汽轮机调速汽门油动机缸壁磨损的治理

汪永久，林 森，李耀奇

(1．华能大连电厂，辽宁 大连 116100;2．辽宁东方发电有限公司，辽宁 抚顺 113007)

随着大容量机组自动化水平的提高，人为控制机组能力越来越弱，必须保证机组控制系统在额定蒸汽参数下工作，维持汽轮机额定转速，且机组甩负荷后转速要控制在危急保安器动作值以下。

华能大连电厂1号、2号机组为日本三菱公司生产的TC2F－40型中间再热、双缸双流凝汽式350 MW燃煤机组。该机组于1988年12月并网发电，至今已有18年，运行中存在几次因汽轮机控制油中含有杂质导致主汽门、调速汽门油动机卡涩问题，给机组安全稳定和经济运行带来很大隐患。

1 汽轮机功频电液控制的基本原理

工农业发展对电力提出的要求越来越高，传统液压控制系统已不能适应，需要采用更为复杂的调节系统，目前国内大多数大功率汽轮机控制系统采用电液调节系统。

为提高汽轮机适应负荷能力，通常采用功频电液调节系统。在系统中，测速、测功、PI调节器和功率放大器等为电子元件，其它为液压元件(见图1)。

图1 功频电液调节系统原理

当汽轮机由于负荷减少导致转速上升时，测速元件输出电压升高，此电压信号经过PI调节器变换和功率放大器放大后，输入至电液转换器，转换为液压信号。推动元件油动机关小调速汽门，减少汽轮机功率。功率减小后，测功元件输出电压降低，抵消了转速增大时升高的电压，因此系统为负反馈信号。当系统达到新平衡工况时，测功元件输出电压变化完全抵消了测速元件输出电压的改变，油动机及其它元件均稳定在新工作位置上，汽轮机在新工况下保持稳定运行。功频电液调节系统见图2。

汽轮机调速汽门是汽轮机控制的关键部件。其动作是否灵活、平滑，将直接影响汽轮机转速及负荷控制。为保证机组转速和负荷控制平稳 (不发生大摆动)，在机组动静态调试时，将各调速汽门按顺序开启时设定一定重叠度。

当调速汽门逐渐开启时，进汽量G随着阀门开度L的开大而增加，当调速汽门开启到一定程度后，由于调速汽门前后压差减小，流量增加缓慢。如果某一调速汽门全开后再开下一个，几个调速汽门联合生成的特性线会出现阶梯，此时阶梯段阀门失去调节功能，其开度增加但流量几乎不变，从而引起机组转速或负荷摆动，因此调速汽门必须有一定重叠度 (约10%)。图3为调速汽门重叠度曲线。

2 调速系统存在问题分析

当机组升负荷信号经过PI调节器放大和功率放大器变换后，输入至电液转换器转换为油压增大信号，调速汽门接收到信号后，快速响应并缓慢增大开度，使机组负荷加大。2008年5月16日，华能大连电厂1号、2号机组在升负荷指令发出过程中，调速汽门响应严重迟缓，只有当控制油压增大到一定程度后，才做出响应并加大开度，使机组负荷波动30 MW左右。

为解决此问题，利用检修机会对调速汽门及油动机进行解体，发现油动机内缸壁被活塞胀圈磨损。磨损宽度为40 mm左右 (调速汽门经常工作区)，设计直径为200 mm，磨损部位直径为201.4 mm，增大了1.4 mm。因此油动机在磨损与未磨损部位交界处卡涩。油动机内缸壁磨损有以下几点原因。

a． 调速汽门油动机全工作区域为0～248 mm。由于汽轮机长期在230～250 MW负荷区间运行，对应调速汽门油动机开度区域为110～150 mm，油动机活塞胀圈始终工作在此区域，造成油动机缸壁在40 mm区域内被活塞胀圈长期磨损而使缸壁直径增大1.4 mm。

b． 油动机缸体母材为SCMnH11，硬度 (HB)为220，而油动机活塞胀圈材质为HT28－48，硬度 (HB)为270。活塞胀圈硬度比油动机内缸壁高，因此油动机缸体被活塞胀圈磨损。

显然这种设计不合理，因为油动机缸体属于设备，设备磨损更换困难且费用昂贵，而活塞胀圈属于易损件容易更换。

3 油动机内缸壁磨损治理措施

3.1 设计镶内套方法

采用设计加工镶内套办法，解决油动机缸体磨损问题。将油动机内缸壁由200mm扩大到208mm，镶入内套尺寸为208 mm×200 mm。所镶内套材质为38CrMoAl，且表面进行氮化处理，硬度 (HB)为320，这样油动机缸体比活塞胀圈硬度 (HB为270)高，油动机缸体磨损大大减轻，即使长时间磨损，也可更换内套，简单且费用低。

3.2 镶内套的工艺要求

a． 材料的选用。由于油动机缸壁材料为铸钢，HB为200左右［1］。油动机胀圈属于易更换部件，但缸体造价昂贵，属于经久耐用件，因此油动机缸壁需有较高抗磨能力，镶入内套材料应具备较好热处理性能及表面渗氮性能，以提高抗磨能力，并具有较好高温定性性能，防止变形。

b． 工艺要求。镶入内套选用38CrMoAl材质，调质后表面渗氮48 h后处理，过盈装配后在端部氩弧焊接，并用专用设备对新镶入内套进行研磨使其达到要求公差度及光洁度［2］。

3.3 强度计算

改造前油动机内径为D0=200 mm，壁厚t1=24 mm，D1=212 mm，工作油压为P=2.1 MPa，那么油动机缸壁所受径向应力:

油动机缸壁所受轴向应力:

改造后油动机内径D0=208 mm，壁厚为t2=20 mm，D2=218 mm，工作油压P=2.1 MPa，那么油动机缸壁所受径向应力:

油动机缸壁所受轴向应力:

油动机缸体材质为SCMnH11，为铸钢结构，属于脆性材料，则:

式中，σb=52 MPa［3］;脆性铸钢断裂安全系数nb为 4.0［2］。

经过强度计算，镶入内套改造的油动机缸壁完全满足强度要求，改造工艺过程也满足油动机使用性能需求。

4 经济效益

华能大连电厂一期2台350 MW机组调速汽门油动机缸体经过镶入内套改造安装调试后，调速汽门油压开度曲线平滑，机组转速及负荷控制稳定，彻底解决了油动机卡涩问题。

改造后的油动机缸体，在强度、材料使用、外形尺寸、使用性能等方面都满足改造前油动机技术工艺要求。

油动机缸体改造从2008年6月至今，已有3年半时间，小修时对油动机缸体进行了解体检查，未见磨损现象，使用效果良好，说明改造效果较好，仅此一项就节约进口备件费用约300多万元，经济效益显著。

［1］ 刘鸣放．金属材料力学性能手册［M］．北京:机械工业出版社，2010．

［2］ 卢玉明．机械零件的可靠性设计［M］．北京:高等教育出版社，1989．

［3］ 机械工程师编委．机械工程师手册 (第二版)［M］．北京:机械工业出版社，2000．