

2、重新啟機，功率升至50%以上時，調閥出現嘯叫聲，并且閥門劇烈振動，振幅達到180μm，運行約2小時后發現1#調閥閥芯脫落，緊急處理更換防轉銷后繼續運行，1小時后閥芯再次脫落，之后3#調閥閥芯也發生脫落。

四、原因分析

1、無法升功率問題。閥籠是閥門內部的關鍵部件，是實現流量調節的部件，由兩部分組成：底部是調速孔區，共鉆有1426個φ6—φ3縮孔，上部為大孔區域，對于常規的汽輪機調閥，大孔區域是參與功率調節的。經分析計算，原西屋設計的調速孔為φ6.35直孔，共1288個，核算通流面積為407.7cm2。現在的設計為1426個φ6→φ3的縮孔，核算通流面積為100.7cm2。廠家在調閥設計過程中，沿用了西屋公司的圖紙，但是把調速孔的尺寸做了修改，導致調閥流通面積不足。

原設計認為調速孔只參與轉速調節和部分的功率調節，要達到高功率，需要用到調速孔區上方的大孔區，但是在本臺機組上，該運行方式該不適用，經多方調研及試驗證明：該主調閥開啟到大孔區時，每1%開度將帶來20MW功率上升，狀態極不穩定。針對此原因，閥門調速孔返廠進行了擴孔處理。

2、調閥閥芯脫落問題。閥桿頂部通過螺紋與閥門操縱座連接，并用定位銷定位防轉，螺紋連接應具備一定的預緊力，閥桿頂部與操縱座頂死，防止閥芯在汽流作用下轉動從而損壞定位銷，進而導致閥芯脫落，因為定位銷比較細，不足以提供閥芯防轉的阻力。閥桿中部一直到底部都設有迷宮密封，阻止蒸汽沿閥桿泄漏。閥桿上半部與下半部直徑不等，下半部偏大，通過此處的臺階限制閥門的行程為154mm。閥桿與閥芯的連接方式為M110螺紋連接，并裝有防轉銷防轉。

分析認為除了主調閥自身原因造成的振動過大導致閥芯旋轉之外，還有閥桿與操縱座連接問題以及定位銷設計問題。

(1)閥桿與操縱座螺紋連接的預緊力不足，螺紋自身過松。西屋圖紙要求，閥桿與操縱座連接，在定位銷穿入之前，閥桿頂部應與操縱座底部緊密接觸，并加900NM力矩，但機組安裝期間并未對該處進行嚴格控制。

(2)防轉銷設計尺寸不夠，強度不足。西屋設計制造的主調閥該銷釘尺寸為φ0.25in×3in，而該機組銷釘尺寸為φ5.9×10。

3、 對于調閥的嘯叫和振動，分析原因如下：

(1)消音器擴孔后，消音孔不對中，汽流通過時產生渦流所致。

(2)消音器擴孔時孔內壁粗糙度不合格所致。

五、故障處理

主調閥通流能力不足問題，我們會同廠家計算了現有的通流面積，并根據目標功率計算得出了調速孔應具備的尺寸，最終決定將3#機調閥調速孔直徑擴為φ6mm的直孔。具體實施辦法經討論決定將擴建機組8臺主調閥全部返回制造廠，進行調速孔擴孔工作。由于調速孔部件材質很硬，擴孔速度緩慢，鉆頭不斷損壞，導致擴孔質量不佳，孔壁粗糙度較差，孔的真實直徑隨著鉆頭的磨損變小，低于6mm。另一方面，由于處于趕工狀態，并且擴孔時調速孔沒有從閥蓋上拆下，組件在鉆床上安裝定位精度不夠，造成部分孔沒有完全對準中心加工，蒸汽進入后，可能會造成渦流，并在閥芯上產生扭力，導致閥芯旋轉。就是說，擴孔精度不夠造成了后來的閥芯脫落以及振動、噪聲。擴孔后的調速孔，其通流面積有了很大的提高，機組成功達到了滿功率運行，但是相同功率水平時調閥的開度仍然略大于同型機組。根據理論核算，同型機組通流面積為407.7cm2，而本機組為403cm2。按照機組設計，機組的功率要高于同型機組，冬季最大功率可達到701MW，因此，擴孔后的調閥通流能力仍然不夠。機組目前電功率約670MW，根據與廠家討論協商，決定重新制作8臺消音器，調速孔加工為1288個φ6.35的通孔，并嚴格保正調速孔的中心度及孔壁粗糙度，使任意3組對孔的中心線都交于中心點。

六、結束語

汽輪機高壓主調閥與機組安全穩定運行關系密切，而此類關鍵設備在國產化過程中發現的問題為檢修工作積累的寶貴的經驗，嚴格控制關鍵設備的設計、安裝質量，才能保證機組安全運行，創造良好的經濟效益。

[1]HN650-6.41型汽輪機主機說明書 哈爾濱汽輪機廠有限責任公司