CC50型汽輪機自動主汽閥預啟閥故障探討

劉海峰,王長友,姜 濤

1　概述

本鋼板材發電廠21號汽輪發電機組系哈汽于1987年制造的CC50-8.83/1.275/0.118型（于2014年12月進行通流部分改造，降低工業抽汽參數，改型為CC50-8.83/1.078/0.118型），雙缸、單軸、雙抽、冷凝式汽輪機，配套上海電機廠制造的QFS-60-2型發電機。

該機組配套的自動主汽閥為立式、自動關閉器（操縱機構）在上方、帶預啟閥（行程：15 mm）、單座閥自動主汽閥。

主汽門應能緩慢開啟，迅速關閉（中小型機組在0.5 s之內，大型機組在0.2 s之內），并能在正常運行時做閥桿的活動試驗，以防止閥桿卡澀故障，保證動作靈活，安全可靠。

每隔4年，該機組進行一次大修。每次大修，對自動主汽閥進行解體檢查時都會發現：預啟閥處于關閉狀態；預啟閥凸肩與導向機構已經卡澀至無法發生相對移動的狀態（現場稱作“抱死”）。

2014年12月，對該機組自動主汽閥解體檢查，再次發現預啟閥處于關閉狀態并且已經“抱死”。

如果要對預啟閥進行處理，使其能夠活動，據以往的檢修經驗和現有的檢修工藝，將會對自動主汽閥的門桿、導向機構、預啟閥等部件造成破壞；而這些部件沒有儲備，如果等待新的備件到貨進行更換則將貽誤工期。

一般地說，機組自動主汽閥預啟閥發生卡澀故障必須及時消除，以保證自動主汽閥的嚴密性；以保證自動主汽閥能夠順利開啟。可是，針對預啟閥故障的具體狀態及機組特定的啟動方式，在確保自動主汽閥、調速汽門嚴密性的前提下，在沒有備件儲備、工期緊張的情況下，如果能夠保證自動主汽閥順利開啟，預啟閥的故障也可暫緩處理，先行回裝，等有備件時及時消除缺陷。另外，也要研究預啟閥產生故障的原因，通過改進設計，徹底解決這個問題。

面對“預啟閥卡澀抱死的故障暫緩處理，先研究回裝是否可行”問題，著重從以下兩個方面進行了探討：

（1）自動關閉器的提升力問題。

（2）自動主汽閥的嚴密性問題。

提升力問題可以通過計算確定；閥門嚴密性問題必須經過試驗驗證。

2　自動關閉器的提升力

2.1　預啟閥可以減少開啟主汽閥所需的提升力

主汽閥口徑較大時，為了降低開啟主汽閥所需要的提升力，設置直徑較小的預啟閥，由于預啟閥口徑較小，提升力也較小，使操縱機構易于設計。

對于典型結構的立式主汽閥（圖1），在主汽閥球形頭的圓周上對稱開有四個孔，下部開有一個孔。預啟閥關閉時，將堵住下部這個孔；當預啟閥開啟時，一部分蒸汽由圓周上的四個孔進入，通過下部這個孔進入機組，對于這種典型結構的主汽門，由于蒸汽壓強作用于主門芯的上部，是提升主門芯的阻力，設置預啟閥，當預啟閥開啟時，先卸掉一部分蒸汽壓力，能減少開啟時所需要的提升力。

圖1　主汽閥及自動關閉器（局部）

預啟閥直徑大小的選用原則有兩種：（1）保證額定進汽參數條件下，能通過維持機組空載（額定轉速）所需的流量，用預啟閥可控制機組升速。（2）預啟閥能控制升負荷到15%額定負荷左右。

針對哈汽制造這臺機組的啟動方式：主蒸汽通過兩條蒸汽管道匯集到自動主汽閥；在兩條主蒸汽管道上，各設置一個電動主汽門，每個電動主汽門都設置有旁路，每次啟動機組時，在蒸汽管道預熱之后，將自動主汽閥全開，然后，通過電動主汽門的旁路門控制機組的進汽量，進行沖轉。無需利用預啟閥控制轉速或帶少量負荷。

2.2　自動關閉器的提升力測算

CC50型機組自動關閉器活塞的直徑為φ240，活塞下油壓20 kgf/cm2，自動關閉器的提升力為9047.8 kgf，折合 88668 N。

2.2.1開啟主汽門需要克服的彈簧阻力

自動關閉器活塞上，活塞桿套裝2個圓柱形螺旋壓縮彈簧（表1）。

表1　彈簧參數

自動關閉器活塞行程為100 mm，提升主汽閥需要將2個彈簧同時壓縮100 mm。

提升主汽閥需要克服彈簧阻力：26755 N。

2.2.2開啟主汽門需要克服的設備重力

開啟主汽門需要提升的部套質量如下：

預啟閥：20 kg;

預啟閥螺帽：6.5 kg;

閥桿：9.5 kg;

閥碟：110 kg;

閥體套筒：133 kg;

球面墊圈：0.35 kg;

合計：279.35 kg。

可見：開啟主汽門需要克服的部套重力為279.35×9.8=2738 N。

2.2.3自動關閉器能克服的蒸汽阻力

根據自動關閉器的提升力及彈簧的阻力、設備的自身的重力，在預啟閥不能開啟的情況下，為確保主汽閥能夠開啟，還可以承受的蒸汽載荷：

88668N－26755N－2738N=59175 N。

閥座口徑φ320，受力面積：0.08 m2。在預啟閥不能開啟的情況下，為確保主汽閥能夠開啟，還可以承受的蒸汽壓力：59175N/0.08m2=0.74×106Pa=0.74 MPa。

該機組啟動之前，先要對主蒸汽管道進行分段預熱，對電動主汽門前的主蒸汽管道預熱稱為一段暖管，對電動主汽門至自動主汽閥之間的管道進行預熱，稱為二段暖管，根據上面的計算結果，在機組啟動時，進行二段暖管期間，將自動主汽閥前的汽壓控制在0.7 MPa以內，可以確保自動主汽閥能夠開啟。

既然預啟閥是在某次停機期間，因產生氧化皮導致抱死的，而上次啟動機組時沒有產生因提升力不足問題而導致無法開啟自動主汽閥，據此也可以判斷：即使本次對預啟閥故障暫不處理，也不會因預啟閥故障導致導致主汽門無法開啟的后果。

退一步說，新機組靜態調試的時候，在主汽閥沒有通入蒸汽的時候，是可以順利開啟的，所以，最不利的情況是：在二段暖管結束后，將自動主汽閥前的蒸汽壓力卸掉，此時自動關閉器提升主汽閥，僅需克服設備自身的重力及彈簧的阻力，是一定能夠開啟自動主汽閥的。

2.3　自動關閉器的提升力驗證

2015年2月1日，該機組大修完成后進行調試，啟動機組，自動主汽閥能夠順利開啟，經試驗證實：在機組按旁路暖管、暖機、啟動方式條件下，即使預啟閥處于卡澀抱死關閉的狀態下，也能夠順利開啟。

3　閥門的嚴密性

機組的自動主汽閥與高壓缸調速汽門是保證機組安全啟、停和運行的關鍵部件，它們的嚴密性保證汽輪機在突然甩負荷或緊急停機后不至于過分超速，并能有效地控制轉速，因此要求機組甩負荷前后進行汽門嚴密性試驗。

3.1　自動主汽閥的嚴密性要求

自動主汽閥是主蒸汽進入汽輪機的第一道總閥門，其主要功能是在危急情況下，當汽輪機的保護裝置動作后，能迅速自動關閉，快速切斷進入汽輪機的主蒸汽通道，使機組迅速停機，以防止產生過大的超速或避免事故擴大。

高壓汽輪機對自動主汽閥的嚴密性一般要求【水利電力部司局文件（87）基火字第86號文】：

（1）關閉試驗閥門，能使機組轉速降至1000 r/min以下為合格，降速過程時間僅作參數。

（2）試驗時主蒸汽壓力應不低于1/2額定值，當蒸汽壓力低于額定值時，應對允許轉速進行修正。

3.2　自動主汽閥嚴密性的初步判斷

機組正常運行時，預啟閥處于開啟狀態，如果此時發生卡澀故障，則停機后，預啟閥應該處于開啟狀態。

自動主汽閥解體后，根據對預啟閥的觀察：預啟閥處于關閉狀態，據此判斷，預啟閥發生卡澀故障是在某次停機期間發生的。雖然預啟閥處于關閉狀態，并不能保證嚴密性，聯系歷次啟動機組的經驗，沒有發現自動主汽閥不嚴。

綜上所述，初步判斷：在備件短期內無法運抵現場的情況下，即使本次對預啟閥故障暫緩處理，也可能不會因預啟閥故障導致主汽門不嚴的后果。

當然，“沒有發現自動主汽閥不嚴”并不能說明自動主汽閥的嚴密性是合格的，啟動機組時，應該對自動主汽閥嚴密性加以驗證。如果嚴密，則預啟閥缺陷可以暫緩處理，如果不嚴密，則必須盡早處理。

3.3　汽門嚴密性試驗結果

經試驗證實：

（1）在高壓缸調速汽門保持開啟狀態下，將自動主汽閥關閉后，機組轉速由3000 r/min降至1000 r/min以下，惰走時間約4 min，證實自動主汽閥嚴密性合格。

（2）在自動主汽閥保持開啟狀態下，將高壓缸調速汽門關閉，機組轉速由3000 r/min降至1000 r/min以下，惰走時間約6 min，證實調速汽門嚴密性合格。

4　改進設計消除預啟閥的缺陷

綜上所述，在沒有備件儲備的情況下，暫時忽略自動主汽閥預啟閥卡澀抱死故障，實屬權宜之計；若逢大修周期更換備件，也不能保證機組正常運行時預啟閥處于正常狀態。

若要從根本上解決這個問題，必須查清原因，改進設計。

預啟閥的材質為：15Cr11MoV，預啟閥套筒的材質為：30Cr2MoV。經與設備制造廠家交流，廠家承諾從預啟閥及其套筒金屬材料的選擇及部套間隙設計方面進行改進，徹底解決這個問題。

5　結論

(1)根據該機組預啟閥所處的狀態及機組的暖管方式、啟動方式、及運行經驗，經計算及實踐證實，即使在預啟閥處于關閉的狀態下，自動關閉器的提升力能夠保證自動主汽閥順利開啟；考慮到機組在運轉過程中，如果因某種意外原因導致機組跳閘，需要盡快投入運行時，往往需要盡快開啟主汽門，如果預啟閥處于卡澀抱死關閉狀態不能開啟，則由于主蒸汽壓力過大，自動主汽閥不能正常順利開啟，不利于生產順行，不利于設備安全。因此，這個缺陷必須盡早消除。

(2)在確認主汽門嚴密性合格的前提下，在沒有備件儲備的條件下，為縮短工期，自動主汽閥預啟閥的缺陷可以暫緩處理。但是，預啟閥處于關閉狀態并意味著能關嚴，嚴密性不能得到充分的保證。雖然汽門嚴密性試驗合格，但是畢竟存在卡澀現象，因此，這個缺陷必須盡早消除。應早日購置預啟閥的相關備件。對新備件應要求廠家改進設計，以克服卡澀抱死的缺陷。

[參 考 文 獻]

【1】中國動力工程學會主編.火力發電設備技術手冊（第二卷，汽輪機）[M].北京：機械工業出版社,2007年1月.

【2】李寶玉,魏玉璞編著.汽輪機調節系統疑難問題解析[M].北京：化學工業出版社,2006年6月.