汽轮机自动主汽门故障分析及处理措施

吴威宁

厦门市环境能源投资发展有限公司，福建厦门，361006

0 引言

厦门某垃圾焚烧发电厂项目配有2台由南京汽轮机厂生产的型号为N18-3.9-3的凝汽式汽轮机，其调节保安系统代号为Z4637。该汽轮机于2020年9月份投产运行，2021年12月2#汽轮机在计划性小修后，进行启机前油循环及调节系统静态试验，发现调节保安系统出现两个故障，一是启动高压交流油泵，挂闸电磁阀未得电，启动油就建立了，自动主汽门自行打开；二是手拍危急遮断油门，自动主汽门无法关闭。

自动主汽门是汽轮机保护系统的一个执行装置，当机组出现故障，保护动作后，可以立即切断汽轮机进汽源，从而达到防止机组超速的目的。而自动主汽门是靠建立启动油压开启的，停机时安全油泄掉，启动滑阀在压力油作用下切断启动油，泄掉自动关闭器的油缸腔室中的启动油，使主汽门快速关闭。因此启动油、安全油故障均会影响主汽门关闭，从而危及机组运行安全[1]。

1 原因分析及处理过程

1.1 启动高压油泵，挂闸电磁阀未得电，自动主汽门自动打开

现象：启动高压油泵，复位油压0.2MPa，启动油压慢慢升到0.85MPa。

结构原理：由调节系统图（图1）可知，主汽门打开条件是必须在自动关闭器底部有启动油压，而建立启动油压的条件是先建立安全油，而建立安全油必须挂闸电磁阀得电后建立复位油。其主要原理是，挂闸电磁阀得电建立复位油压，即将挂闸滑阀的弹簧下压，切断安全油泄油管路。而压力油经启动滑阀上的节流孔（约2mm）后建立安全油，此时安全油作用在挂闸滑阀上部，能够使挂闸电磁阀失电后，复位油消失还能维持挂闸滑阀位置不变。安全油建立后作用在启动滑阀的上部腔室，将阀芯下压，压力油经启动滑阀节流孔形成启动油，作用于主汽门关闭器下腔，带动主汽门开启。在停机时安全油泄掉，启动滑阀在压力油作用下向上运动切断启动油，并泄掉自动关闭器的油缸腔室中的油，使主汽门快速关闭。同时挂闸滑阀在弹簧的作用下，向上打开安全油的泄油口，确保安全油能够泄放到零。

图1 调节系统图

问题分析与故障排除：实际现场排查发现，启动高压油泵时，现场表盘复位油有压力，未归零，可见复位油压未完全卸压。检查挂闸电磁阀状态为失电状态，未发现异常。将挂闸电磁阀线圈拆除，启动高压油泵，复位油未归零，故障同样未消除，这样可以排除电磁阀线圈故障。解体电磁阀阀芯，发现阀杆与套筒连接处有微毛刺与铁锈，用金相砂纸磨掉该毛刺及铁锈，用清洗剂对阀芯与套筒进行清洗后，并用压缩空气吹扫干净，淋上干净的透平油回装。再次启动高压油泵时，复位油压降为零、启动油压降为零、主汽门未自动开启，挂闸电磁阀得电后主汽门开启，故障排除[2]。

1.2 手拍危急遮断器油门，自动主汽门无法关闭

现象：手拍危急遮断器油门，启动油压力0.85MPa无变化，安全油压从0.75MPa降到0.3MPa后，稳定不再变化。危急遮断器油门复位，安全油恢复到0.75MPa。

结构原理：由图1调节系统图可知，主汽门关闭的条件是自动关闭器下腔卸掉启动油，而启动油卸油窗口在启动滑阀的底部，其条件是启动滑阀阀芯向上运动，才能切断压力油到启动油的节流窗口，并从底部卸压。滑阀上移条件是作用于启动滑阀顶部的安全油卸压，而该调节系统安全油卸油共有三处，其一是危急遮断器油门，通过手拍危急遮断油门或超速时危急遮断器飞锤因离心力增大，而克服弹簧力作用甩出击打危急遮断油门挂钩，使其脱扣，卸掉安全油；其二是AST电磁阀组，接收ETS系统的转速、位移、振动、润滑油压、真空、油温等超过规定值及油开关跳闸的信号，动作电磁阀而卸掉安全油；其三是挂闸滑阀底部，在停机时安全油泄掉，挂闸滑阀的弹簧力超过其顶部安全油的压力，滑阀向上移动，打开底部安全油的泄油口，确保安全油压能够泄放到零。

问题分析：按可导致启动油与安全油无法正常卸压的可能原因，运用排除法。

1.2.1 安全油、启动油管路堵塞

逐一打开安全油、启动油管路接头，检查各油管焊口处内部是否存在较大焊瘤，并用压缩空气对安全油及启动油管路进行吹扫，并用直径不小于油管道管径的2/3的橡胶球进行通球试验，通球率100%，未发现堵塞。

1.2.2 危急遮断油门卸油不畅

拆除机头危急遮断油门，检查：①前轴承箱上盖壳体安全油卸油口是否畅通；②用深度尺与游标卡尺测量前轴承箱安全油卸油窗口与危急遮断油门壳体的卸油窗口是否重合。检查结果，轴承箱上安全油口畅通，但与危急遮断油门壳体卸油窗错口差3mm，这种安装状态，排油口会被遮掉3mm，这样不利于安全油快速卸压。再次检查发现，危急遮断油门法兰有3mm的纸垫，经查图纸及3#机的危急遮断油门，此处并无垫片，就是这张垫片引起卸油窗口错口。去除该油门法兰3mm的垫片，回装危急遮断油门发现其拉钩会碰到危急遮断器，会造成正常运行中危急遮断油门会脱扣，卸掉安全油压，关闭主汽门。分析该设备安装期间，危急遮断油门法兰垫3mm垫片就是为了防止危急遮断器飞锤碰到遮断油门拉钩而脱扣，但却遮盖了部分安全油卸油窗口，从而解决了一个问题却产生了另一个隐患。为了彻底解决这个隐患，将危急遮断油门的拉钩按原弧度磨低3mm，并用塞尺检查其与危急遮断器飞锤的间隙，保证0.8～1.2mm，符合要求，同时又保证安全没卸油窗口通畅。恢复后继续做试验，启动高压油泵，挂闸，手拍危急遮断油门，自动主汽门仍无法关闭[3]。

1.2.3 启动滑阀卡涩

由图1调节系统图可知，安全油在其他窗口卸油后，作用在启动滑阀顶部油压降低。若滑阀卡涩，压力油窗口面积差产生的向上力不足以克服卡涩产生的摩擦力，造成滑阀不向上移动，无法关闭启动油窗口，切断启动油，从而从底部卸掉启动油压，自动主汽门也同样不会关闭。解体启动滑阀阀芯与套筒进行检查、清洗、复装，恢复后试验，自动主汽门仍无法关闭。再次试验，启动高压油泵，挂闸，按下中控室紧急停机按钮，发现主汽门能迅速关闭，这是因为紧急停机用AST电磁阀组的安全油卸油窗口，而卸完安全油仍需依靠启动滑阀的滑芯向上移动关闭启动油建立窗口，并卸启动油，可见启动滑阀阀芯是不卡涩的，并无故障，可以排除。

1.2.4 挂闸滑阀问题

从手拍危急遮断器油门，安全油压从0.75MPa降到0.3MPa，可见危急遮断器油门是可以卸安全油的，只是未全部卸完，应该还有其他设备共同参与卸安全油的动作过程，但未有效完成，排除了AST电磁阀组后，就剩下挂闸滑阀了。由图2可知，其工作原理是，其他安全油卸油窗口打开后，油压下降，作用于挂闸滑阀上部的安全油1窗口压力作用力减弱，阀芯在下部弹簧作用下上移，底部侧面安全油2窗口打开，确保安全油能够泄放到零。解体挂闸滑阀，发现底部垫有2块尺寸不符合要求的普通螺丝用平垫片，测量尺寸为φ30mm×φ20mm×2.3mm，弹簧尺寸为φ26mm(平均直径）×φ3mm（线径）×54mm（长度），滑阀套筒内孔尺寸为φ40mm。钢垫片外径与滑阀筒体内径尺寸相差较大，垫片可以在筒内移动较大距离。查阅厂家相关图纸，该处并未设计有垫片，初步分析当时安装调试时，调节系统安全油也出现问题，主汽门无法关闭，垫2块垫片，增加了弹簧的弹力，就可以有效地将安全油压泄放到零。但因这两块垫片与套筒配合不紧密，偏差较大，后期运行中振动或油压冲击造成弹簧在套筒中发生移动、偏斜，弹簧支撑面未全部与该垫片贴合，造成弹簧力减弱，在安全油仍有0.28MPa作用于滑阀顶部时，下部弹簧力仍无法克服顶部残余的安全油压力，滑芯无法向上移动，底部侧面卸油窗口无法打开卸掉剩余的安全油压，自动主汽门也就无法关闭了[4]。

图2 挂闸滑阀

弹簧系数及压缩量相关计算：

弹簧材质为60Si2MnA；尺寸为φ26mm×φ3mm×54mm；弹簧有效圈数6圈；挂闸滑阀套筒内径φ=40mm。

根据弹性定律、弹性系数计算公式：

式中，F为弹簧所受的载荷（N），k为弹性系数（N/mm），x为受F时弹簧产生的伸长量或者压缩量（mm），G为弹簧材料切变模量（MPa），d为弹簧丝直径（mm）；D为弹簧平均直径（mm），n为-弹簧有效圈数；C为弹簧的旋绕比。

（1）根据弹簧材质设计参数d=3 m m、D=26mm、n=6、C=8.666，查找相关资料《机械设计手册》可以得到G=79000MPa，通过计算得出弹性系数k=7.5849kgf/mm=75.849N/mm。

（2）正常运行时安全油压为0.6MPa，弹簧上部受到0.6MPa压力，可以算出弹簧的压紧力F=P*S=0.6×106×（π×20×10-3）2=754N，弹簧压缩量x=F/k=9.94mm，即弹簧受力后压缩9.94mm。

（3）当假设安全油卸压时弹簧顶部仍受到约0.3MPa压力，可以算出弹簧的压紧力F=P*S=0.3×106×（π×20×10-3）2=377N，弹簧压缩量x=F/k=377/75.849=4.97mm，即弹簧受力后压缩4.97mm[5]。

原挂闸滑阀弹簧底部就垫有2块2.3mm垫片，为了消除0.3MPa的顶部压力，需增加垫片为4.97-2×2.3＝0.37（mm）。为了验证弹簧力不足是造成该次自动主汽门无法关闭的主因，且可以通过增加适当垫片厚度解决弹力不足问题，通过精加工新的平垫，要求其外径与套筒内径相当，规格为φ38mm×5mm的大垫片，替换原来的旧垫片，再次试验，挂闸电磁阀得电，主汽门开启，手拍危急遮断油门，安全油降为零，自动主汽门迅速关闭，问题解决。尝试增加垫片，将厚度增为5.5mm试验，挂闸电磁阀得电，启动油压0.85MPa，安全油0.75MPa，主汽门开启后又迅速关闭，安全油卸为0。可见，安全油压因在启动阀源源不断建立，无法完全卸去，挂闸滑阀弹簧无法克服上部0.3MPa压力而向上运动打开卸油窗口，使得汽机主汽门无法关闭，而弹簧受到0.3MPa压力时压缩量为4.97mm，为了使弹簧能够到达指定位置而打开卸油窗口，在弹簧底部增加约4.97mm垫片即可解决问题。再增加垫片就会增加弹簧力，导致安全油从挂闸滑阀底部卸掉，无法建立安全油压，从而导致主汽门再次关闭问题。

2 暴露的问题

针对自动主汽门自动开启与无法关闭故障，通过打磨、清洗调节系统控制油设备及增加更换垫片可使其得以解决，可见暴露出几个问题。

（1）设计缺陷。由调节系统图的启动滑阀（图1）可知，安全油是靠启动滑阀上的节流孔建立的，在启动高压油泵或正常运行过程中，只要压力油不断，安全油一直都有，保护动作时只是从其他窗口卸安全油，安全油建立窗口并未被关闭，若安全油各卸油口流量低于安全油建立流量，安全没压就无法到零，启动油就无法卸掉，自动主汽门就无法关闭，这是该系统设计的缺陷。

（2）设计与制造不规范。厂家未对油窗面积、油压、弹簧力等进行准确有效的计算，危急遮断油门法兰与前轴承箱制造不通配，造成后期需要调整。

（3）安装施工不规范。未严格按电力建设施工验收及评价要求对调节保安系统部件进行有效解体、检查及清洗；在已经判断是挂闸滑阀弹簧力问题引起的主汽门无法关闭时，未加工合适的垫片配上，没有做到后期弥补前期设计制造的不规范。

（4）油质较差。从油系统内部检查及挂闸电磁阀芯解体检查来看，油质较差，有设备厂家出厂时加工铁屑，有管道焊接遗留的焊渣、密封胶、生料带等。

3 结语

汽轮机为垃圾焚烧发电厂主要的设备，作为建设及生产单位，设计前期必须严格审图，指出设计不合理或不规范的工艺；监造过程对质量计划的控制点（W点、H点）进行见证，对质量严格把控；设备安装、调试执行全过程监理，按《电力建设施工验收及评价规程》、制造图纸及其他国家相关规范要求验收；生产运行期间观察安全油、润滑油、压力油、滤油器前后压差等各种油压参数的变化。定期化验油质，重点监视颗粒度指标，颗粒度超标较多要用板式滤油机滤油，合格后根据油质其他指标情况可改用真空滤油机定期滤，同时将调节保安系统的滤油器滤芯更换列入每次小修标准项目中。主汽门活动电磁阀得电可以试验主汽门关闭或活动情况，得电可卸启动油，为确保停机安全性，在停机时可以联锁主汽门活动电磁阀得电。

调节保安系统故障，一般会体现在各种油压变化上，只要熟悉系统图纸，掌握各种油压产生及变化的原理，可用排除分析法，并认真坚持采用理论与实践相结合的方法，问题就会逐一解决。