中壓工業汽輪機一體式閥門的設計*

□田偉華　□何　勁　□陳先鋒上海電氣電站設備有限公司 上海汽輪機廠　上海　200240

中壓工業汽輪機一體式閥門的設計*

□田偉華□何勁□陳先鋒
上海電氣電站設備有限公司 上海汽輪機廠上海200240

汽缸-閥殼一體化設計是機組集裝化設計的基本前提之一，中壓工業汽輪機一體式閥門的開發是一個典型的整裝、噴嘴調節、提板調節汽閥的設計案例。針對此類結構進行系統分析，論證了其可行性和適用范圍，設計符合整裝要求，結構穩定性及平衡性較好，參數適應性較為廣泛，為同種類型工業汽輪機的閥門設計提供了新的設計思路。

集裝化設計是工業汽輪機如給水泵小機、送風小機等類型機組的核心設計理念之一，此類機組通常不作為整個電站系統的主力，而是作為輔助模塊運行。一般工程建設中此類機組不具備較長的建設周期，因此集裝化設計可以大大減少技術配合、現場安裝的時間，從而保證項目主體進度。

座缸式閥門的設計是機組集裝化設計的基本前提之一，結構上一般將主汽閥和調節閥閥殼及汽缸做成一體或采用法蘭連接。閥門主要靠汽缸支撐（有時機架上設彈性支撐），閥門和汽缸之間基本沒有管道，閥門沒有落地的支撐。采用座缸式閥門設計顯然將使整個模塊變得更加緊湊，使集裝化設計容易實現。

工業汽輪機的集裝化設計和大機組的模塊總裝發運的概念并不相同。即便大型機組的閥門（例如1 000 MW汽輪機組）采用座缸設計，且模塊整裝發運，也并非是所謂的集裝化設計，因為大機組模塊并沒有放到一個公共機架上，其軸承座一般也不會集裝到模塊上發運。分模塊發運到現場后，多個模塊之間仍需要安裝調整。而集裝化設計的工業汽輪機則不同，以下以驅動鍋爐引風機汽輪機組為例，對中壓參數機組座缸式進汽閥門的設計進行論述。

1　工業汽輪機一體式閥門與大型機組一體式閥門的區別

工業汽輪機一體式閥門與大型汽輪機組的閥門設計具有較大的區別，除設計參數不同外，結構設計的差異主要表現如下。

工業汽輪機經常在變工況下運行，因此一般采用噴嘴調節，即由多個調節閥控制對應的蒸汽室和噴嘴組進汽，閥門數目多，每個閥門對應單獨的蒸汽室，且互不相通。大機組往往在穩定工況下運行，其噴嘴調節的功能已經逐漸弱化或取消，多采用單閥調節、全周進汽，故調節閥的個數少，蒸汽室為全周進汽，無分隔。

因為大機組的調節汽閥數量較少，布置設計比較靈活，一般懸掛在汽缸的側面（切向進汽）。而工業汽輪機的閥門數量很多，并且要配合不同的蒸汽室，一般布置在汽缸頂部。

調節閥的結構形式不同，為了做到結構緊湊、控制方便，工業汽輪機將多個調節閥布置在同一個腔室內，多個閥頭裝在一根橫擔上，由一組共用的提升桿控制。總體上工業汽輪機的調節閥閥頭小，蒸汽壓力低，閥門提升力小，否則是不能做成橫擔結構的。

大型機組一體式閥門結構如圖1所示，中壓汽輪機汽輪一體式閥門結構如圖2所示。

圖1　大型汽輪機組一體式閥門結構

圖2　中壓汽輪機一體式閥門結構

因為機型的差異，這兩種結構難于調和。中壓機型從總體上說應屬于中小機型，因此傾向于用中小機型的一體式閥門設計方案來進行中壓進汽機組一體式閥門的方案設計，筆者只針對這種方案進行論述。

2　一體式閥門的蒸汽室結構方案

汽輪機進汽部分由汽缸、蒸汽室、調節閥和主汽閥組成，其中蒸汽室基本置于汽缸內部，蒸汽室和汽缸一般不可能一體鑄造出來，只能采用焊接或法蘭連接到汽缸上。汽缸、主汽閥閥殼、調節閥閥殼幾乎不可能成一個整體鑄造出來，在總體結構的劃分上有兩種方式，其一是將調節閥閥殼在汽缸上鑄造出來，主汽閥懸掛在調節閥殼的一側，以給水泵汽輪機組為代表，這種結構幾乎沒有辦法進行蒸汽室安裝，因此只適用于單層進汽結構上，如圖3（a）所示。其二是將調節閥殼和主汽閥殼做成一體，調節閥部分閥殼采用倒扣的方式，通過法蘭連接到汽缸上，這種結構在汽缸頂部有一個比較開放的接口，便于采用不同的蒸汽室結構，如圖3（b）所示。

圖3　閥門蒸汽室結構形式

如圖3（b）所示的汽缸進汽雙層結構在高壓以上的機組上是普遍使用的，但適用于進汽閥布置在汽缸頂上的一體化結構設計卻不常見。如前所述，高壓以上機組作用在閥桿上的蒸汽力較大，多采用單閥-單油動機-全周進汽的結構，因此很容易通過鐘罩或密封環等措施解決雙層缸的密封問題。而中壓以下的工業汽輪機的噴嘴調節往往設置多個調節汽閥，由于蒸汽力較小，每個調節汽閥設置單獨油動機驅動的設計方案并沒有必要，也不利于機組小型化。鑒于此，有必要開發進汽閥頂部座缸、雙層缸的成套結構。

汽缸、蒸汽室、閥殼形成的三重結合面，這種配合方式常見的結構方案如圖4所示。

圖4（a）和4（c）的蒸汽室均采用三片法蘭的結構，形成了兩個密封面。不同的是（a）方案中間法蘭完全夾在另外兩片法蘭內部，密封面較小，三層結構之間相互制約，同時保證兩個面的密封比較困難，在中壓條件下使用，可靠性不能保證。圖4（b）采用了焊接結構，比較好地解決了密封問題，而且為蒸汽室提供了準確定位（因調節閥的閥碟實際上是裝在蒸汽室上的，蒸汽室的定位要求是比較高的）。

蒸汽室和汽缸采用焊接結構之后，需要考慮以下問題。

（1）結構焊接后應進行熱處理，再加工中分面。調節閥閥座如果是焊接之前套入蒸汽室，則焊后熱處理，紅套量會消失；如果熱處理后紅套，則無法裝入閥座的固定銷。一般設計優先采用閥座直接在蒸汽室加工并堆焊硬質合金。

（2）焊接和熱處理變形會對噴嘴安裝位置產生影響，焊接時應當考慮汽缸和蒸汽室之間的準確限位，例如設置限位鍵，如圖5所示。

圖4　三重結合面配合方式

圖5　蒸汽室限位措施

3　一體式閥門本體結構設計

3.1提板式閥門流量特性

采用噴嘴調節方式的汽輪機，調節閥的配置與調節級效率、強度關系密切，在部分負荷的情況下，采用噴嘴調節可以減少閥門節流損失，提高調節級效率，但同時部分負荷下調節級焓降較大，高于額定工況。出于對調節級的運行業績、總體的焓降分配、調節級的葉高損失和部分進汽損失的評估、常工況部分負荷設計點的選擇、轉子軸系穩定性等多方面的要求，確定調節級噴嘴的幾何參數、部分進汽度、噴嘴總數和分組情況。

每個調節閥對應一定的噴嘴組，閥門口徑的選型可以按噴嘴的面積選擇，也可以按閥門喉部流速計算喉部面積。另外按閥門喉部流速計算閥門喉部面積時，需要注意各組噴嘴和對應的閥門喉部面積之比應一致，否則即使在額定工況下，各閥門流速和壓損也不一致。典型的閥門形式有球頭閥型線和GX-1型。

與大型發電汽輪機不同，中低壓參數的機組閥門本身需要的提升力不大，調節閥口徑小，數量多，如果每個調節閥均設置一套獨立的閥門閥桿結構，閥門在汽缸上的布置將變得極為復雜，而且零件數量將大為增加。因此在這類機型上經常采用提板式閥門結構，典型的提板式調節閥如圖6所示。

圖6　典型的提板式調節閥

閥殼內若干閥門布置在一條橫梁上，橫梁兩側設置兩根提升桿，由一副公共杠桿和油動機驅動。每個閥門設置了一定的空行程，即閥門重疊度，空行程的大小決定了閥門開啟的順序、機組的流量調節特性。良好的流量調節特性是閥門重疊度優化設置的主要目標之一，還要考慮閥門重疊度的設置應使機組常運行的部分負荷工況閥門節流最小。帶重疊度的閥組每個閥依次開啟（非依次全開），各閥的最大流量和焓降均不超過依次全開的最大值。

提板式調節汽閥配置了閥門重疊度，閥組提升力（即蒸汽對閥碟的作用力）顯然不同于單閥的提升力，閥組的提升力是每個開啟的閥門提升力之和，每個開啟的閥門前后壓力可以認為是一致的，但閥門規格和開度不一致，提升力需要分別計算。一般單個提升式的閥門可按全關、全開兩個狀態考量門桿的最大提升力，提板式的閥組則需要對整個開啟過程的蒸汽作用力變化進行考量。

某提板式閥門的特性曲線如圖7、圖8所示。

圖7　流量/升程曲線

圖8　蒸汽作用力

3.2提板式閥門桿系運動特性

調節閥的杠桿系由杠桿支點、提升桿、彈簧箱、油動機組成，一般要求四部分集成在一個閥殼上，這樣閥門所有的開啟關閉力均在閥殼上，達成內力平衡，不會傳遞到汽缸上，另外，裝拆比較方便安全。杠桿系如圖9所示。

圖9　調節汽閥杠桿結構

利用杠桿系在支點處的力矩平衡條件計算各閥點的油動機出力，各閥點的蒸汽作用力和彈簧力都是不同的，需要逐點計算。各閥點提升力見表1。

表1　閥桿提升力計算［1］

提板式閥門杠桿連接點多，必須考慮杠桿的穩定、導向和定位。如圖9所示，杠桿上有兩個支點、兩個閥門提升點、一個彈簧箱連接點、一個油動機連接點，可以得到較好的剛性和平衡性。杠桿本身比較粗重，和閥門之間存在不確定的差脹，連接點多，相互制約，杠桿設置限位和導向，要保證杠桿在垂直方向上的轉動、在水平方向上的自由膨脹。

采用提板式調節閥的機組不采用主汽門沖轉，始終采用調節閥控制，主汽閥不考慮沖轉。開啟主汽閥的前提是調節汽閥要關閉，主汽閥內置小閥僅作閥碟前后壓力平衡使用，小閥大小和型線一般不作要求。主汽閥和油動機采用直連連接，在閥蓋外側設置了連接座，可以靈活匹配油動機座接口和閥蓋接口，另外將油動機和高溫閥體隔開。閥桿和油動機軸的連接采用對夾法蘭，保證接口的抗沖擊能力。主汽閥主體部分結構見圖10。

3.3一體式閥殼強度計算

由于進汽參數較低，閥門及螺栓材料相比高壓機組也相應降低，單獨考核閥殼不易反映真實情況，一般將汽缸和閥門一起計算，得到整體變形量和應力比再作分析［2］。

圖10　主汽閥內部結構示意圖

4　總結

中壓工業汽輪機一體式閥門的開發是一個典型的整裝、噴嘴調節、提板調節汽閥的設計案例，閥門的方案設計從閥門的功能、總體上的要求著手，結構設計則在閥門方案和設計參數的基礎上，分析結構穩定平衡性、參數適應性來進行結構布置。

工業汽輪機因其運行工況多變，閥門控制是本體設計的重點和難點，以上針對典型的中壓進汽參數汽輪機（文中實例機型的主蒸汽壓力≤6 MPa，溫度≤510℃）進行了一體式閥殼的結構分析論證，其在常規高壓進汽參數下的適應性也在進一步研究中。

［1］吳厚鈺.透平零件結構和強度計算［M］.北京：機械工業出版社，1982.

［2］丁有宇.汽輪機強度計算手冊［M］.北京：中國電力出版社，2010.

Cylinder-valve housing integrated design is one of the fundamental preconditions in unit block design，the development ofintegrated valve for mediumpressure industrial steam turbine is a typical design case involving unit assembly，nozzle adjustment，cylinder valve adjusted by lifting beam.The systems analysis of such structure demonstrates the feasibility and its scope of application，its design can meet with the requirements for unit assembly.With the features of sound structural stability，balance ability and extensive parameter adaptability it can furnish newideas in design of same types of industrial steamturbine valves.

集裝化；一體式閥門；提板式；

Unit Assembly；Integrated Valve；Lifting Beam Type

TK264.9

A

1672-0555（2015）03-028-06

*上海市科學技術委員會資助項目（編號：13QB1402400）

2015年6月

田偉華（1979-），男，本科，動力工程碩士，主要從事汽輪機結構設計開發工作