汽輪機調速汽門油動機缸壁磨損的治理

汪永久，林 森，李耀奇

(1．華能大連電廠，遼寧 大連 116100;2．遼寧東方發電有限公司，遼寧 撫順 113007)

隨著大容量機組自動化水平的提高，人為控制機組能力越來越弱，必須保證機組控制系統在額定蒸汽參數下工作，維持汽輪機額定轉速，且機組甩負荷后轉速要控制在危急保安器動作值以下。

華能大連電廠1號、2號機組為日本三菱公司生產的TC2F－40型中間再熱、雙缸雙流凝汽式350 MW燃煤機組。該機組于1988年12月并網發電，至今已有18年，運行中存在幾次因汽輪機控制油中含有雜質導致主汽門、調速汽門油動機卡澀問題，給機組安全穩定和經濟運行帶來很大隱患。

1 汽輪機功頻電液控制的基本原理

工農業發展對電力提出的要求越來越高，傳統液壓控制系統已不能適應，需要采用更為復雜的調節系統，目前國內大多數大功率汽輪機控制系統采用電液調節系統。

為提高汽輪機適應負荷能力，通常采用功頻電液調節系統。在系統中，測速、測功、PI調節器和功率放大器等為電子元件，其它為液壓元件(見圖1)。

圖1 功頻電液調節系統原理

當汽輪機由于負荷減少導致轉速上升時，測速元件輸出電壓升高，此電壓信號經過PI調節器變換和功率放大器放大后，輸入至電液轉換器，轉換為液壓信號。推動元件油動機關小調速汽門，減少汽輪機功率。功率減小后，測功元件輸出電壓降低，抵消了轉速增大時升高的電壓，因此系統為負反饋信號。當系統達到新平衡工況時，測功元件輸出電壓變化完全抵消了測速元件輸出電壓的改變，油動機及其它元件均穩定在新工作位置上，汽輪機在新工況下保持穩定運行。功頻電液調節系統見圖2。

汽輪機調速汽門是汽輪機控制的關鍵部件。其動作是否靈活、平滑，將直接影響汽輪機轉速及負荷控制。為保證機組轉速和負荷控制平穩 (不發生大擺動)，在機組動靜態調試時，將各調速汽門按順序開啟時設定一定重疊度。

當調速汽門逐漸開啟時，進汽量G隨著閥門開度L的開大而增加，當調速汽門開啟到一定程度后，由于調速汽門前后壓差減小，流量增加緩慢。如果某一調速汽門全開后再開下一個，幾個調速汽門聯合生成的特性線會出現階梯，此時階梯段閥門失去調節功能，其開度增加但流量幾乎不變，從而引起機組轉速或負荷擺動，因此調速汽門必須有一定重疊度 (約10%)。圖3為調速汽門重疊度曲線。

2 調速系統存在問題分析

當機組升負荷信號經過PI調節器放大和功率放大器變換后，輸入至電液轉換器轉換為油壓增大信號，調速汽門接收到信號后，快速響應并緩慢增大開度，使機組負荷加大。2008年5月16日，華能大連電廠1號、2號機組在升負荷指令發出過程中，調速汽門響應嚴重遲緩，只有當控制油壓增大到一定程度后，才做出響應并加大開度，使機組負荷波動30 MW左右。

為解決此問題，利用檢修機會對調速汽門及油動機進行解體，發現油動機內缸壁被活塞脹圈磨損。磨損寬度為40 mm左右 (調速汽門經常工作區)，設計直徑為200 mm，磨損部位直徑為201.4 mm，增大了1.4 mm。因此油動機在磨損與未磨損部位交界處卡澀。油動機內缸壁磨損有以下幾點原因。

a． 調速汽門油動機全工作區域為0～248 mm。由于汽輪機長期在230～250 MW負荷區間運行，對應調速汽門油動機開度區域為110～150 mm，油動機活塞脹圈始終工作在此區域，造成油動機缸壁在40 mm區域內被活塞脹圈長期磨損而使缸壁直徑增大1.4 mm。

b． 油動機缸體母材為SCMnH11，硬度 (HB)為220，而油動機活塞脹圈材質為HT28－48，硬度 (HB)為270。活塞脹圈硬度比油動機內缸壁高，因此油動機缸體被活塞脹圈磨損。

顯然這種設計不合理，因為油動機缸體屬于設備，設備磨損更換困難且費用昂貴，而活塞脹圈屬于易損件容易更換。

3 油動機內缸壁磨損治理措施

3.1 設計鑲內套方法

采用設計加工鑲內套辦法，解決油動機缸體磨損問題。將油動機內缸壁由200mm擴大到208mm，鑲入內套尺寸為208 mm×200 mm。所鑲內套材質為38CrMoAl，且表面進行氮化處理，硬度 (HB)為320，這樣油動機缸體比活塞脹圈硬度 (HB為270)高，油動機缸體磨損大大減輕，即使長時間磨損，也可更換內套，簡單且費用低。

3.2 鑲內套的工藝要求

a． 材料的選用。由于油動機缸壁材料為鑄鋼，HB為200左右［1］。油動機脹圈屬于易更換部件，但缸體造價昂貴，屬于經久耐用件，因此油動機缸壁需有較高抗磨能力，鑲入內套材料應具備較好熱處理性能及表面滲氮性能，以提高抗磨能力，并具有較好高溫定性性能，防止變形。

b． 工藝要求。鑲入內套選用38CrMoAl材質，調質后表面滲氮48 h后處理，過盈裝配后在端部氬弧焊接，并用專用設備對新鑲入內套進行研磨使其達到要求公差度及光潔度［2］。

3.3 強度計算

改造前油動機內徑為D0=200 mm，壁厚t1=24 mm，D1=212 mm，工作油壓為P=2.1 MPa，那么油動機缸壁所受徑向應力:

油動機缸壁所受軸向應力:

改造后油動機內徑D0=208 mm，壁厚為t2=20 mm，D2=218 mm，工作油壓P=2.1 MPa，那么油動機缸壁所受徑向應力:

油動機缸壁所受軸向應力:

油動機缸體材質為SCMnH11，為鑄鋼結構，屬于脆性材料，則:

式中，σb=52 MPa［3］;脆性鑄鋼斷裂安全系數nb為 4.0［2］。

經過強度計算，鑲入內套改造的油動機缸壁完全滿足強度要求，改造工藝過程也滿足油動機使用性能需求。

4 經濟效益

華能大連電廠一期2臺350 MW機組調速汽門油動機缸體經過鑲入內套改造安裝調試后，調速汽門油壓開度曲線平滑，機組轉速及負荷控制穩定，徹底解決了油動機卡澀問題。

改造后的油動機缸體，在強度、材料使用、外形尺寸、使用性能等方面都滿足改造前油動機技術工藝要求。

油動機缸體改造從2008年6月至今，已有3年半時間，小修時對油動機缸體進行了解體檢查，未見磨損現象，使用效果良好，說明改造效果較好，僅此一項就節約進口備件費用約300多萬元，經濟效益顯著。

［1］ 劉鳴放．金屬材料力學性能手冊［M］．北京:機械工業出版社，2010．

［2］ 盧玉明．機械零件的可靠性設計［M］．北京:高等教育出版社，1989．

［3］ 機械工程師編委．機械工程師手冊 (第二版)［M］．北京:機械工業出版社，2000．