超超臨界機(jī)組旁路閥閥芯卡澀分析及處理

浙江浙能鎮(zhèn)海發(fā)電有限責(zé)任公司 沈岳良

某電廠(chǎng)新建2×660MW超超臨界機(jī)組的鍋爐采用北京巴威公司生產(chǎn)的高效超超臨界參數(shù)變壓直流爐。最低直流負(fù)荷為30%BMCR，鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量為汽輪機(jī)最大連續(xù)出力工況（T-MCR）蒸發(fā)量的1.03倍，采用定-滑-定方式運(yùn)行。汽輪機(jī)采用上海汽輪機(jī)廠(chǎng)引進(jìn)西門(mén)子技術(shù)生產(chǎn)的超超臨界、單軸、四缸四排汽凝汽式汽輪機(jī)，其入口主蒸汽參數(shù)為28MPa/600℃/620℃，汽輪機(jī)采用定-滑-定壓運(yùn)行方式。

旁路系統(tǒng)采用40%BMCR容量高低壓二級(jí)串聯(lián)旁路裝置，旁路系統(tǒng)的作用是協(xié)調(diào)汽輪機(jī)與鍋爐之間的運(yùn)行，除回收工質(zhì)、消除噪聲、保護(hù)再熱器的安全運(yùn)行外，還可使機(jī)組在冷態(tài)、熱態(tài)、滑壓和定壓等各種不同方式下啟動(dòng)；在電網(wǎng)或機(jī)組故障時(shí)，旁路系統(tǒng)起保護(hù)作用，使機(jī)組快速甩負(fù)荷，并在短時(shí)間內(nèi)低負(fù)荷運(yùn)行，帶廠(chǎng)用電［1］。2020年9月首臺(tái)機(jī)組在整套啟動(dòng)調(diào)試過(guò)程中高、低旁路閥多次發(fā)生閥座和閥芯卡澀故障。解體后發(fā)現(xiàn)高低壓旁路閥的閥芯外表面和閥蓋內(nèi)表面均存在不同程度的卡澀拉毛損壞現(xiàn)象。

1 原因分析

旁路閥閥芯結(jié)構(gòu)為鼠籠型式，閥座和閥芯配合為帶預(yù)啟閥功能的插入式結(jié)構(gòu)（圖3），閥座和閥芯之間的間隙單邊為0.5mm左右。高低旁路閥在機(jī)組啟動(dòng)前的開(kāi)啟、關(guān)閉冷態(tài)調(diào)試都很正常，熱態(tài)啟動(dòng)后才發(fā)生卡澀故障。分析造成卡澀的主要原因有以下幾個(gè)方面。

圖1 高旁閥損壞情況

圖2 低旁閥損壞情況

圖3 旁路閥結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 閥前管路系統(tǒng)內(nèi)存在雜質(zhì)、硬金屬異物

硬質(zhì)金屬異物主要來(lái)源于主蒸汽及再熱蒸汽系統(tǒng)，機(jī)組在整套啟動(dòng)前雖已嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及要求對(duì)鍋爐受熱面等進(jìn)行了沖管吹掃并打靶檢查合格。但因系統(tǒng)復(fù)雜，不可避免留有吹掃死角，無(wú)法將鍋爐側(cè)的死角異物徹底吹掃干凈［2］（圖4）。另外由于沖管吹掃時(shí)旁路閥本體未安裝，前后管路被短接。因此旁路閥安裝完畢后，閥門(mén)前后局部管道內(nèi)壁存在清潔度較差現(xiàn)象。

圖4 旁路閥蓋內(nèi)積存硬質(zhì)金屬異物

1.2 閥組自身結(jié)構(gòu)特性原因造成

通過(guò)對(duì)旁路閥閥蓋內(nèi)表面及閥芯外表面硬度測(cè)試及查閱廠(chǎng)家制造說(shuō)明書(shū)等相關(guān)出廠(chǎng)資料得知，旁路閥閥蓋及閥芯僅進(jìn)行了調(diào)質(zhì)處理，沒(méi)有進(jìn)行表面硬化處理。另一方面，從圖3旁路閥結(jié)構(gòu)示意圖中可知，當(dāng)旁路閥前管道啟壓時(shí)閥門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)。介質(zhì)首先通過(guò)圖3中4-4的彈性金屬導(dǎo)向密封環(huán)后進(jìn)入閥蓋與閥芯之間的腔室，對(duì)預(yù)啟閥加壓，確保整閥關(guān)閉嚴(yán)密。因此部分顆粒度大于0.5mm的硬質(zhì)金屬異物會(huì)積聚在主閥芯前，而小于0.5mm的雜質(zhì)積聚在彈性金屬導(dǎo)向密封環(huán)前。當(dāng)主閥閥門(mén)開(kāi)度較小時(shí)，雜質(zhì)如果未能及時(shí)從主通道沖走，在閥蓋與閥芯之間縫隙內(nèi)會(huì)不斷積聚，從而拉毛損壞閥蓋及閥芯表面，造成閥門(mén)卡澀故障。

2 處理方法及對(duì)策

從上述原因分析可知，旁路閥前管路系統(tǒng)內(nèi)積存的雜質(zhì)及硬金屬異物是引起閥門(mén)卡澀的主要原因，但由于系統(tǒng)原因又無(wú)法徹底消除。因此只能從閥門(mén)本身的優(yōu)化改造及運(yùn)行調(diào)整方面著手解決。

2.1 對(duì)閥蓋和閥芯損壞部位補(bǔ)焊并進(jìn)行熱處理和PT檢測(cè)

由于閥蓋和閥芯組件均采用同一種材質(zhì)F92制造，當(dāng)異物嵌入間隙卡澀時(shí)極易發(fā)生粘連擴(kuò)大損傷面。因此在閥蓋內(nèi)側(cè)配合面堆焊一層STELLITE #6硬質(zhì)合金材料，使閥蓋和閥芯配合面形成異種金屬，同時(shí)增加了閥蓋內(nèi)側(cè)配合面材料的表面硬度。

2.2 對(duì)閥芯外表面進(jìn)行滲氮處理

圖5 缺損部位補(bǔ)焊F92材料

2.3 改進(jìn)彈性金屬導(dǎo)向密封環(huán)的材料

將彈性金屬導(dǎo)向密封環(huán)更換成碳素材料導(dǎo)向密封環(huán)，增強(qiáng)潤(rùn)滑性、減小摩擦力。

2.4 對(duì)旁路運(yùn)行控制策略進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整

圖7 閥芯外表面滲氮工藝表

圖8 閥芯外表面滲氮前后

旁路預(yù)啟閥的開(kāi)度為整閥總行程的7～8%左右，機(jī)組啟動(dòng)后為盡快把閥前積存的雜質(zhì)沖走，旁路閥第一次開(kāi)閥的開(kāi)度不宜過(guò)小，但為保護(hù)旁路后的管道、防止振動(dòng)，第一次開(kāi)閥開(kāi)度也不宜過(guò)大。由于高低旁閥門(mén)的閥芯直徑相差較大，同樣閥門(mén)開(kāi)度下的通流面積也相差較大，因此低旁閥的最小開(kāi)度值可以設(shè)置得相對(duì)小一些。把高低旁路運(yùn)行控制策略調(diào)整為：高旁啟動(dòng)模式投入，高旁會(huì)自動(dòng)開(kāi)至最小開(kāi)度15%，等待機(jī)前主汽壓力緩慢升壓至1MPa，當(dāng)機(jī)前主汽壓力升至1MPa時(shí)，高旁閥將隨主汽流量增大而逐漸開(kāi)大，以維持機(jī)前壓力不變，高旁閥逐漸開(kāi)大至30%開(kāi)度后，高旁閥會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)入“壓力爬坡”模式。

圖9 導(dǎo)向密封環(huán)更換前后

在壓力爬坡模式下，高旁閥維持30%開(kāi)度不變，隨著鍋爐燃料量的增加，機(jī)前壓力緩慢上升至沖轉(zhuǎn)壓力，高旁閥自動(dòng)轉(zhuǎn)入“定壓模式”。高旁閥在定壓模式下，控制機(jī)前壓力，此時(shí)高旁閥最大開(kāi)度仍維持在30%開(kāi)度，即使主蒸汽壓力隨鍋爐燃燒的增加而增大，高旁閥開(kāi)度也不會(huì)隨之增大。此時(shí)可改變壓力爬坡的定值（7.5MPa左右）并重新投入啟動(dòng)模式，使高旁重新進(jìn)入壓力爬坡模式，直到主汽壓力到達(dá)并網(wǎng)壓力（7.5MPa左右），再轉(zhuǎn)入定壓模式。低旁投自動(dòng)后低旁閥會(huì)自動(dòng)開(kāi)至最小開(kāi)度10%，此時(shí)的控制方式為“定壓模式”，以控制再熱器壓力?？梢酝ㄟ^(guò)改變低旁閥的定壓自動(dòng)控制值來(lái)改變?cè)贌嵴羝麎毫Α?/p>

通過(guò)對(duì)旁路閥結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式的優(yōu)化調(diào)整，機(jī)組順利通過(guò)了168小時(shí)滿(mǎn)負(fù)荷連續(xù)試運(yùn)行考核，沒(méi)有再出現(xiàn)旁路閥卡澀現(xiàn)象，為后續(xù)新建機(jī)組建設(shè)提供了一些有益的探索。