汽輪機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥閥桿斷裂故障分析及處理

林 森，李凡林，王 帥，張 美

(淮南礦業(yè)集團(tuán)發(fā)電有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232033)

0 前言

近年來，受特高壓工程相繼投產(chǎn)、用電峰谷差逐步加大及新能源裝機(jī)規(guī)模不斷增長(zhǎng)等多種因素影響，安徽電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)頻問題的復(fù)雜性增加，其對(duì)省內(nèi)發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻的要求日益提高。為滿足電網(wǎng)一次調(diào)頻動(dòng)作的相關(guān)規(guī)定，火電廠汽輪發(fā)電機(jī)組DEH系統(tǒng)頻繁控制調(diào)節(jié)汽輪機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥開度以實(shí)現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷快速微調(diào)。由此導(dǎo)致汽輪機(jī)的高壓調(diào)節(jié)進(jìn)汽系統(tǒng)的調(diào)整頻率及調(diào)整幅度均有較大程度增加，對(duì)裝置結(jié)構(gòu)的可靠性要求大大提高[1]。某電廠二號(hào)機(jī)組在運(yùn)行過程中由于一次調(diào)頻動(dòng)作，汽輪機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥閥桿斷裂，導(dǎo)致機(jī)組負(fù)荷大幅度波動(dòng)。本文主要記述了在機(jī)組運(yùn)行過程中對(duì)該事件產(chǎn)生原因的分析判斷過程及機(jī)組停運(yùn)后對(duì)調(diào)節(jié)閥閥桿連接方式改造的情況。

1 汽輪機(jī)及其高壓調(diào)節(jié)進(jìn)汽系統(tǒng)簡(jiǎn)介

某電廠采用亞臨界、一次中間再熱、雙缸雙排汽凝汽式汽輪機(jī)，機(jī)組型號(hào)N330-16.7/538/538。機(jī)組高中壓部分采用合缸結(jié)構(gòu)，其中高壓部分為雙層缸，低壓缸為對(duì)稱分流式雙層缸結(jié)構(gòu)。高壓和中壓閥門與汽缸之間通過管道聯(lián)接，高壓閥懸掛在汽機(jī)前運(yùn)行層下部，中壓閥置于高中壓缸兩側(cè)。高壓通流部分設(shè)計(jì)為反向流動(dòng),高壓和中壓進(jìn)汽口均布置在高中壓缸中部。新蒸汽通過主蒸汽管進(jìn)入高壓主汽調(diào)節(jié)閥,再經(jīng)4根高壓主汽管和裝在高中壓外缸中部的4個(gè)高壓進(jìn)汽管分別從上下方向進(jìn)入高壓內(nèi)缸中的噴嘴室,然后進(jìn)入高壓通流部分。蒸汽經(jīng)1個(gè)單列調(diào)節(jié)級(jí)和8個(gè)壓力級(jí)作功后,由高中壓缸前端下部的2個(gè)高壓排汽口排出,經(jīng)2根冷段再熱汽管去鍋爐再熱器,管上設(shè)有排汽止回閥。汽輪機(jī)高、中、低壓轉(zhuǎn)子均為無(wú)中心孔整體鍛造式轉(zhuǎn)子，高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子分別采用剛性連接。

高壓調(diào)節(jié)進(jìn)汽系統(tǒng)是汽輪機(jī)液壓伺服系統(tǒng)的組成部分。液壓伺服系統(tǒng)是高壓抗燃油數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它接受DEH發(fā)出的指令，完成驅(qū)動(dòng)閥門等任務(wù)。高壓調(diào)節(jié)進(jìn)汽系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的順序閥控制和單閥控制，機(jī)組在運(yùn)行中可以進(jìn)行兩種方式的無(wú)擾切換。兩種控制方式對(duì)應(yīng)兩種不同的進(jìn)汽方式，其中順序閥方式可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組的噴嘴調(diào)節(jié)運(yùn)行;單閥方式可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組的節(jié)流調(diào)節(jié)運(yùn)行。為減小機(jī)組啟動(dòng)過程中的熱沖擊，以單閥方式啟動(dòng)即采用節(jié)流配汽(全周進(jìn)汽方式)，避免汽缸及轉(zhuǎn)子應(yīng)力過大，保證機(jī)組順利啟動(dòng)，在達(dá)到目標(biāo)負(fù)荷且溫度場(chǎng)趨于穩(wěn)定后切換到順序閥方式即噴嘴配汽，保證較好的經(jīng)濟(jì)性[2]。高壓調(diào)節(jié)閥共有4個(gè)，對(duì)應(yīng)于4組噴嘴，噴嘴組的序號(hào)與調(diào)節(jié)閥序號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系見圖1。機(jī)組采用順序閥方式運(yùn)行時(shí)，當(dāng)Ⅰ、Ⅱ號(hào)調(diào)節(jié)閥閥桿開啟到39.2mm時(shí)，Ⅲ號(hào)調(diào)節(jié)閥開啟；當(dāng)Ⅲ號(hào)調(diào)節(jié)閥閥桿行程達(dá)到39.2mm時(shí)，Ⅳ號(hào)調(diào)節(jié)閥開始開啟。機(jī)組采用單閥方式運(yùn)行時(shí)，4個(gè)調(diào)節(jié)閥根據(jù)控制系統(tǒng)的指令按相同的閥位開啟，對(duì)應(yīng)于4組噴嘴同時(shí)進(jìn)汽。

圖1 高壓調(diào)節(jié)門配置示意圖

2 事件經(jīng)過

2019年02月20日凌晨4時(shí)57分25秒，二號(hào)機(jī)組負(fù)荷192MW，1、2號(hào)高調(diào)門開度49.5%，3號(hào)高調(diào)門開度12%，4號(hào)高調(diào)門開度0%。隨即機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作，動(dòng)作值13MW。57分34秒，1、2號(hào)高調(diào)門開度隨之分別降至48.5%、48%，3號(hào)高調(diào)門開度降至1.6%，4號(hào)高調(diào)門開度維持0%，機(jī)組負(fù)荷降至180MW并保持下降趨勢(shì)。此后，為跟蹤AGC負(fù)荷指令，1至4號(hào)高調(diào)門均增加開度。至58分05秒，上述調(diào)門開度分別為100%、100%、52%、13%，機(jī)組負(fù)荷188MW。在此過程中，負(fù)荷最低值150MW，出現(xiàn)于57分45秒，1至4號(hào)高調(diào)門開度分別為89.5%、89.5%、18%、0%。此次事件從負(fù)荷下降至負(fù)荷恢復(fù)整個(gè)過程約40秒，在此過程中主汽壓力先升后降，由11.37MPa升至12.08MPa后降至11.4MPa,等效閥位開度顯示值由降負(fù)荷前的68%開至91%。#1、#2、#3調(diào)門一直處于增加開度狀態(tài)。

在此之后3、4號(hào)調(diào)門在負(fù)荷變動(dòng)過程中始終處于頻繁調(diào)整狀態(tài)，與事件發(fā)生前反差較大。特別是在相同負(fù)荷時(shí)，3、4號(hào)調(diào)門開度明顯增加且3號(hào)調(diào)門長(zhǎng)時(shí)間處于全開狀態(tài)。詳見圖2。

圖2 調(diào)門開度對(duì)比曲線圖

圖3 操縱座結(jié)構(gòu)圖

3 原因分析及應(yīng)急措施

結(jié)合事件發(fā)生時(shí)的相關(guān)參數(shù)變化情況，初步判斷在一次調(diào)頻動(dòng)作過程中，1號(hào)或2號(hào)高調(diào)閥閥桿某處連接位置發(fā)生脫落或斷裂，調(diào)節(jié)閥閥芯下落，閥門處于連續(xù)關(guān)閉行程。與此同時(shí)，由于閥門持續(xù)關(guān)閉導(dǎo)致實(shí)際機(jī)組負(fù)荷與AGC指令偏差增大，3、4號(hào)調(diào)門開度不斷增加，最終使AGC指令與實(shí)際負(fù)荷相匹配。但是由最低負(fù)荷降至150MW且機(jī)組振動(dòng)無(wú)較大變化，推斷故障調(diào)節(jié)閥閥芯應(yīng)當(dāng)處于卡澀狀態(tài)即閥芯沒有完全回座[3]。

針對(duì)上述故障，為防止機(jī)組在停運(yùn)檢修前發(fā)生擴(kuò)大性事故，電廠明確并制定了以下幾項(xiàng)措施：

(1)高壓調(diào)節(jié)閥維持順序閥進(jìn)汽方式，不進(jìn)行單閥切換，避免切換過程中或者切換后因進(jìn)汽方式改變引起機(jī)組參數(shù)變化。

(2)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)高調(diào)閥始終保持100%開度，4號(hào)高調(diào)門參與負(fù)荷調(diào)節(jié)。

(3)機(jī)組負(fù)荷變化率在原有基礎(chǔ)上繼續(xù)向下設(shè)置，主蒸汽汽壓偏置設(shè)為負(fù)值，降低主汽壓力，避免調(diào)門大幅度波動(dòng)。

(4)生產(chǎn)部門對(duì)#2機(jī)組調(diào)門變化情況及主機(jī)振動(dòng)、軸承溫度等參數(shù)嚴(yán)密監(jiān)視，并制定機(jī)組異常狀態(tài)下的緊急降負(fù)荷停機(jī)應(yīng)急預(yù)案。

電廠將上述情況向主機(jī)廠進(jìn)行了反饋，主機(jī)廠分析認(rèn)為高調(diào)閥閥桿發(fā)生脫落或斷裂的最可能的位置位于高壓調(diào)節(jié)閥操縱座內(nèi)。操縱座詳圖見圖3。閥桿發(fā)生故障的原因分析如下：操縱座內(nèi)十字套與閥桿為螺紋連接，由于調(diào)節(jié)頻繁且端部存在一定的間隙，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行導(dǎo)致螺紋失效，十字套與閥桿的連接僅依靠定位圓柱銷。而定位圓柱銷的主要作用為對(duì)調(diào)節(jié)閥閥桿進(jìn)行止動(dòng)，防止其受蒸汽沖擊導(dǎo)致的圓周方向轉(zhuǎn)動(dòng)，不能長(zhǎng)時(shí)間承受調(diào)節(jié)閥頻繁調(diào)整帶來的巨大沖擊力。此外，由于螺紋失效，定位銷受到的徑向剪切力增大，工作環(huán)境進(jìn)一步劣化。由上述分析，判斷此處的缺陷發(fā)展過程為螺紋失效-圓柱銷斷裂-調(diào)節(jié)閥桿銷孔處斷裂。

3月25日在該機(jī)組停運(yùn)后，電廠分別對(duì)1號(hào)、2號(hào)高壓調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了開關(guān)活動(dòng)性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)2號(hào)調(diào)節(jié)閥關(guān)閉后，重新開啟閥門，閥桿可見部分未見提升，由此確認(rèn)該閥門為故障閥門。

4 閥門檢修情況及改造方案

為修復(fù)受損高壓調(diào)節(jié)閥及防止其他調(diào)節(jié)閥發(fā)生類似故障，電廠對(duì)四個(gè)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了全面檢查。首先在對(duì)2號(hào)高壓調(diào)節(jié)閥十字套、調(diào)節(jié)閥的檢查過程中，發(fā)現(xiàn)閥桿在圓柱銷孔處斷裂、圓柱銷斷裂、螺紋受損失效。此外，其余三只調(diào)節(jié)閥的圓柱銷均不同程度磨損變細(xì)，需進(jìn)行更換。

主機(jī)廠家在收到電廠的解體檢查情況反饋后，提出對(duì)高調(diào)閥進(jìn)行改造以確保機(jī)組運(yùn)行安全。具體方案為：將原高調(diào)門閥桿的上端直段光桿設(shè)計(jì)成一定角度的錐體，與錐體襯套(見圖4)配合成一體，用圓螺母牢固鎖緊后再增加一個(gè)帶槽的鎖緊螺母將圓螺母鎖死，用以防止圓螺母松脫。上述閥桿裝配完成后將錐形襯套連同閥桿一同裝入十字套內(nèi)，用10個(gè)M20的內(nèi)六角圓柱螺釘固定。此結(jié)構(gòu)與原設(shè)計(jì)相比，閥桿與十字套無(wú)直接連接，不存在螺紋拉傷的情況，拆卸時(shí)只需將連接螺釘拆除即可，檢修拆裝方便。此結(jié)構(gòu)取消了防轉(zhuǎn)圓柱銷，利用內(nèi)外錐面緊密配合的自鎖原理，有效抑制閥桿因汽流擾動(dòng)所產(chǎn)生的顫動(dòng)，增強(qiáng)了調(diào)門的穩(wěn)定性。

圖4 改進(jìn)結(jié)構(gòu)詳圖

主機(jī)廠已將上述方案廣泛應(yīng)用于新生產(chǎn)機(jī)組，使用單位均反映良好，高壓調(diào)節(jié)閥運(yùn)行安全可靠，無(wú)異常狀況。之后電廠按照上述方案對(duì)高壓調(diào)節(jié)閥接頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改造，目前二號(hào)機(jī)組的改造已經(jīng)完成，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常。下一步將繼續(xù)對(duì)一號(hào)機(jī)組進(jìn)行改造。

5 結(jié)語(yǔ)

火電廠汽輪機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥的調(diào)整動(dòng)作頻繁，進(jìn)汽溫度及壓力的額定參數(shù)較高且變化范圍較大，一旦發(fā)生故障對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行將會(huì)產(chǎn)生極大影響。采取正確的應(yīng)急防范措施并對(duì)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改造，以防止事故擴(kuò)大、實(shí)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行的本質(zhì)安全，是滿足電網(wǎng)調(diào)度規(guī)定及機(jī)組正常生產(chǎn)的必然要求。希望本文中的故障分析、應(yīng)急處理及設(shè)備改造等內(nèi)容能夠?yàn)樾袠I(yè)內(nèi)的其他電廠提供有益的參考與借鑒。