日立350 MW 亚临界机型高压调阀阀杆振动问题分析及解决方案

廖源， 谭锐， 米斌， 曾娅， 查冰锋

（1.国电九江发电有限公司， 江西 九江， 332001； 2.东方电气集团东方汽轮机有限公司， 四川 德阳， 618000）

0 引言

某电厂350 MW 亚临界机组是日本日立公司生产的TCDF-40 型凝汽式汽轮机， 其调节保安系统由高压抗燃油即EHG 供油系统驱动控制， 原高压调阀的控制型式为一个油动机控制凸轮组带动4个高压调阀进行配汽， 开启顺序和重叠度按照凸轮型线动作。 机组投运后多次出现高调阀十字头连接件及阀杆断裂导致的机组跳机事件。 后续对调阀配汽执行机构进行了改造， 但仍多次出现类似问题。 本文针对该机型调阀结构进行分析， 找出其问题根源， 从而提出解决方案， 根治困扰电厂多年的顽疾。

1 机型阀门结构简介

该机型高压主汽阀和调阀为分体结构， 主汽阀安装在机头侧， 调阀阀壳与汽缸铸为一体， 主汽阀与调阀之间用4 根高压导汽管连通。 高压调门CV1、 CV3对称布置在汽缸上半， 高压调门CV2、 CV4对称布置在汽缸下半， 上下半左右两侧调门的阀壳腔室分别相通， 见图1。

图1 日立TCDF-40 型机组原高调阀布置示意图

高调阀内部结构及操纵座连接部位结构详见图2。

图2 日立TCDF-40 型机组原高调阀内部结构示意图

高调阀操纵座（杠杆机构）与十字套过连接轴与阀杆连接， 阀杆与连接轴之间采用螺纹连接，用于传动， 同时在阀杆顶部打入防转销防止相互转动。 调节阀碟与阀杆之间装有导向键， 阀碟与阀碟套筒之间采用间隙配合， 阀碟套筒可以起到基本的导向作用。

2 阀杆及十字头连接件断裂原因分析

根据电厂反馈信息， 2 台该机型高压调阀在运行时， 经常出现阀杆剧烈振动， 甚至多次出现防转销断裂、 阀杆螺纹松动、 阀杆断裂等现象， 给电厂安全、 稳定运行带来了极大隐患。

针对上述问题， 对阀门的结构特性进行分析，主要原因有以下几点：

（1）高压调阀阀杆断裂主要是由于阀杆振动造成， 长时间高频振动导致阀杆疲劳断裂；

（2）阀杆振动可能是阀壳进汽腔室设计不合理， 汽缸上半的2 个调门阀壳腔室相通（下半相同）， 蒸汽从左右2 根管道进入同一腔室， 腔室内流场复杂， 汽流激振力频率一旦与阀芯零件固有频率接近， 调阀阀芯零件则将产生振动， 特别是阀门小开度或仅开启1 只阀门时， 振动强度更大，对设备的破坏程度更大；

（3）防转销安装时需要将调阀阀杆顶部与十字套连接轴顶紧之后再配做销孔， 装入防转销。 对安装过程要求很高， 若阀杆顶部存在间隙， 阀门关闭时冲击载荷会直接作用于防转销， 造成销子承受过大的剪切力， 发生断裂。 销子断裂后， 在汽流的作用下， 阀杆与十字套连接轴会发生相对转动， 从而导致阀杆螺纹磨损、 松动。

上述问题是阀门结构设计不合理导致的， 是该机型的固有问题， 仅通过外部手段进行局部结构优化难以完全解决该问题。 该电厂后续也做过执行机构及十字套连接部位结构优化， 运行一段时间后仍出现了同样问题。 因此， 若要从根源上解决该问题， 对机组改动较大。

3 阀杆振动及连接件损坏综合解决方案

针对该机型高压调阀存在的固有问题， 主要从2 个方面入手： （1）优化调阀腔室， 改善其内部蒸汽流场， 解决阀杆振动、 断裂的问题； （2）优化调阀阀杆连接及导向结构， 解决连接件损坏问题。

（1）调阀腔室优化方案

根据第2 节的分析， 阀杆振动主要原因是阀壳腔室及流场设计不合理导致。 对此， 在优化设计时采用300 MW 等级机组成熟的高压阀组设计方案， 将高压主汽阀和调阀做成一体结构， 分为2组（每组一个主汽阀带2 个调阀）， 布置在原高压主汽阀安装位置， 阀组布置示意图见图3。

图3 新设计高压阀组布置示意图

蒸汽通过主汽阀后， 分别进入两侧的调阀腔室， 调阀腔室之间设置分流结构， 使得2 个调阀独立进汽， 互不干扰， 最大限度地减小了两股汽流相互间的作用力。 如此便可解决原调阀因进汽对冲产生的激振力对阀芯零件的影响。 这种结构在同类型国产机组上已广泛应用， 其安全可靠性早已得到验证。

需要说明的是， 由于原调阀阀壳与高中压外缸铸成一个整体， 需要对高中压外缸进行配套优化改造， 取消调阀阀壳， 将其改为普通的高压进汽短管与高压导汽管连接。

（2）阀杆连接及导向结构优化方案

高调阀十字套与阀杆之间采用防转销结构在同类型国产机组上也有很多应用案例， 这种结构确实存在很大的局限性。 对此， 设计了一种新的十字套连接结构， 见图4。

图4 优化后十字套连接结构

调节阀操纵座与阀杆通过连接套组件连接，操纵座与连接套组件之间采用12 颗连接套螺栓连接， 阀杆通过阀杆提升螺母与连接套组件连接，安装时拧紧螺母（用止动销防退）， 阀杆顶部顶紧，实现阀杆传动功能。 油动机杆与连接套之间采用同样的连接与传动结构。 调节阀阀碟套筒与调节阀碟配合部位增加2 个导向键， 导向键对称布置在阀碟两侧。 阀杆与调节阀碟之间同样对称布置2个导向键。

采用连接套螺栓及提升螺母进行传动， 大大提升了传动可靠性， 阀门关闭时的冲击力也由阀杆顶部承受， 改善了其承载条件。 另外， 增加导向键可以改变阀碟约束条件， 提高结构刚性和抗振能力， 同时防止阀碟与阀套间的相互转动。 总体来说， 优化后的阀杆连接及导向结构较原机型的结构在安全可靠性上均有较大的提升。

4 结语

电厂采用本文中所述方案对该机型进行了优化改造， 并已成功投运， 机组运行指标良好。 对改造前后进行比对分析， 改造后机组调节阀杆振动现象明显消失。

理论与实践证明， 日立生产的TCDF-40 型机组高调阀存在较大的缺陷， 不利于机组安全稳定运行， 该类型的机组可以采用本文中所述方式进行改造， 从而提高机组运行可靠性。