汽輪機自動主汽門故障分析及處理措施

吳威寧

廈門市環境能源投資發展有限公司，福建廈門，361006

0 引言

廈門某垃圾焚燒發電廠項目配有2臺由南京汽輪機廠生產的型號為N18-3.9-3的凝汽式汽輪機，其調節保安系統代號為Z4637。該汽輪機于2020年9月份投產運行，2021年12月2#汽輪機在計劃性小修后，進行啟機前油循環及調節系統靜態試驗，發現調節保安系統出現兩個故障，一是啟動高壓交流油泵，掛閘電磁閥未得電，啟動油就建立了，自動主汽門自行打開；二是手拍危急遮斷油門，自動主汽門無法關閉。

自動主汽門是汽輪機保護系統的一個執行裝置，當機組出現故障，保護動作后，可以立即切斷汽輪機進汽源，從而達到防止機組超速的目的。而自動主汽門是靠建立啟動油壓開啟的，停機時安全油泄掉，啟動滑閥在壓力油作用下切斷啟動油，泄掉自動關閉器的油缸腔室中的啟動油，使主汽門快速關閉。因此啟動油、安全油故障均會影響主汽門關閉，從而危及機組運行安全[1]。

1 原因分析及處理過程

1.1 啟動高壓油泵，掛閘電磁閥未得電，自動主汽門自動打開

現象：啟動高壓油泵，復位油壓0.2MPa，啟動油壓慢慢升到0.85MPa。

結構原理：由調節系統圖（圖1）可知，主汽門打開條件是必須在自動關閉器底部有啟動油壓，而建立啟動油壓的條件是先建立安全油，而建立安全油必須掛閘電磁閥得電后建立復位油。其主要原理是，掛閘電磁閥得電建立復位油壓，即將掛閘滑閥的彈簧下壓，切斷安全油泄油管路。而壓力油經啟動滑閥上的節流孔（約2mm）后建立安全油，此時安全油作用在掛閘滑閥上部，能夠使掛閘電磁閥失電后，復位油消失還能維持掛閘滑閥位置不變。安全油建立后作用在啟動滑閥的上部腔室，將閥芯下壓，壓力油經啟動滑閥節流孔形成啟動油，作用于主汽門關閉器下腔，帶動主汽門開啟。在停機時安全油泄掉，啟動滑閥在壓力油作用下向上運動切斷啟動油，并泄掉自動關閉器的油缸腔室中的油，使主汽門快速關閉。同時掛閘滑閥在彈簧的作用下，向上打開安全油的泄油口，確保安全油能夠泄放到零。

圖1 調節系統圖

問題分析與故障排除：實際現場排查發現，啟動高壓油泵時，現場表盤復位油有壓力，未歸零，可見復位油壓未完全卸壓。檢查掛閘電磁閥狀態為失電狀態，未發現異常。將掛閘電磁閥線圈拆除，啟動高壓油泵，復位油未歸零，故障同樣未消除，這樣可以排除電磁閥線圈故障。解體電磁閥閥芯，發現閥桿與套筒連接處有微毛刺與鐵銹，用金相砂紙磨掉該毛刺及鐵銹，用清洗劑對閥芯與套筒進行清洗后，并用壓縮空氣吹掃干凈，淋上干凈的透平油回裝。再次啟動高壓油泵時，復位油壓降為零、啟動油壓降為零、主汽門未自動開啟，掛閘電磁閥得電后主汽門開啟，故障排除[2]。

1.2 手拍危急遮斷器油門，自動主汽門無法關閉

現象：手拍危急遮斷器油門，啟動油壓力0.85MPa無變化，安全油壓從0.75MPa降到0.3MPa后，穩定不再變化。危急遮斷器油門復位，安全油恢復到0.75MPa。

結構原理：由圖1調節系統圖可知，主汽門關閉的條件是自動關閉器下腔卸掉啟動油，而啟動油卸油窗口在啟動滑閥的底部，其條件是啟動滑閥閥芯向上運動，才能切斷壓力油到啟動油的節流窗口，并從底部卸壓。滑閥上移條件是作用于啟動滑閥頂部的安全油卸壓，而該調節系統安全油卸油共有三處，其一是危急遮斷器油門，通過手拍危急遮斷油門或超速時危急遮斷器飛錘因離心力增大，而克服彈簧力作用甩出擊打危急遮斷油門掛鉤，使其脫扣，卸掉安全油；其二是AST電磁閥組，接收ETS系統的轉速、位移、振動、潤滑油壓、真空、油溫等超過規定值及油開關跳閘的信號，動作電磁閥而卸掉安全油；其三是掛閘滑閥底部，在停機時安全油泄掉，掛閘滑閥的彈簧力超過其頂部安全油的壓力，滑閥向上移動，打開底部安全油的泄油口，確保安全油壓能夠泄放到零。

問題分析：按可導致啟動油與安全油無法正常卸壓的可能原因，運用排除法。

1.2.1 安全油、啟動油管路堵塞

逐一打開安全油、啟動油管路接頭，檢查各油管焊口處內部是否存在較大焊瘤，并用壓縮空氣對安全油及啟動油管路進行吹掃，并用直徑不小于油管道管徑的2/3的橡膠球進行通球試驗，通球率100%，未發現堵塞。

1.2.2 危急遮斷油門卸油不暢

拆除機頭危急遮斷油門，檢查：①前軸承箱上蓋殼體安全油卸油口是否暢通；②用深度尺與游標卡尺測量前軸承箱安全油卸油窗口與危急遮斷油門殼體的卸油窗口是否重合。檢查結果，軸承箱上安全油口暢通，但與危急遮斷油門殼體卸油窗錯口差3mm，這種安裝狀態，排油口會被遮掉3mm，這樣不利于安全油快速卸壓。再次檢查發現，危急遮斷油門法蘭有3mm的紙墊，經查圖紙及3#機的危急遮斷油門，此處并無墊片，就是這張墊片引起卸油窗口錯口。去除該油門法蘭3mm的墊片，回裝危急遮斷油門發現其拉鉤會碰到危急遮斷器，會造成正常運行中危急遮斷油門會脫扣，卸掉安全油壓，關閉主汽門。分析該設備安裝期間，危急遮斷油門法蘭墊3mm墊片就是為了防止危急遮斷器飛錘碰到遮斷油門拉鉤而脫扣，但卻遮蓋了部分安全油卸油窗口，從而解決了一個問題卻產生了另一個隱患。為了徹底解決這個隱患，將危急遮斷油門的拉鉤按原弧度磨低3mm，并用塞尺檢查其與危急遮斷器飛錘的間隙，保證0.8～1.2mm，符合要求，同時又保證安全沒卸油窗口通暢。恢復后繼續做試驗，啟動高壓油泵，掛閘，手拍危急遮斷油門，自動主汽門仍無法關閉[3]。

1.2.3 啟動滑閥卡澀

由圖1調節系統圖可知，安全油在其他窗口卸油后，作用在啟動滑閥頂部油壓降低。若滑閥卡澀，壓力油窗口面積差產生的向上力不足以克服卡澀產生的摩擦力，造成滑閥不向上移動，無法關閉啟動油窗口，切斷啟動油，從而從底部卸掉啟動油壓，自動主汽門也同樣不會關閉。解體啟動滑閥閥芯與套筒進行檢查、清洗、復裝，恢復后試驗，自動主汽門仍無法關閉。再次試驗，啟動高壓油泵，掛閘，按下中控室緊急停機按鈕，發現主汽門能迅速關閉，這是因為緊急停機用AST電磁閥組的安全油卸油窗口，而卸完安全油仍需依靠啟動滑閥的滑芯向上移動關閉啟動油建立窗口，并卸啟動油，可見啟動滑閥閥芯是不卡澀的，并無故障，可以排除。

1.2.4 掛閘滑閥問題

從手拍危急遮斷器油門，安全油壓從0.75MPa降到0.3MPa，可見危急遮斷器油門是可以卸安全油的，只是未全部卸完，應該還有其他設備共同參與卸安全油的動作過程，但未有效完成，排除了AST電磁閥組后，就剩下掛閘滑閥了。由圖2可知，其工作原理是，其他安全油卸油窗口打開后，油壓下降，作用于掛閘滑閥上部的安全油1窗口壓力作用力減弱，閥芯在下部彈簧作用下上移，底部側面安全油2窗口打開，確保安全油能夠泄放到零。解體掛閘滑閥，發現底部墊有2塊尺寸不符合要求的普通螺絲用平墊片，測量尺寸為φ30mm×φ20mm×2.3mm，彈簧尺寸為φ26mm(平均直徑）×φ3mm（線徑）×54mm（長度），滑閥套筒內孔尺寸為φ40mm。鋼墊片外徑與滑閥筒體內徑尺寸相差較大，墊片可以在筒內移動較大距離。查閱廠家相關圖紙，該處并未設計有墊片，初步分析當時安裝調試時，調節系統安全油也出現問題，主汽門無法關閉，墊2塊墊片，增加了彈簧的彈力，就可以有效地將安全油壓泄放到零。但因這兩塊墊片與套筒配合不緊密，偏差較大，后期運行中振動或油壓沖擊造成彈簧在套筒中發生移動、偏斜，彈簧支撐面未全部與該墊片貼合，造成彈簧力減弱，在安全油仍有0.28MPa作用于滑閥頂部時，下部彈簧力仍無法克服頂部殘余的安全油壓力，滑芯無法向上移動，底部側面卸油窗口無法打開卸掉剩余的安全油壓，自動主汽門也就無法關閉了[4]。

圖2 掛閘滑閥

彈簧系數及壓縮量相關計算：

彈簧材質為60Si2MnA；尺寸為φ26mm×φ3mm×54mm；彈簧有效圈數6圈；掛閘滑閥套筒內徑φ=40mm。

根據彈性定律、彈性系數計算公式：

式中，F為彈簧所受的載荷（N），k為彈性系數（N/mm），x為受F時彈簧產生的伸長量或者壓縮量（mm），G為彈簧材料切變模量（MPa），d為彈簧絲直徑（mm）；D為彈簧平均直徑（mm），n為-彈簧有效圈數；C為彈簧的旋繞比。

（1）根據彈簧材質設計參數d=3 m m、D=26mm、n=6、C=8.666，查找相關資料《機械設計手冊》可以得到G=79000MPa，通過計算得出彈性系數k=7.5849kgf/mm=75.849N/mm。

（2）正常運行時安全油壓為0.6MPa，彈簧上部受到0.6MPa壓力，可以算出彈簧的壓緊力F=P*S=0.6×106×（π×20×10-3）2=754N，彈簧壓縮量x=F/k=9.94mm，即彈簧受力后壓縮9.94mm。

（3）當假設安全油卸壓時彈簧頂部仍受到約0.3MPa壓力，可以算出彈簧的壓緊力F=P*S=0.3×106×（π×20×10-3）2=377N，彈簧壓縮量x=F/k=377/75.849=4.97mm，即彈簧受力后壓縮4.97mm[5]。

原掛閘滑閥彈簧底部就墊有2塊2.3mm墊片，為了消除0.3MPa的頂部壓力，需增加墊片為4.97-2×2.3＝0.37（mm）。為了驗證彈簧力不足是造成該次自動主汽門無法關閉的主因，且可以通過增加適當墊片厚度解決彈力不足問題，通過精加工新的平墊，要求其外徑與套筒內徑相當，規格為φ38mm×5mm的大墊片，替換原來的舊墊片，再次試驗，掛閘電磁閥得電，主汽門開啟，手拍危急遮斷油門，安全油降為零，自動主汽門迅速關閉，問題解決。嘗試增加墊片，將厚度增為5.5mm試驗，掛閘電磁閥得電，啟動油壓0.85MPa，安全油0.75MPa，主汽門開啟后又迅速關閉，安全油卸為0。可見，安全油壓因在啟動閥源源不斷建立，無法完全卸去，掛閘滑閥彈簧無法克服上部0.3MPa壓力而向上運動打開卸油窗口，使得汽機主汽門無法關閉，而彈簧受到0.3MPa壓力時壓縮量為4.97mm，為了使彈簧能夠到達指定位置而打開卸油窗口，在彈簧底部增加約4.97mm墊片即可解決問題。再增加墊片就會增加彈簧力，導致安全油從掛閘滑閥底部卸掉，無法建立安全油壓，從而導致主汽門再次關閉問題。

2 暴露的問題

針對自動主汽門自動開啟與無法關閉故障，通過打磨、清洗調節系統控制油設備及增加更換墊片可使其得以解決，可見暴露出幾個問題。

（1）設計缺陷。由調節系統圖的啟動滑閥（圖1）可知，安全油是靠啟動滑閥上的節流孔建立的，在啟動高壓油泵或正常運行過程中，只要壓力油不斷，安全油一直都有，保護動作時只是從其他窗口卸安全油，安全油建立窗口并未被關閉，若安全油各卸油口流量低于安全油建立流量，安全沒壓就無法到零，啟動油就無法卸掉，自動主汽門就無法關閉，這是該系統設計的缺陷。

（2）設計與制造不規范。廠家未對油窗面積、油壓、彈簧力等進行準確有效的計算，危急遮斷油門法蘭與前軸承箱制造不通配，造成后期需要調整。

（3）安裝施工不規范。未嚴格按電力建設施工驗收及評價要求對調節保安系統部件進行有效解體、檢查及清洗；在已經判斷是掛閘滑閥彈簧力問題引起的主汽門無法關閉時，未加工合適的墊片配上，沒有做到后期彌補前期設計制造的不規范。

（4）油質較差。從油系統內部檢查及掛閘電磁閥芯解體檢查來看，油質較差，有設備廠家出廠時加工鐵屑，有管道焊接遺留的焊渣、密封膠、生料帶等。

3 結語

汽輪機為垃圾焚燒發電廠主要的設備，作為建設及生產單位，設計前期必須嚴格審圖，指出設計不合理或不規范的工藝；監造過程對質量計劃的控制點（W點、H點）進行見證，對質量嚴格把控；設備安裝、調試執行全過程監理，按《電力建設施工驗收及評價規程》、制造圖紙及其他國家相關規范要求驗收；生產運行期間觀察安全油、潤滑油、壓力油、濾油器前后壓差等各種油壓參數的變化。定期化驗油質，重點監視顆粒度指標，顆粒度超標較多要用板式濾油機濾油，合格后根據油質其他指標情況可改用真空濾油機定期濾，同時將調節保安系統的濾油器濾芯更換列入每次小修標準項目中。主汽門活動電磁閥得電可以試驗主汽門關閉或活動情況，得電可卸啟動油，為確保停機安全性，在停機時可以聯鎖主汽門活動電磁閥得電。

調節保安系統故障，一般會體現在各種油壓變化上，只要熟悉系統圖紙，掌握各種油壓產生及變化的原理，可用排除分析法，并認真堅持采用理論與實踐相結合的方法，問題就會逐一解決。