日立350 MW 亞臨界機型高壓調閥閥桿振動問題分析及解決方案

廖源， 譚銳， 米斌， 曾婭， 查冰鋒

（1.國電九江發電有限公司， 江西 九江， 332001； 2.東方電氣集團東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000）

0 引言

某電廠350 MW 亞臨界機組是日本日立公司生產的TCDF-40 型凝汽式汽輪機， 其調節保安系統由高壓抗燃油即EHG 供油系統驅動控制， 原高壓調閥的控制型式為一個油動機控制凸輪組帶動4個高壓調閥進行配汽， 開啟順序和重疊度按照凸輪型線動作。 機組投運后多次出現高調閥十字頭連接件及閥桿斷裂導致的機組跳機事件。 后續對調閥配汽執行機構進行了改造， 但仍多次出現類似問題。 本文針對該機型調閥結構進行分析， 找出其問題根源， 從而提出解決方案， 根治困擾電廠多年的頑疾。

1 機型閥門結構簡介

該機型高壓主汽閥和調閥為分體結構， 主汽閥安裝在機頭側， 調閥閥殼與汽缸鑄為一體， 主汽閥與調閥之間用4 根高壓導汽管連通。 高壓調門CV1、 CV3對稱布置在汽缸上半， 高壓調門CV2、 CV4對稱布置在汽缸下半， 上下半左右兩側調門的閥殼腔室分別相通， 見圖1。

圖1 日立TCDF-40 型機組原高調閥布置示意圖

高調閥內部結構及操縱座連接部位結構詳見圖2。

圖2 日立TCDF-40 型機組原高調閥內部結構示意圖

高調閥操縱座（杠桿機構）與十字套過連接軸與閥桿連接， 閥桿與連接軸之間采用螺紋連接，用于傳動， 同時在閥桿頂部打入防轉銷防止相互轉動。 調節閥碟與閥桿之間裝有導向鍵， 閥碟與閥碟套筒之間采用間隙配合， 閥碟套筒可以起到基本的導向作用。

2 閥桿及十字頭連接件斷裂原因分析

根據電廠反饋信息， 2 臺該機型高壓調閥在運行時， 經常出現閥桿劇烈振動， 甚至多次出現防轉銷斷裂、 閥桿螺紋松動、 閥桿斷裂等現象， 給電廠安全、 穩定運行帶來了極大隱患。

針對上述問題， 對閥門的結構特性進行分析，主要原因有以下幾點：

（1）高壓調閥閥桿斷裂主要是由于閥桿振動造成， 長時間高頻振動導致閥桿疲勞斷裂；

（2）閥桿振動可能是閥殼進汽腔室設計不合理， 汽缸上半的2 個調門閥殼腔室相通（下半相同）， 蒸汽從左右2 根管道進入同一腔室， 腔室內流場復雜， 汽流激振力頻率一旦與閥芯零件固有頻率接近， 調閥閥芯零件則將產生振動， 特別是閥門小開度或僅開啟1 只閥門時， 振動強度更大，對設備的破壞程度更大；

（3）防轉銷安裝時需要將調閥閥桿頂部與十字套連接軸頂緊之后再配做銷孔， 裝入防轉銷。 對安裝過程要求很高， 若閥桿頂部存在間隙， 閥門關閉時沖擊載荷會直接作用于防轉銷， 造成銷子承受過大的剪切力， 發生斷裂。 銷子斷裂后， 在汽流的作用下， 閥桿與十字套連接軸會發生相對轉動， 從而導致閥桿螺紋磨損、 松動。

上述問題是閥門結構設計不合理導致的， 是該機型的固有問題， 僅通過外部手段進行局部結構優化難以完全解決該問題。 該電廠后續也做過執行機構及十字套連接部位結構優化， 運行一段時間后仍出現了同樣問題。 因此， 若要從根源上解決該問題， 對機組改動較大。

3 閥桿振動及連接件損壞綜合解決方案

針對該機型高壓調閥存在的固有問題， 主要從2 個方面入手： （1）優化調閥腔室， 改善其內部蒸汽流場， 解決閥桿振動、 斷裂的問題； （2）優化調閥閥桿連接及導向結構， 解決連接件損壞問題。

（1）調閥腔室優化方案

根據第2 節的分析， 閥桿振動主要原因是閥殼腔室及流場設計不合理導致。 對此， 在優化設計時采用300 MW 等級機組成熟的高壓閥組設計方案， 將高壓主汽閥和調閥做成一體結構， 分為2組（每組一個主汽閥帶2 個調閥）， 布置在原高壓主汽閥安裝位置， 閥組布置示意圖見圖3。

圖3 新設計高壓閥組布置示意圖

蒸汽通過主汽閥后， 分別進入兩側的調閥腔室， 調閥腔室之間設置分流結構， 使得2 個調閥獨立進汽， 互不干擾， 最大限度地減小了兩股汽流相互間的作用力。 如此便可解決原調閥因進汽對沖產生的激振力對閥芯零件的影響。 這種結構在同類型國產機組上已廣泛應用， 其安全可靠性早已得到驗證。

需要說明的是， 由于原調閥閥殼與高中壓外缸鑄成一個整體， 需要對高中壓外缸進行配套優化改造， 取消調閥閥殼， 將其改為普通的高壓進汽短管與高壓導汽管連接。

（2）閥桿連接及導向結構優化方案

高調閥十字套與閥桿之間采用防轉銷結構在同類型國產機組上也有很多應用案例， 這種結構確實存在很大的局限性。 對此， 設計了一種新的十字套連接結構， 見圖4。

圖4 優化后十字套連接結構

調節閥操縱座與閥桿通過連接套組件連接，操縱座與連接套組件之間采用12 顆連接套螺栓連接， 閥桿通過閥桿提升螺母與連接套組件連接，安裝時擰緊螺母（用止動銷防退）， 閥桿頂部頂緊，實現閥桿傳動功能。 油動機桿與連接套之間采用同樣的連接與傳動結構。 調節閥閥碟套筒與調節閥碟配合部位增加2 個導向鍵， 導向鍵對稱布置在閥碟兩側。 閥桿與調節閥碟之間同樣對稱布置2個導向鍵。

采用連接套螺栓及提升螺母進行傳動， 大大提升了傳動可靠性， 閥門關閉時的沖擊力也由閥桿頂部承受， 改善了其承載條件。 另外， 增加導向鍵可以改變閥碟約束條件， 提高結構剛性和抗振能力， 同時防止閥碟與閥套間的相互轉動。 總體來說， 優化后的閥桿連接及導向結構較原機型的結構在安全可靠性上均有較大的提升。

4 結語

電廠采用本文中所述方案對該機型進行了優化改造， 并已成功投運， 機組運行指標良好。 對改造前后進行比對分析， 改造后機組調節閥桿振動現象明顯消失。

理論與實踐證明， 日立生產的TCDF-40 型機組高調閥存在較大的缺陷， 不利于機組安全穩定運行， 該類型的機組可以采用本文中所述方式進行改造， 從而提高機組運行可靠性。