試論工業汽輪機中壓閥門的一體式設計

石晶 梁萍

摘? 要：近年來我國工業汽輪機領域發展迅速，機組集裝化設計的廣泛應用便得益于這種發展，相關研究也因此大量涌現。基于此，文章將圍繞工業汽輪機中壓閥門一體式設計開展研究，研究主要圍繞蒸汽室結構、本體結構的設計展開，希望能夠為相關業內人士帶來一定啟發。

關鍵詞：工業汽輪機;中壓閥門;一體式;集裝化

中圖分類號：TK26 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）23-0106-02

Abstract： In recent years， the field of industrial steam turbine in China has developed rapidly， and the wide application of unit assembly design has benefited from this development， so a large number of related studies have emerged. Based on this， this paper will focus on the integrated design of medium pressure valve of industrial steam turbine， mainly around the design of steam chamber structure and body structure， hoping to bring some inspiration to the relevant industry.

Keywords： industrial steam turbine; medium pressure valve; integrated; container

前言

工業汽輪機的送風小機、水泵小機設計多采用集裝化設計理念，該理念主要用于機組輔助模塊設計。結合實際調研可以發現，工程建設中的送風小機、水泵小機往往不具備較長的建設周期，為保證項目主體進度，有效減少技術配合、現場安裝所需時間，集裝化設計必須在其中充分發揮自身作用。

1 基本分析

1.1 集裝化工藝汽輪機設計

在集裝化的工業汽輪機組設計中，座缸式閥門設計屬于其中的重要組成部分，設計一般會將主汽閥和汽缸及調節閥閥殼進行法蘭連接或做成一體。汽缸一般負責用于閥門支撐，部分時候也會在機架上設置彈性支撐，氣缸與閥門之間基本不會設置管道，也不會為閥門設置落地支撐。工業汽輪機組的模塊能夠在座缸式閥門設計支持下變得更為緊湊，集裝化設計的實現可獲得有力支持。相較于大機組的模塊總裝發運，工業汽輪機的集裝化設計存在一定特點。以1000MW汽輪機組為例，如其閥門采用座缸設計，且模塊整裝發運，但這與本文研究的集裝化設計仍存在較大差異，這是由于集裝化設計會采用公共機架，且其發運到現場的分模塊仍需安裝調整。對于工業汽輪機的集裝化設計來說，該設計可有效簡化安裝調整等環節，為證明集裝化設計優勢，本文研究將主要圍繞中壓參數機組座缸式進汽閥門設計展開[1]。

1.2 閥門的區別分析

深入分析可以發現，大型汽輪機組閥門與工業汽輪機一體式閥門在設計環節存在較大差別，這種差別不僅源于設計參數的不同，二者在結構設計層面也存在顯著區分。穩定工況下運行屬于大型汽輪機組的常態，一般采用單閥調節、全周進汽，噴嘴調節功能基本被取消或弱化，因此其調節閥數量較少，采用無分隔的全周進汽蒸汽室。在較少的調節汽閥影響下，大型汽輪機組的調節汽閥布置設計較為靈活，一般在汽缸的側面采用懸掛的方式布置;變工況下運行屬于工業汽輪機的常態，因此工業汽輪機一般采用噴嘴調節，即通過應用多個調節閥實現對應的噴嘴組和蒸汽式控制以實現進汽，這使得工業汽輪機的閥門數目較多，且閥門與蒸汽室存在一一對應關系，且互不相通。由于存在數量較多的閥門，工業汽輪機一般在汽缸頂部布置閥門，以此配合不同蒸汽室。考慮到結構不同的調節閥影響，為提高控制的便利性并實現結構的緊湊性，工業汽輪機應在同一個腔室內布置多個調節閥，并在一根橫擔上安裝多個閥頭，控制由一組共用的提升桿負責。工業汽輪機調節閥具備閥頭較小、閥門提升力小、蒸汽壓力低等特點，因此其可以采用橫擔結構設計[2]。

總的來說，大型機組與中壓汽輪機的汽輪一體式閥門結構在機型層面存在難以調和的差異，本文研究的工業汽輪機中壓閥門屬于中小機型，因此具體設計需圍繞中小機型一體式閥門設計方案展開。

2 蒸汽室結構設計

主汽閥、調節閥、蒸汽室、汽缸屬于汽輪機進汽部分的主要構成，一般設計會在汽缸內部設置蒸汽室，由于氣缸與蒸汽室一體化鑄造難度較高，一般采用法蘭連接或焊接方式。在現有技術條件下，調節閥閥殼、主汽閥閥殼、汽缸的整體鑄造存在過高難度，因此現階段結構劃分存在兩種主要方式，一種為在汽缸上鑄造出調節閥閥殼，在調節閥殼的一側懸掛主汽閥，水泵汽輪機組便屬于這種結構劃分的代表，但由于蒸汽室安裝因此會受到較為負面影響，該方式僅可用于單層進汽結構設計;主汽閥殼與調節閥殼的一體設計也較為常見，調節閥部分閥殼與汽缸會采用倒扣方式實現法蘭連接，這種機構設計會使得汽缸頂部存在較為開放的接口，不同的蒸汽室結構選用可獲得有力支持。這類設計在高壓以上的機組中較為廣泛（汽缸進汽雙層結構），但在汽缸頂上布置進汽閥的一體化結構設計卻并不常見。

結合上文研究可以發現，汽輪機組（高壓以上）作用在閥桿上的蒸汽力較大，因此一般采用的設計為“單閥-單油動機-全周進汽”，雙層缸的密封問題主要通過密封環或鐘罩等措施解決。工業汽輪機（中壓以下）噴嘴調節往往會設置多個調節汽閥，且無需單獨為每個調節汽閥設置油動機驅動，這是由于其蒸汽壓力較小所致，機組小型化也可能因此受到影響。因此，應開發進汽閥頂部座缸、雙層缸的成套結構，使閥殼、蒸汽室、汽缸形成三重結合面。

3 本體結構設計

3.1 流量特性分析

如汽輪機采用噴嘴調節方式，調節級效率、強度關系與調節閥配置存在的緊密聯系必須得到重視。噴嘴調節可在部分負荷情況下有效減少閥門節流損失，調節級效率也能夠同時實現長足提升，但調節級焓降較大情況也會在部分負荷下出現，高于額定工況。為合理確定調節級噴嘴的分組情況、噴嘴總數、部分進汽度、幾何參數，需綜合考慮轉子軸系穩定性、常工況部分負荷設計點選擇、調節級的葉高損失、總體的焓降分配。調節級的運行業績等多方面要求。

每個調節閥會對應一定噴嘴組，噴嘴的面積可用作閥門口徑的選型依據，喉部面積的計算可采用閥門喉部流速為依據。在閥門喉部面積的計算過程中，必須保證各組噴嘴與對應的閥門喉部面積比的一致，否則各閥門流速和壓損很容易在額定工況下出現不一致情況。GX-1型與球頭閥型線均屬于典型的閥門形式，對比中低壓參數機組與大型發電汽輪機組可以發現，前者機組閥門的提升了需求不大，且調節閥數量較多、口徑較小，單獨為調節閥設置獨立閥門閥桿結構并不現實，汽缸上的閥門布置復雜程度、所需零件數量將因此大幅增加。考慮到中低壓參數機組特點，設計一般采用提板式閥門結構，這類設計會在一條橫梁上布置閥殼內若干閥門，并設置兩根提升桿于橫梁兩側，由油動機和公共杠桿驅動。閥門重疊度的設置在設計中較為關鍵，也可以將其理解為每個閥門的空行程設置，機組的流量調節特性、閥門開啟的順序均會受到空行程的大小影響。在閥門重疊度優化設置中，良好的流量調節特性屬于其主要目標之一，同時還需要考慮機組常運行部分負荷工況閥門節流最小。具體設計需保證各閥的最大流量和焓降能夠控制在依次全開最大值內，且非依次全開下，帶重疊度的閥組可實現每個依次開啟。通過配置閥門重疊度，提板式調節汽閥的閥組提升力與單閥提升力存在顯著區別，每個開啟閥門提升力之和為閥組提升力，考慮到閥門的規格和開度不一致，且閥門開啟前后壓力基本一致，需分別進行提升力計算。單個提升式閥門門桿的最大提升力可圍繞全關、全開兩個狀態進行計算，提板式閥組則需要綜合考量蒸汽作用力在整個開啟過程中發生的變化。

3.2 運動特性分析

油動機、彈簧箱、提升桿、杠桿支點屬于調節閥杠桿系的主要構成，四部分一般需要在一個閥殼上實現集成，以此保證閥殼能夠集中閥門所有的開啟關閉力，內力的平衡也能夠由此實現，氣缸也不會受到影響，較為安全方便的裝拆也能夠由此實現。結合設計，提板式調閥的杠桿上需設置彈簧，以此增加平衡力，避免調閥不穩定的突跳問題出現。各閥點的油動機出力需基于支點處杠桿系的力矩平衡條件進行計算，但考慮到各閥點的彈簧力和蒸汽作用力不同，必須開展逐點計算。對于本文研究的提板式閥門來說，其杠桿連接點較多，因此具體設計需充分考慮杠桿的定位、導向及穩定。如杠桿上各存在一個油動機連接點與彈簧箱連接點，各兩個彈簧箱連接點與閥門提升點，即可得到較好的平衡性和剛性。考慮到杠桿本身較為粗重，且閥門與杠桿間存在不確定的差脹，杠桿設置限位和導向需考慮二者間存在的大量連接點和相互制約關系，以此保證杠桿能夠在垂直方向與水平方向上的自由轉動、自由膨脹。由于無需采用主汽門沖轉，提板式調節閥機組的控制需始終應用調節閥，且無需考慮主汽閥的沖轉。

關閉調節汽閥屬于主汽閥的開啟前提，閥碟前后壓力平衡需通過主汽閥內置小閥實現，油動機與主汽閥需采用直連連接，連接座需設置于閥蓋外側，并保證其能夠靈活匹配閥蓋接口與油動機座接口，并實現高溫閥體與油動機的隔開。為保證接口的抗沖擊能力，采用對夾法蘭連接油動機軸與閥桿。

4 結束語

綜上所述，工業汽輪機中壓閥門一體化設計存在較高現實意義，在此基礎上，本文涉及的流量特性分析、運動特性分析等內容，則提供了可行性較高的設計路徑。為更好滿足工業汽輪機發展需要，常規高壓進汽參數下的適應性同樣需要得到重視。

參考文獻：

[1]王志杰，陳厚濤，唐楨淇.基于運行數據的汽輪機閥門流量特性參數優化[J].廣東電力，2019，32（03）：32-36.

[2]韓飆.汽輪機閥門流量升程曲線的研究進展介紹[J].熱力透平，2019，48（01）：30-32+46.

[3]唐麗麗，張曉東，侯明軍.超超臨界二次再熱660MW汽輪機的總體設計[J].東方汽輪機，2016（01）：7-14.