0 引言
汽輪機旁路系統是與汽輪機并聯的蒸汽減溫減壓系統,一般都是由減溫減壓閥、減溫水調節閥、管道及控制裝置所組成。高壓旁路閥,可使多余蒸汽不進入汽輪機高壓缸而直接進入再熱器,蒸汽的壓力和溫度通過減溫減壓裝置(即旁路閥)使蒸汽參數降至再熱器人口處的蒸汽參數。
機組負荷變化時,旁路系統具有良好的調節作用,即使鍋爐、汽輪機負荷匹配。旁路系統能適應機組定壓運行和變壓運行兩種工況。同時當電網突然故障,旁路系統能在2~4s內自動開啟投入運行。機組帶廠用電負荷運行,待故障消除后立即向電網供電,即帶廠用電運行工況;當汽輪機跳閘時鍋爐降負荷至最低穩壓負荷下繼續連續運行,即停機不停爐工況;汽輪機旁路閥都發揮了重要的作用。
1 高壓旁路閥普遍存在的問題
由于汽輪機高壓旁路閥是在惡劣工況下運行的閥門,其前后壓差相當大。以600MW機組的二級旁路系統為例(如圖1所示),高壓旁路閥門進口壓力是主蒸汽壓力,額定工況時為16.67MPa,閥門出口壓力是再熱器進口壓力,額定工況時為2.41MPa,所以調節閥在額定工況下閥門前后的壓力差為14.26MPa。調節閥中的流體在高壓力差下必然會成為高速流體,而閥門內產生汽蝕、閃蒸、振動和噪音的主要原因就是高速流體的存在。所以目前大多數電廠的高壓旁路閥因高速流體的影響,普遍存在:閥門密封面因侵蝕引起泄漏;機組運行期間管道產生高噪音、高振動;閥內件發生嚴重損壞等問題。
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圖1 汽輪機旁路系統
2 高壓旁路閥產生泄漏原因分析
當壓力為P1的高速介質通過高壓旁路閥時,介質首先通過閥筒流動到閥芯位置,由于旁路閥中的閥芯和閥座之間具有能產生頸縮現象的節流,使介質壓力降低到P2,當介質壓力P2低于該介質的飽和蒸汽壓力Pv時,介質就會在閥芯位置產生汽化現象形成氣泡。當介質通過閥芯和閥座形成的頸縮位置后,介質壓力會由P2提高到P3,并大于介質的飽和蒸汽壓力Pv,這時之前形成的氣泡就會發生破裂,在閥門中產生極大的局部壓力。閥門中的節流元件都會受到局部壓力的變化而發生嚴重的破壞,這既是所謂的汽蝕現象。[2]這種巨大的能量變化是造成閥門的損壞的主要原因,使得閥門發生內漏和外漏,導致閥門運行中的高噪音及管道的振動,從而影響整個系統的安全性和運行效率。
因此,高壓旁路閥在惡劣工況下產生泄漏的原因就是閥內件受到汽蝕所致,即閥門受到來源于高速流體流過閥芯,產生巨大的能量變化。
3 迷宮式調節閥
迷宮式調節閥是目前新一代的、具有較高技術含量的、能夠適應高溫高壓等惡劣環境下的調節型閥門。迷宮式調節閥與普通調節閥所不同的是具有多層迷宮式芯包,其利用迷宮式芯包多級降壓的原理,無論閥門前后壓力差的大小,經過芯包后介質流速就會受到限制,使介質壓力一直保持在在汽化壓力Pv之上,從而避免閥門內件產生汽蝕現象,因此能夠解決普通調節閥所發生的閥內件汽蝕、運行時高噪音、管道震動、閥門調節靈敏度低等普遍問題。迷宮式調節閥主要運用在高溫高壓條件下所需閥門中,目前在電廠鍋爐減溫水調節閥、給水泵最小流量控制閥、連續排污調節閥、主蒸汽調節閥以及軸封蒸汽調節閥中都有廣泛應用。
迷宮式調節閥主要由閥體、包括芯包在內的閥內件、閥蓋、閥座、閥桿、密封填料及執行器組成。其核心技術是閥門內具有多層迷宮盤片層疊形成的芯包,所有迷宮盤片都是用無電解鎳釬焊材料,經過加壓,放入真空電爐加溫燒結而成。所以整個迷宮盤片層疊的芯包本身就相當于一張濾網,把高壓旁路閥系統中的一些固體雜質擋在芯包之前,從而保護閥芯和閥座不被劃傷,實現閥內件不受汽蝕等問題,如圖2所示。
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圖2 迷宮式閥門芯包
4 應用實例
下面以哈爾濱第三發電廠600MW機組3號機高壓旁路閥為例,采用迷宮式調節閥技術進行改造。3號機組高壓旁路閥主要參數:額定流量為600t/h,進/出口壓力為16.67MPa/2.41MPa,進/出口溫度為537℃/282.5℃,調節特性為線性,執行機構形式為電-液式。
4.1 高壓旁路閥損壞情況
從現場了解和調查的情況來看閥體完好,但閥內件損壞的情況是嚴重的。其損壞情況如圖3、圖4所示。
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圖3 閥芯損壞情況照片
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圖4 閥內件內套筒損壞情況照片
4.2 利用迷宮式閥內件改造
哈爾濱第三發電廠600MW機組3號機高壓旁路閥的進口壓力為16.67MPa,出口壓力為2.41MPa,壓差為14.26MPa。迷宮型疊片式閥內件,其最大壓差可達34MPa左右,可調比可達到800∶1,所以能夠充分地滿足3號機高壓旁路閥壓差和調節功能的的要求。迷宮式閥內件是把一連串單獨的圓片疊加在一起,并將其整合成一個套筒,籍以達到降低流速的目的。每一個圓片都有經過精心調控的小孔和表面蝕刻帶有許多尖銳轉角的通道,并構成一定的圖形。當閥芯在套筒內位移時,流體受到節流并迫使其流過極其曲折的途徑,而每個轉角就起一級降壓的作用。由于眾多狹窄流道(每個都具有許多尖銳轉角和連續擴張的流徑)的組合效應,在逐級膨脹的過程中減少了流體的動能,降低了壓力,因而避免了噪聲的來源。
在原3號機高壓旁路閥的閥體上安裝新的迷宮型閥內件。其改造過程利用下面圖示進行闡述:先安裝閥座及密封環,如圖5所示;再安裝迷宮式閥芯,如圖6所示;之后安裝閥桿,如圖7所示;再安裝導向裝置、閥蓋及填料等閥內件,如圖8所示。
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圖5 安裝閥座及密封環
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圖6 安裝迷宮型閥芯
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圖7 安裝閥桿
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圖8 安裝導向裝置、閥蓋及填料等閥內件
4 結語
經改造后的高壓旁路調節閥能很好地維持電廠汽輪機組安全經濟運行,在電廠多次大修小修過程中對高壓旁路閥進行解體檢驗,均未發現閥門內部有任何沖刷和損壞現象。迷宮式改造技術能夠有效地控制高速流體的產生,能成功解決高溫高壓閥門所遇到的汽蝕、高噪音、震動、閃蒸等普遍問題,并能夠提供流量的準確控制和閥門良好的關閉特性,保證了機組安全、經濟、穩定地運行,提高機組運行的經濟效率并延長了維修周期。