火電廠電動給水泵出水門頻繁故障原因分析

陳 鵬

江蘇華電揚州發電有限公司運行部

0 引言

某熱電聯產火電廠供熱機組為300 MW亞臨界機組，配備三臺50%容量的電動給水泵，機組正常運行時兩臺泵運行，一臺泵備用?；诠嵴{峰機組，為適應負荷變化，降低廠用電率，電動給水泵啟停較頻繁，高負荷時兩臺給水泵運行，低負荷時僅需一臺給水泵運行即可滿足負荷需要。

因該機組投產時間較長，電動出水門使用頻繁，內漏較嚴重，同時電動執行器老化，需要通過技改進行更換。為此，電廠更換了三臺電動給水泵出水門，并配套了相應的電動執行器。技改工作結束投運后，三臺電動出水門頻繁出現卡澀、閥桿銅螺母磨損、閥桿拉壞等現象，經更換閥桿銅螺母、閥桿等配件，現象仍未消除。

1 原因分析

給水泵出水門結構見圖1[1]。

圖1 電動明桿楔式單閘板閥

電動執行器產生的轉矩帶動銅螺母轉動，銅螺母通過轉動將轉矩傳遞給閥桿，使閥桿上下運動，閥桿帶動閥芯，完成閥門的開啟、關閉操作。

通常情況下造成閥門卡澀、銅螺母磨損、閥桿拉壞等現象的主要原因有：銅螺母與閥桿的質量存在問題，閥門的工作環境與設計不符，超出閥門材質要求、閥門所受扭矩超出許用范圍、現場人為操作過力矩。

1.1 銅螺母與閥桿的質量存在問題

因三臺給水泵均出現銅螺母磨損，閥桿拉壞等現象，檢修人員在消缺過程中已更換了損壞的銅螺母與閥桿，但機組運行一段時間后，銅螺母再次發生了磨損，說明電動執行器與閥桿傳遞的力矩大或閥桿偏心，由此可排除銅螺母與閥桿材質存在問題的可能性。

1.2 閥門的工作環境與設計不符，超出閥門材質要求

該閥門的工作介質為給水，正常給水溫度最高為160 ℃左右，最高給水壓力為18 MPa。閥門的選用材質為WB36，設計溫度為425 ℃，遠遠高于介質溫度，同時閥體也未出現裂紋、變形等現象，由此可排除閥門材質的問題。

1.3 閥門所受扭矩超出許用范圍

1)電動執行器輸出力矩的選取原則[2]

根據閥門相關規定，操作力矩是選擇閥門電動驅動裝置最主要的參數，電動裝置的輸出力矩應大于閥門操作過程中所需要的最大力矩。按閥門與電動執行器匹配的一般原則，電動執行器輸出力矩應為閥門最大操作力矩的1.2～1.5倍。

該機組新安裝的閥門扭矩銘牌需求為1 800 N?m，按匹配原則，所需電動執行器輸出轉矩應為：1800×（1.2～1.5）＝2 160～2 700 N?m。

而為之配備的電動執行器標稱轉矩順時針與逆時針均為4 800 N?m，顯然超出匹配原則范圍。

2)閥門配備的電動執行器內部有一個轉矩輸出控制裝置，按電動執行器銘牌說明，其最小控制轉矩為1 600 N?m，最大為4 800 N?m，可以根據閥門的力矩需求，通過人工預先設定將輸出轉矩在1 600 ～4 800 N?m之間進行調整[3]。

轉矩控制機構（圖2）的原理如下：

圖2 轉矩控制機械原理圖

該機構由曲拐、碰塊、凸輪、分度盤、支板和微動開關組成。當輸出受到一定的阻轉矩后，蝸桿除旋轉外，還產生軸向位移，帶動曲拐旋轉，同時使碰塊產生角位移，從而壓迫凸輪，使支板上抬，當輸出軸上的轉矩增大到預定值時，則支板上抬直至微動開關動作，切斷電源，電機停轉，以實現對電動裝置輸出轉矩的控制。

由此可見，轉矩控制是一個機械裝置，當輸出轉矩達到設定值后，支板上抬壓迫微動開關動作，斷開動力電源。即：在未斷開電源前，電動執行器的最大輸出轉矩會達到它的設定轉矩，根據設定的范圍，最大輸出轉矩在1 600～4 800 N?m之間的某個值。即閥門的閥桿、閥芯的受力也同樣是在1 600～4 800 N?m之間的某個值。

現場查看了損壞的閥門及執行器，發現電動執行器轉矩輸出控制裝置的調整旋鈕均置于幾乎最大的位置，見圖3。

圖3 控制裝置調整旋鈕位置示意圖

即使按調整系數為0.9保守計算，電動執行器的轉矩輸出最大轉矩設定為：4800×0.9=4320 N?m，而閥門所需的扭矩需求僅為1 800 N?m。即：一個僅需1 800 N?m 轉矩的閥門工作在輸出轉矩4 200 N?m的環境下。

3)電動執行器行程控制機構見圖4。該機構由十進位齒輪組、頂桿、凸輪和微動開關組成，即計數器，其工作原理為：減速箱內的主動小齒輪帶動計數器工作。如果計數器按閥門開或關的位置已調整好，當計數器隨輸出軸轉到預先調整好的位置（圈數）時，則凸輪將轉動90°，壓迫微動開關動作，切斷電源，電機停轉。

圖4 電動執行器行程控制機構原理圖

由此可見，行程控制是一個機械裝置，因機械傳動存在時間延遲，當計數器到位后，凸輪需轉90°才壓迫微動開關動作，斷開動力電源的時間滯后閥芯到達實際位置的時間。在這延遲的時間段，因閥芯已到位，而傳給它的轉矩還未停止，此時電動執行器會繼續輸出力矩，最大達到4 320 N?m的轉矩直到動力電源被斷開。

由此可見，閥門所受的扭矩最大達到了4 320 N?m，而閥門的設計需求僅為1 800 N?m。

1.4 現場人為操作過力矩

正常情況下，給水泵出水門的開、關操作均由電動執行器完成，無需人力進行操作；若發生問題，立即停止操作，該泵退出備用，等待設備廠家售后處理。整個過程沒有人為干預，因此不存在因人為操作而產生過力矩。而3 臺出水門均出現同樣故障，也不存在均為人為操作過力矩損壞。通過解體電動執行器，未見明顯外力痕跡。

2 受力分析

行程控制系統是一個機械裝置，存在時間延遲，斷開動力電源的時間滯后于閥芯到達實際位置的時間。在這延遲的時間段，因閥芯已到位，而傳給它的轉矩還未停止，轉矩控制的設定值遠大于閥門所需的力矩。閥芯到位后，閥桿受阻，阻轉矩增加，電動執行器會繼續輸出最大約4 320 N?m的轉矩直到動力電源被斷開。

因該機組是供熱調峰機組，每天的供熱負荷變化較大且頻繁。為節能降耗，降低電廠的廠用電，通常情況下會根據負荷情況增加或減少投運設備的數量，而電動給水泵作為電廠的重要輔機，是輔機中最大功率的設備。根據負荷變化，電動給水泵啟停較頻繁，基本上每天都有一次啟動和停止，有時還會有兩次。電動給水泵的出水門是隨給水泵的運行狀態進行操作，給水泵啟動后出水門打開，給水泵停運，出水門關閉。

每次電動出水門打開和關閉的行程即將到位時，閥桿受阻，阻轉矩增加，電動執行器會繼續輸出最大約4 320 N?m 的轉矩直到動力電源被斷開。盡管延遲的時間很短，但4 320 N?m 的作用力卻頻繁地施加在一個設計只能承受1 800 N?m閥門的閥桿上，隨著閥門運行時間的積累，作用力超出了閥桿的許用應力，最終產生了塑性變形，閥桿會產生不可逆的變形彎曲。

當閥桿變形彎曲后，一方面，電動執行器傳輸轉矩的銅螺母承受的摩擦力增加。在設計中，銅螺母的硬度低于閥桿硬度，是為了保護閥桿，當銅螺母被磨損產生了銅屑，隨著變形的加大，磨損會越來越嚴重，產生大量的銅屑。另一方面，閥桿變形彎曲后，會與閥蓋、填料等的摩擦加大，因執行器的輸出轉矩設定較大，未能在超出閥門的需要轉矩時進行保護，將閥桿拉傷，產生了拉痕。

關于閥門出現的卡澀現象，隨著閥桿變形彎曲的嚴重，在閥桿的正常行程段與閥蓋、填料等摩擦加大，執行器受到的阻轉矩加大，最終會達到4 320 N?m 的控制值，保護動作，斷開動力電源，于是產生了所謂的卡澀現象。

關于閥桿斷裂。當閥桿變形彎曲達到一定程度后，銅螺母向閥桿傳遞扭矩時產生的摩擦力加大，閥桿螺母的扭矩會被傳遞到閥桿上，當扭矩超過了閥桿材料的屈服應力，會沿閥桿的截面產生塑性變形，閥桿將產生內部缺陷，隨著作用時間的積累，內部缺陷逐步擴大，最終導致閥桿斷裂。

3 結論

綜上所述，由于未參照電動執行器輸出力矩應為閥門最大操作力矩的1.2～1.5倍的選取原則，電動執行器轉矩輸出與閥門所需的力矩要求不匹配，且電動執行器轉矩輸出未能調整到閥門需求的力矩范圍，電動執行器輸出轉矩明顯大于閥門所需的力矩，頻繁的超轉矩作用于閥桿上，使閥桿產生了塑性變形彎曲并在閥桿內部產生了缺陷，最終出現了閥門卡澀、銅螺母磨損、閥桿拉傷斷裂的現象。

4 問題解決

找出了閥門卡澀、銅閥桿螺母磨損、閥桿拉傷斷裂的原因后，利用機組調停機會重新設定了電動執行器輸出轉矩，更換了損壞的閥桿、銅螺母和閥蓋及填料，機組投入運行后，未出現類似的問題。