超超臨界機組旁路閥閥芯卡澀分析及處理

浙江浙能鎮海發電有限責任公司 沈岳良

某電廠新建2×660MW超超臨界機組的鍋爐采用北京巴威公司生產的高效超超臨界參數變壓直流爐。最低直流負荷為30%BMCR，鍋爐最大連續蒸發量為汽輪機最大連續出力工況（T-MCR）蒸發量的1.03倍，采用定-滑-定方式運行。汽輪機采用上海汽輪機廠引進西門子技術生產的超超臨界、單軸、四缸四排汽凝汽式汽輪機，其入口主蒸汽參數為28MPa/600℃/620℃，汽輪機采用定-滑-定壓運行方式。

旁路系統采用40%BMCR容量高低壓二級串聯旁路裝置，旁路系統的作用是協調汽輪機與鍋爐之間的運行，除回收工質、消除噪聲、保護再熱器的安全運行外，還可使機組在冷態、熱態、滑壓和定壓等各種不同方式下啟動；在電網或機組故障時，旁路系統起保護作用，使機組快速甩負荷，并在短時間內低負荷運行，帶廠用電［1］。2020年9月首臺機組在整套啟動調試過程中高、低旁路閥多次發生閥座和閥芯卡澀故障。解體后發現高低壓旁路閥的閥芯外表面和閥蓋內表面均存在不同程度的卡澀拉毛損壞現象。

1 原因分析

旁路閥閥芯結構為鼠籠型式，閥座和閥芯配合為帶預啟閥功能的插入式結構（圖3），閥座和閥芯之間的間隙單邊為0.5mm左右。高低旁路閥在機組啟動前的開啟、關閉冷態調試都很正常，熱態啟動后才發生卡澀故障。分析造成卡澀的主要原因有以下幾個方面。

圖1 高旁閥損壞情況

圖2 低旁閥損壞情況

圖3 旁路閥結構示意圖

1.1 閥前管路系統內存在雜質、硬金屬異物

硬質金屬異物主要來源于主蒸汽及再熱蒸汽系統，機組在整套啟動前雖已嚴格按照相關標準及要求對鍋爐受熱面等進行了沖管吹掃并打靶檢查合格。但因系統復雜，不可避免留有吹掃死角，無法將鍋爐側的死角異物徹底吹掃干凈［2］（圖4）。另外由于沖管吹掃時旁路閥本體未安裝，前后管路被短接。因此旁路閥安裝完畢后，閥門前后局部管道內壁存在清潔度較差現象。

圖4 旁路閥蓋內積存硬質金屬異物

1.2 閥組自身結構特性原因造成

通過對旁路閥閥蓋內表面及閥芯外表面硬度測試及查閱廠家制造說明書等相關出廠資料得知，旁路閥閥蓋及閥芯僅進行了調質處理，沒有進行表面硬化處理。另一方面，從圖3旁路閥結構示意圖中可知，當旁路閥前管道啟壓時閥門處于關閉狀態。介質首先通過圖3中4-4的彈性金屬導向密封環后進入閥蓋與閥芯之間的腔室，對預啟閥加壓，確保整閥關閉嚴密。因此部分顆粒度大于0.5mm的硬質金屬異物會積聚在主閥芯前，而小于0.5mm的雜質積聚在彈性金屬導向密封環前。當主閥閥門開度較小時，雜質如果未能及時從主通道沖走，在閥蓋與閥芯之間縫隙內會不斷積聚，從而拉毛損壞閥蓋及閥芯表面，造成閥門卡澀故障。

2 處理方法及對策

從上述原因分析可知，旁路閥前管路系統內積存的雜質及硬金屬異物是引起閥門卡澀的主要原因，但由于系統原因又無法徹底消除。因此只能從閥門本身的優化改造及運行調整方面著手解決。

2.1 對閥蓋和閥芯損壞部位補焊并進行熱處理和PT檢測

由于閥蓋和閥芯組件均采用同一種材質F92制造，當異物嵌入間隙卡澀時極易發生粘連擴大損傷面。因此在閥蓋內側配合面堆焊一層STELLITE #6硬質合金材料，使閥蓋和閥芯配合面形成異種金屬，同時增加了閥蓋內側配合面材料的表面硬度。

2.2 對閥芯外表面進行滲氮處理

圖5 缺損部位補焊F92材料

2.3 改進彈性金屬導向密封環的材料

將彈性金屬導向密封環更換成碳素材料導向密封環，增強潤滑性、減小摩擦力。

2.4 對旁路運行控制策略進行優化調整

圖7 閥芯外表面滲氮工藝表

圖8 閥芯外表面滲氮前后

旁路預啟閥的開度為整閥總行程的7～8%左右，機組啟動后為盡快把閥前積存的雜質沖走，旁路閥第一次開閥的開度不宜過小，但為保護旁路后的管道、防止振動，第一次開閥開度也不宜過大。由于高低旁閥門的閥芯直徑相差較大，同樣閥門開度下的通流面積也相差較大，因此低旁閥的最小開度值可以設置得相對小一些。把高低旁路運行控制策略調整為：高旁啟動模式投入，高旁會自動開至最小開度15%，等待機前主汽壓力緩慢升壓至1MPa，當機前主汽壓力升至1MPa時，高旁閥將隨主汽流量增大而逐漸開大，以維持機前壓力不變，高旁閥逐漸開大至30%開度后，高旁閥會自動轉入“壓力爬坡”模式。

圖9 導向密封環更換前后

在壓力爬坡模式下，高旁閥維持30%開度不變，隨著鍋爐燃料量的增加，機前壓力緩慢上升至沖轉壓力，高旁閥自動轉入“定壓模式”。高旁閥在定壓模式下，控制機前壓力，此時高旁閥最大開度仍維持在30%開度，即使主蒸汽壓力隨鍋爐燃燒的增加而增大，高旁閥開度也不會隨之增大。此時可改變壓力爬坡的定值（7.5MPa左右）并重新投入啟動模式，使高旁重新進入壓力爬坡模式，直到主汽壓力到達并網壓力（7.5MPa左右），再轉入定壓模式。低旁投自動后低旁閥會自動開至最小開度10%，此時的控制方式為“定壓模式”，以控制再熱器壓力。可以通過改變低旁閥的定壓自動控制值來改變再熱蒸汽壓力。

通過對旁路閥結構和運行方式的優化調整，機組順利通過了168小時滿負荷連續試運行考核，沒有再出現旁路閥卡澀現象，為后續新建機組建設提供了一些有益的探索。