CC50型汽轮机自动主汽阀预启阀故障探讨

刘海峰,王长友,姜 涛

1　概述

本钢板材发电厂21号汽轮发电机组系哈汽于1987年制造的CC50-8.83/1.275/0.118型（于2014年12月进行通流部分改造，降低工业抽汽参数，改型为CC50-8.83/1.078/0.118型），双缸、单轴、双抽、冷凝式汽轮机，配套上海电机厂制造的QFS-60-2型发电机。

该机组配套的自动主汽阀为立式、自动关闭器（操纵机构）在上方、带预启阀（行程：15 mm）、单座阀自动主汽阀。

主汽门应能缓慢开启，迅速关闭（中小型机组在0.5 s之内，大型机组在0.2 s之内），并能在正常运行时做阀杆的活动试验，以防止阀杆卡涩故障，保证动作灵活，安全可靠。

每隔4年，该机组进行一次大修。每次大修，对自动主汽阀进行解体检查时都会发现：预启阀处于关闭状态；预启阀凸肩与导向机构已经卡涩至无法发生相对移动的状态（现场称作“抱死”）。

2014年12月，对该机组自动主汽阀解体检查，再次发现预启阀处于关闭状态并且已经“抱死”。

如果要对预启阀进行处理，使其能够活动，据以往的检修经验和现有的检修工艺，将会对自动主汽阀的门杆、导向机构、预启阀等部件造成破坏；而这些部件没有储备，如果等待新的备件到货进行更换则将贻误工期。

一般地说，机组自动主汽阀预启阀发生卡涩故障必须及时消除，以保证自动主汽阀的严密性；以保证自动主汽阀能够顺利开启。可是，针对预启阀故障的具体状态及机组特定的启动方式，在确保自动主汽阀、调速汽门严密性的前提下，在没有备件储备、工期紧张的情况下，如果能够保证自动主汽阀顺利开启，预启阀的故障也可暂缓处理，先行回装，等有备件时及时消除缺陷。另外，也要研究预启阀产生故障的原因，通过改进设计，彻底解决这个问题。

面对“预启阀卡涩抱死的故障暂缓处理，先研究回装是否可行”问题，着重从以下两个方面进行了探讨：

（1）自动关闭器的提升力问题。

（2）自动主汽阀的严密性问题。

提升力问题可以通过计算确定；阀门严密性问题必须经过试验验证。

2　自动关闭器的提升力

2.1　预启阀可以减少开启主汽阀所需的提升力

主汽阀口径较大时，为了降低开启主汽阀所需要的提升力，设置直径较小的预启阀，由于预启阀口径较小，提升力也较小，使操纵机构易于设计。

对于典型结构的立式主汽阀（图1），在主汽阀球形头的圆周上对称开有四个孔，下部开有一个孔。预启阀关闭时，将堵住下部这个孔；当预启阀开启时，一部分蒸汽由圆周上的四个孔进入，通过下部这个孔进入机组，对于这种典型结构的主汽门，由于蒸汽压强作用于主门芯的上部，是提升主门芯的阻力，设置预启阀，当预启阀开启时，先卸掉一部分蒸汽压力，能减少开启时所需要的提升力。

图1　主汽阀及自动关闭器（局部）

预启阀直径大小的选用原则有两种：（1）保证额定进汽参数条件下，能通过维持机组空载（额定转速）所需的流量，用预启阀可控制机组升速。（2）预启阀能控制升负荷到15%额定负荷左右。

针对哈汽制造这台机组的启动方式：主蒸汽通过两条蒸汽管道汇集到自动主汽阀；在两条主蒸汽管道上，各设置一个电动主汽门，每个电动主汽门都设置有旁路，每次启动机组时，在蒸汽管道预热之后，将自动主汽阀全开，然后，通过电动主汽门的旁路门控制机组的进汽量，进行冲转。无需利用预启阀控制转速或带少量负荷。

2.2　自动关闭器的提升力测算

CC50型机组自动关闭器活塞的直径为φ240，活塞下油压20 kgf/cm2，自动关闭器的提升力为9047.8 kgf，折合 88668 N。

2.2.1开启主汽门需要克服的弹簧阻力

自动关闭器活塞上，活塞杆套装2个圆柱形螺旋压缩弹簧（表1）。

表1　弹簧参数

自动关闭器活塞行程为100 mm，提升主汽阀需要将2个弹簧同时压缩100 mm。

提升主汽阀需要克服弹簧阻力：26755 N。

2.2.2开启主汽门需要克服的设备重力

开启主汽门需要提升的部套质量如下：

预启阀：20 kg;

预启阀螺帽：6.5 kg;

阀杆：9.5 kg;

阀碟：110 kg;

阀体套筒：133 kg;

球面垫圈：0.35 kg;

合计：279.35 kg。

可见：开启主汽门需要克服的部套重力为279.35×9.8=2738 N。

2.2.3自动关闭器能克服的蒸汽阻力

根据自动关闭器的提升力及弹簧的阻力、设备的自身的重力，在预启阀不能开启的情况下，为确保主汽阀能够开启，还可以承受的蒸汽载荷：

88668N－26755N－2738N=59175 N。

阀座口径φ320，受力面积：0.08 m2。在预启阀不能开启的情况下，为确保主汽阀能够开启，还可以承受的蒸汽压力：59175N/0.08m2=0.74×106Pa=0.74 MPa。

该机组启动之前，先要对主蒸汽管道进行分段预热，对电动主汽门前的主蒸汽管道预热称为一段暖管，对电动主汽门至自动主汽阀之间的管道进行预热，称为二段暖管，根据上面的计算结果，在机组启动时，进行二段暖管期间，将自动主汽阀前的汽压控制在0.7 MPa以内，可以确保自动主汽阀能够开启。

既然预启阀是在某次停机期间，因产生氧化皮导致抱死的，而上次启动机组时没有产生因提升力不足问题而导致无法开启自动主汽阀，据此也可以判断：即使本次对预启阀故障暂不处理，也不会因预启阀故障导致导致主汽门无法开启的后果。

退一步说，新机组静态调试的时候，在主汽阀没有通入蒸汽的时候，是可以顺利开启的，所以，最不利的情况是：在二段暖管结束后，将自动主汽阀前的蒸汽压力卸掉，此时自动关闭器提升主汽阀，仅需克服设备自身的重力及弹簧的阻力，是一定能够开启自动主汽阀的。

2.3　自动关闭器的提升力验证

2015年2月1日，该机组大修完成后进行调试，启动机组，自动主汽阀能够顺利开启，经试验证实：在机组按旁路暖管、暖机、启动方式条件下，即使预启阀处于卡涩抱死关闭的状态下，也能够顺利开启。

3　阀门的严密性

机组的自动主汽阀与高压缸调速汽门是保证机组安全启、停和运行的关键部件，它们的严密性保证汽轮机在突然甩负荷或紧急停机后不至于过分超速，并能有效地控制转速，因此要求机组甩负荷前后进行汽门严密性试验。

3.1　自动主汽阀的严密性要求

自动主汽阀是主蒸汽进入汽轮机的第一道总阀门，其主要功能是在危急情况下，当汽轮机的保护装置动作后，能迅速自动关闭，快速切断进入汽轮机的主蒸汽通道，使机组迅速停机，以防止产生过大的超速或避免事故扩大。

高压汽轮机对自动主汽阀的严密性一般要求【水利电力部司局文件（87）基火字第86号文】：

（1）关闭试验阀门，能使机组转速降至1000 r/min以下为合格，降速过程时间仅作参数。

（2）试验时主蒸汽压力应不低于1/2额定值，当蒸汽压力低于额定值时，应对允许转速进行修正。

3.2　自动主汽阀严密性的初步判断

机组正常运行时，预启阀处于开启状态，如果此时发生卡涩故障，则停机后，预启阀应该处于开启状态。

自动主汽阀解体后，根据对预启阀的观察：预启阀处于关闭状态，据此判断，预启阀发生卡涩故障是在某次停机期间发生的。虽然预启阀处于关闭状态，并不能保证严密性，联系历次启动机组的经验，没有发现自动主汽阀不严。

综上所述，初步判断：在备件短期内无法运抵现场的情况下，即使本次对预启阀故障暂缓处理，也可能不会因预启阀故障导致主汽门不严的后果。

当然，“没有发现自动主汽阀不严”并不能说明自动主汽阀的严密性是合格的，启动机组时，应该对自动主汽阀严密性加以验证。如果严密，则预启阀缺陷可以暂缓处理，如果不严密，则必须尽早处理。

3.3　汽门严密性试验结果

经试验证实：

（1）在高压缸调速汽门保持开启状态下，将自动主汽阀关闭后，机组转速由3000 r/min降至1000 r/min以下，惰走时间约4 min，证实自动主汽阀严密性合格。

（2）在自动主汽阀保持开启状态下，将高压缸调速汽门关闭，机组转速由3000 r/min降至1000 r/min以下，惰走时间约6 min，证实调速汽门严密性合格。

4　改进设计消除预启阀的缺陷

综上所述，在没有备件储备的情况下，暂时忽略自动主汽阀预启阀卡涩抱死故障，实属权宜之计；若逢大修周期更换备件，也不能保证机组正常运行时预启阀处于正常状态。

若要从根本上解决这个问题，必须查清原因，改进设计。

预启阀的材质为：15Cr11MoV，预启阀套筒的材质为：30Cr2MoV。经与设备制造厂家交流，厂家承诺从预启阀及其套筒金属材料的选择及部套间隙设计方面进行改进，彻底解决这个问题。

5　结论

(1)根据该机组预启阀所处的状态及机组的暖管方式、启动方式、及运行经验，经计算及实践证实，即使在预启阀处于关闭的状态下，自动关闭器的提升力能够保证自动主汽阀顺利开启；考虑到机组在运转过程中，如果因某种意外原因导致机组跳闸，需要尽快投入运行时，往往需要尽快开启主汽门，如果预启阀处于卡涩抱死关闭状态不能开启，则由于主蒸汽压力过大，自动主汽阀不能正常顺利开启，不利于生产顺行，不利于设备安全。因此，这个缺陷必须尽早消除。

(2)在确认主汽门严密性合格的前提下，在没有备件储备的条件下，为缩短工期，自动主汽阀预启阀的缺陷可以暂缓处理。但是，预启阀处于关闭状态并意味着能关严，严密性不能得到充分的保证。虽然汽门严密性试验合格，但是毕竟存在卡涩现象，因此，这个缺陷必须尽早消除。应早日购置预启阀的相关备件。对新备件应要求厂家改进设计，以克服卡涩抱死的缺陷。

[参 考 文 献]

【1】中国动力工程学会主编.火力发电设备技术手册（第二卷，汽轮机）[M].北京：机械工业出版社,2007年1月.

【2】李宝玉,魏玉璞编著.汽轮机调节系统疑难问题解析[M].北京：化学工业出版社,2006年6月.