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汽輪機(jī)是火力發(fā)電廠(chǎng)的原動(dòng)機(jī),驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能。正常運(yùn)行時(shí),通過(guò)調(diào)速系統(tǒng)控制蒸汽閥改變汽輪機(jī)的進(jìn)汽量,使汽輪機(jī)的功率輸出滿(mǎn)足外界的負(fù)荷要求。隨著汽輪機(jī)大容量化的發(fā)展,閥門(mén)尺寸與所受作用力急劇增大。在生產(chǎn)運(yùn)行中,調(diào)節(jié)閥(governingvalve,GV)事故時(shí)有發(fā)生,主要由GV振動(dòng)引起。GV振動(dòng)會(huì)造成閥桿疲勞斷裂與閥芯損壞,閥芯的跳動(dòng)會(huì)引起蒸汽流量波動(dòng),使發(fā)電機(jī)組無(wú)法正常運(yùn)行,同時(shí)引起整個(gè)管道系統(tǒng)尤其是抗燃油管的共振,因此對(duì)振幅長(zhǎng)期超過(guò)100μm的抗燃油管需特別關(guān)注。
國(guó)內(nèi)外對(duì)GV因蒸汽流引起的振動(dòng)已有一定的研究,主要手段是數(shù)值模擬,完全模擬高參數(shù)下的實(shí)驗(yàn)較少。認(rèn)為蒸汽流動(dòng)沖擊及共振造成GV喉部(流道最小截面處)附近的靜壓參數(shù)分布不均勻,是引起閥門(mén)振動(dòng)的主要因素。認(rèn)為把閥芯附著流變?yōu)殚y座附著流,方向正確但不能絕對(duì)化,關(guān)鍵應(yīng)避免不穩(wěn)定汽流。提出了閥芯型面的設(shè)計(jì)方法。
1 機(jī)組調(diào)節(jié)閥介紹
某廠(chǎng)2臺(tái)700MW汽輪機(jī)為日本三菱公司的TC4F-40型亞臨界、反動(dòng)式、單軸、三缸、四排汽汽輪機(jī)。主蒸汽壓力17.5MPa,溫度538℃。高壓主汽閥(mainstopvalve,MSV)與高壓GV聯(lián)合成整體結(jié)構(gòu)(如圖1所示),2個(gè)高壓MSV呈臥式對(duì)稱(chēng)布置于高壓缸兩側(cè),GV為立式布置。MSV用于控制氣流通斷,通常為全開(kāi)或全關(guān)狀態(tài),全開(kāi)時(shí)蒸汽流量通過(guò)GV控制。GV閥位通過(guò)數(shù)字式電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)(digitalelectro-hydrauliccontrolsystem,DEH)控制,正常運(yùn)行采用噴嘴調(diào)節(jié),即GV1、GV2全開(kāi),GV3依據(jù)負(fù)荷控制開(kāi)度,GV4只在滿(mǎn)負(fù)荷情況下少量開(kāi)啟。
圖1 單側(cè)MSV、GV布置形式
2 故障現(xiàn)象及分析
隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)及檢修次數(shù)的增多,汽輪機(jī)通流間隙增大,效率下降,導(dǎo)致相同負(fù)荷下GV3所需開(kāi)度不斷增大。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷為630~660MW,GV3開(kāi)度為24%~30%時(shí),2臺(tái)汽輪機(jī)就地均有GV3振動(dòng)和噪聲較大的現(xiàn)象,抗燃油管振幅最高達(dá)205μm。為防止高振動(dòng)帶來(lái)的閥桿斷裂、油管爆漏等風(fēng)險(xiǎn),將GV3最大開(kāi)度限制在17%,高負(fù)荷下利用GV4進(jìn)行調(diào)節(jié)。
根據(jù)汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)和蒸汽通流情況,引起GV3振動(dòng)的原因有:外振動(dòng)源傳導(dǎo)、伺服控制機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)不穩(wěn)、部件間隙過(guò)大、蒸汽流動(dòng)沖擊及共振。
2.1 附近振動(dòng)源
GV3蒸汽流道通過(guò)導(dǎo)汽管與汽輪機(jī)高壓內(nèi)缸相連,閥桿經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與油動(dòng)機(jī)相連,高壓缸或油動(dòng)機(jī)可將大振動(dòng)傳導(dǎo)至GV?,F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量,同樣與高壓內(nèi)缸相連的GV4振動(dòng)正常,GV3閥桿橫向振動(dòng)達(dá)160μm時(shí),油動(dòng)機(jī)活塞桿處橫向振動(dòng)穩(wěn)定在50μm左右。故可排除外振動(dòng)源的因素。
2.2 伺服控制機(jī)構(gòu)
圖2為GV3的控制原理圖。由圖2可知,GV3為閉環(huán)控制,閥位指令信號(hào)與閥位反饋信號(hào)比較后形成閥位偏差信號(hào),經(jīng)伺服放大器轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)并進(jìn)行電功率放大,接著在電液伺服閥中將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成高油壓信號(hào),用以驅(qū)動(dòng)油動(dòng)機(jī),進(jìn)而通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)改變閥位。線(xiàn)性位移變送器測(cè)量的閥位信號(hào)反饋至調(diào)節(jié)回路的輸入端,使閥位偏差信號(hào)逐漸減小。當(dāng)閥位偏差為零時(shí),系統(tǒng)便達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。
圖2 GV3的控制原理
伺服控制機(jī)構(gòu)不穩(wěn)的原因有:伺服卡件失效、伺服閥故障、線(xiàn)性位移變送器松動(dòng)或反饋故障、油動(dòng)機(jī)卡澀、油壓波動(dòng)、油中帶水或空氣、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)松動(dòng)或卡澀等。檢查伺服卡件及信號(hào)正常。GV3開(kāi)度為17%時(shí),負(fù)荷穩(wěn)定無(wú)波動(dòng),閥桿徑向振動(dòng)59μm;GV3開(kāi)度為24%~30%時(shí),閥桿徑向振動(dòng)最大達(dá)164μm,且伴隨較大撞擊聲,但閥門(mén)活動(dòng)靈活,負(fù)荷調(diào)節(jié)順暢。這說(shuō)明伺服控制機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)正常。
2.3 部件間隙
高壓GV由閥體、閥芯、閥套、閥桿及閥蓋襯套等組成,不帶預(yù)啟閥,如圖3所示。閥芯為半球形,中心有平衡孔以減小關(guān)閉時(shí)閥芯前后壓差。GV間隙主要有閥桿與閥蓋襯套間隙、閥套與閥蓋襯套間隙。間隙過(guò)大時(shí),GV在各種振動(dòng)源觸發(fā)下會(huì)引起自身零部件的振動(dòng)。
圖3 高壓GV的結(jié)構(gòu)
表1為2臺(tái)汽輪機(jī)GV3出現(xiàn)明顯振動(dòng)前后的2次檢修數(shù)據(jù)。
表1 GV3間隙測(cè)量結(jié)果
由表1可知:2號(hào)汽輪機(jī)的間隙偏大,1號(hào)汽輪機(jī)間隙合格(標(biāo)準(zhǔn)值為0.25~0.30mm)。經(jīng)驗(yàn)上間隙超標(biāo)1.5倍是可以接受的,運(yùn)行中由于氧化皮的積累,間隙會(huì)逐漸減小,故閥門(mén)振動(dòng)大不是部件間隙導(dǎo)致的。
2.4 蒸汽流動(dòng)沖擊及共振
定性而言,GV的振動(dòng)主要是受到通過(guò)GV喉部交匯的氣流沖擊造成的。氣流速度越快,氣流交匯點(diǎn)距閥芯越近,則振動(dòng)越大。GV3在小開(kāi)度下氣流速度快,但此時(shí)沿閥芯切線(xiàn)流向的氣流交匯點(diǎn)離閥芯較遠(yuǎn),故振動(dòng)不大;在一定開(kāi)度下,速度足夠快的氣流沿閥芯流動(dòng),在閥芯附近碰撞使閥芯產(chǎn)生劇烈振動(dòng);在大開(kāi)度下,氣流速度降低,故振動(dòng)有所下降。
圖4是半球形閥芯與平底凹口形閥芯的氣流流向分布。由圖4可看出,平底凹口形閥芯能減小氣流對(duì)閥芯的附著,使氣流交匯點(diǎn)遠(yuǎn)離閥芯,有效降低振動(dòng)。
圖4 半球形與平底凹口形閥芯氣流流向分布
3 處理及結(jié)果
利用停機(jī)檢修機(jī)會(huì)2號(hào)汽輪機(jī)對(duì)GV3進(jìn)行改型,保留原閥體、閥座和閥蓋襯套,閥桿、閥套和閥芯整體更換,其中閥芯由半球形更換為平底凹口形,閥桿的外徑不變。
為保證閥門(mén)開(kāi)度滿(mǎn)足要求,原閥蓋襯套靠閥芯側(cè)沿軸向去除39mm,加工面最大粗糙度為6.3μm。打磨氧化皮后,測(cè)量確認(rèn)閥桿彎曲度、各部套間隙、閥門(mén)行程合格且閥芯活動(dòng)靈活。對(duì)閥芯、閥座進(jìn)行檢查,密封線(xiàn)合格后整體回裝。
改進(jìn)后GV3在0~56%開(kāi)度(此時(shí)機(jī)組已達(dá)滿(mǎn)負(fù)荷)下振動(dòng)值基本保持穩(wěn)定,高噪聲現(xiàn)象消除。更換閥芯前后GV3閥桿處振動(dòng)實(shí)測(cè)結(jié)果如圖5所示,抗燃油管最大振幅見(jiàn)表2。改進(jìn)后閥芯流量特性有所變化,但依靠DEH的自動(dòng)調(diào)節(jié)性能可完全正常運(yùn)行。經(jīng)過(guò)一年多的運(yùn)行,2號(hào)汽輪機(jī)GV運(yùn)行穩(wěn)定,其后對(duì)1號(hào)汽輪機(jī)GV3也進(jìn)行了改造。
圖5 2號(hào)汽輪機(jī)GV3閥芯改造前后振動(dòng)對(duì)比
表2 2號(hào)汽輪機(jī)GV3閥芯改造前后抗燃油管最大振幅對(duì)比
4 結(jié)論
通過(guò)對(duì)GV3高振動(dòng)、高噪聲的分析和處理,說(shuō)明采用平底凹口形閥芯可有效降低GV的振動(dòng)和噪聲。改進(jìn)后的高壓GV能避免閥桿斷裂、閥芯脫落、油管爆漏等風(fēng)險(xiǎn),降低了開(kāi)大GV4進(jìn)一步造成的節(jié)流損失,延長(zhǎng)了汽輪機(jī)的使用壽命。
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