汽轮机高压调速汽阀节流损失大原因分析及处理

        1 机组概况
        国电九江发电厂4号机组为N21012.7/535/535型、一次中间再热、冲动式、单轴、三缸、二排汽、凝汽式汽轮机，是上世纪80年代末制造的机组，于1992年9月投产运行。机组原采用机械液压式调节保安系统，2009年5月对4号机组调节保安系统进行了纯电调DEH改造。机组共有4只高压调速汽阀（调节门），分成两组，布置在高压缸的左、右两侧，每一侧的2只高压调节门合用一个外壳并与主汽阀连接在一起。高压调节门采用的是凸轮操纵式提升机构，高压油动机通过其配汽杠杆的齿条带动齿轮、凸轮轴使凸轮旋转，然后通过滚轮、杠杆、顶杆使滑架上下移动，与滑架相连的心轴也上下移动。高压调节门用阀杆接合器（两半接头）与心轴相连，然后高压调节门阀杆也随着心杆移动，以控制高压调节门的开度。
        2 存在问题
        4号机组自投产运行以来，因1号、2号、3号、4号高压调节门的凸轮型线设计不合理，局部转角范围内压力角较大，最大压力角达到了40°（大于允许值30°），高压调节门开启中凸轮机构易发生自锁现象，出现明显的卡涩。机组在中等负荷范围内运行时负荷摆动大，并且由于4只高压调节门重叠度大造成机组在中、高负荷区域运行时，1号和2号高压调节门节流损失大，使高压缸效率降低，机组运行的经济性下降。1994年在制造厂帮助下，对4号机组的高压调节门的凸轮型线进行了改型设计，减小了压力角，使特性曲线光滑，解决了运行中高压调节门开启时凸轮机构易发生自锁和机组运行时负荷摆动大的问题。但是，3号高压调节门与1号、2号高压调节门的重叠度和重叠范围仍很大，1号和2号高压调节门在各种负荷下都不能开足，仍然存在较大的节流损失，在大流量下4号高压调节门与1号、2号高压调节门仍有5%左右的重叠度。机组带140MW负荷运行时，1号和2号高压调节门前后压差高达3.6MPa，带满负荷运行时也达到0.8MPa，导致机组运行的经济性很差。    
        3 原因分析及解决措施
        原设计1号和2号高压调节门的主阀最大开度均为33mm，预启阀设计行程均为7mm，经检查发现，实际运行中3号高压调节门主阀开启时对应的1号和2号高压调节门主阀行程为17.4mm。4号高压调节门主阀开启时对应的1号和2号高压调节门主阀行程为29.2mm，对应的3号高压调节门主阀开启行程为10.7mm。1号和2号高压调节门主阀行程为33mm时，3号高压调节门主阀行程为24.2mm，4号高压调节门的主阀行程为10.6mm。根据以上情况可知，虽然1994年的凸轮型线进行了改型设计，但仍存在上述节流损失大的问题。
        通过分析可采取以下措施：
        （1）减小高压调节门预启阀的行程可增大1号和2号高压调节门主阀在高负荷区的有效开度，并减小节流损失。把预启阀的行程由7mm减小至5mm，主阀有效开度可增加2mm，在凸轮转角100°时的开度可达到原设计110°时对应的开度，对机组在高负荷区减小1号和2号高压调节门节流损失有利。在1号和2号高压调节门预启阀行程减小后，还部分减小了高压调节门重叠度，有利于高压调节门在大行程范围的稳定性。具体措施是卸下预启阀的压紧盖，并在下部车削去掉2mm，回装时重新配螺丝孔。
        （2）在满足高压调节门重叠度、机组输出功率要求、调节门预启阀行程调整及提升力特性要求下，重新设计4只凸轮型线。新凸轮加大了凸轮外圆直径，其型线由多段圆弧组成，即由凸轮基圆、与滚轮同径的起始圆弧段、半径不同的多个圆弧段组成。新凸轮型线由半径为40mm、60mm、80mm、120mm、130mm、140mm、150mm、156mm、160mm等九段圆弧组成。在凸轮型线优化设计时既考虑了1号和2号高压调节门预启阀行程已调小的因素，也考虑了4号与3号调节门、3号调节门与1号和2号调节门开度间的相对关系，故各凸轮的键槽位置未改变。
        （3）改造后的凸轮，在静态试验时根据需要适当加厚了油动机齿条连杆之间的垫子。
        4 改进效果
        经改造后效果如下：
        （1）凸轮机构改进前后的设计特性比较见图1。

        图1 凸轮型线改进前后尺寸图

        由图1可见，1号和2号调节门特性曲线较原设计平滑，并使其对应的开度增加，3号调节门特性曲线也比原设计平滑，并提前开启，4号调节门特性曲线开启推迟。
        （2）高压调节门改进前后特性比较见表1。

        表1 高压调节门改进前后特性比较

        由表1可见，改进后1号和2号高压调节门的主阀最大行程为38mm。在3号高压调节门主阀开启时，对应的1号和2号高压调节门的主阀行程为25.1mm；4号高压调节门主阀开启时，对应的1号和2号高压调节门的主阀行程为37.8mm，对应的3号高压调节门的主阀行程为18.8mm。1号和2号高压调节门主阀行程为33mm时，3号高压调节门主阀行程为7.2mm，4号高压调节门的主阀行程为0。1号和2号高压调节门的主阀行程为38mm时，3号高压调节门主阀行程为21.9mm，4号高压调节门主阀行程为3mm。由此可见，3号高压调节门与1号和2号高压调节门、4号与3号高压调节门间的重叠度和重叠范围明显减小。改进后从高压调节门开启的相对关系看，3号高压调节门主阀开启对应的1号和2号高压调节门主阀的开启推迟了7.7mm，4号高压调节门主阀开启对应的3号高压调节门主阀开启推迟了8.3mm，有效地解决了机组高压调节门重叠度和重叠范围大的问题，可降低高压调节门节流损失。
        （3）1号和2号高压调节门预启阀行程调整后，油动机提升力系数在设计规范要求的1.7~1.9倍范围内。
        （4）1号和2号高压调节门预启阀行程调小后，在主阀开启时，门杆最小截面处的拉力虽然增大了，但由于门杆的极限强度为500MPa，压力集中系数为2，疲劳系数为2.6，故仍有足够的安全裕度。
        （5）1号和2号高压调节门预启阀行程调整后，提高了大开度下的稳定性。
        （6）凸轮型线改进后，在整个行程范围内，凸轮压力角处于正常范围内，高压调节门的流量特性平滑，主汽流量与凸轮转角关系平滑，调节特性良好。
        （7）改进后高压调节门实际通流能力基本达到了改进前机组的通流能力，可满足机组的最大输出功率及夏季工况最大输出功率要求。
        5 结语
        改进后对4号机组进行的热力试验结果，3号高压调节门与1号和2号高压调节门的重叠度由改进前20%~25%下降至10%左右，满负荷下1号和2号高压调节门的压损由0.8MPa下降到0.4MPa。机组在160~210MW负荷范围内运行时，高压缸平均效率提高了1.1%，标准煤耗下降了1.2g/（kW•h），机组运行经济性明显提高。