超临界空冷机组高调门阀体激振故障的分析及解决

摘 要：汽轮机高压调节阀门对机组安全高效运行具有重要的作用，当高调门阀体出现强迫振动时会直接导致阀杆脱落等不同程度的安全事故出现。本文针对2台超临界空冷机组顺序阀运行时高调门出现的阀体激振问题进行了相关的分析研究，最终利用对顺序阀进汽规律进行优化改进设计的方法，较好的解决了此危及机组安全高效运行的隐患。最后，通过实际机组的运行试验验证了本方法的有效性，避免了切换至单阀运行方式运行和更换阀门设备等带来的经济性损失。这对高参数大功率机组的安全高效运行优化具有一定的借鉴意义。

关键词：超临界 空冷机组 高调门 激振故障 分析及解决

中图分类号：TH133；TP183 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）02（c）-0128-02

汽轮机通过高压调节阀门控制进汽量来调整其功率，以使电机功率与外界变动的负荷保持平衡，从而满足电用户实际电量需求。一般情况下，机组采用单阀和顺序阀两种进汽方式，启动时采用单阀方式运行，以保证汽缸转子受热均匀、机组运行灵活性好；而日常运行时采用多阀方式运行，以保证机组较高的效率和经济性。因此，高调门的安全稳定性是机组安全高效运行的有效保障。然而，由于电网中随机不确定性新能源电源的增多以及电网峰谷差不断增大等原因，高参数大功率汽轮机也不得不参与调峰进行变负荷运行，因而，高压调节阀门的开度需要不断变化，油动机随负荷的变化而作动频繁。尤其是当顺序阀进汽规律设计不佳时，会导致出现影响机组安全稳定运行的问题或事故，如调门、EH油压及负荷等大幅高频摆动问题[1，2]。文献[3]和文献[4]指出了两种不同的阀门摆动问题，并给出了相应的处理方法，在实际运行试验中取得了较好的改善效果。同时，如果阀门本体设计存在缺陷也会引起阀门故障，如阀体出现强迫振动阀。主要诱导因素是调节阀内汽体流动的不稳定性和作用在阀头上的不均蒸汽力，同时，阀头和阀杆连接结构形式对诱发和抑制阀杆振动有很大影响[5，6]，严重时甚至伴随蒸汽管道强烈振动并直接导致阀杆脱落出现安全事故。此外，目前一般现场的故障处理方式的着手点有两种，一种是从运行方式上，另一种是从硬件设备上。在运行方式上，可以直接切换至单阀方式运行，也可以降低运行参数躲避激振区域。从阀门设备本身方面，可以通过一些简单加固手段来简单处理，也可以停机机更换阀门设备。但是，以上两种处理措施都会直接或者间接影响电厂的整体运行效益，工程实用性较差。

本文针对2台超临界空冷机组在顺序阀运行方式下出现的在阀体激振现象进行分析研究，利用对汽轮机高调门的配汽规律进行重新优化设计，最终使此问题得到了较好的解决：不仅很好地治理了影响机组安全运行的隐患，而且避免了切换至单阀运行方式运行和更换阀门设备等带来的经济性损失，具有较好的推广应用价值。

1 故障描述

河北国华定洲发电有限责任公司#3、#4机组是CLN660-24.2/566/566型、超临界蒸汽参数、一次中间再热、单轴两缸两排汽、空冷式汽轮机。两个主汽门带四个高调门，从机头向发电机方向看，上半缸从左到右分别为GV1和GV3，对应喷嘴数目都为23；下半缸分别为GV4和GV2，对应喷嘴数目分别为27和19。机组变负荷运行时的顺序阀经济性开启顺序为GV3+GV4-GV1-GV2，这样就能够在保证瓦温和轴振满足要求以及节能高效运行的条件下顺利投运顺序阀。然而，机组投运顺序阀一段时间后发现，两台机组高调门GV4都在35%～45%区间（正好位于长期停留运行的400～500 MW负荷工况区域）存在阀体激振现象，导致其前面的主蒸汽管道都时而伴随强烈振动，严重威胁机组和人员安全。

2 故障分析及解决方案

调节阀的阀体激振问题一般是由内部汽流的流动引起的，一些研究者已经证明：汽轮机调节阀内部的复杂非定常湍流运动会产生不断增长并向外扩散的扰动，可能会造成汽流的不稳定，进而引起阀门工作的不稳定，即出现汽流激振现象；并且，其一般的综合表现为阀杆的横向或轴向振动。文献[7]指出，如果要彻底消除这个问题智能通过对阀体结构的优化设计的方法来解决。然而，这对于实际运行中的汽轮机来讲是不经济的，因为非计划性停机检修会给电厂带来很大的经济损失。同时，文献[8]也指出，通过改变进汽规律可以改变调节级的蒸汽流场，对解决高压缸内的汽流力产生的轴系激振问题具有很好的实践效果。因此，本文借鉴解决轴系汽流激振现象的方法，采用对高压调节阀门的进汽规律进行优化的策略来解决阀体激振问题。通过现场实际振动观测，由于GV4调节阀在35%～45%区间存在的阀体激振问题，因此，对GV4在低流量区域进行限幅在高流量区域再开启，并且低流量和高流量区域的重叠度也进行了优化。如下图2所示，为整体优化后的开启规律。

3 验证试验及结果分析

3.1 在线改造及验证试验

为了使机组在顺序阀方式下长期安全稳定高效节能运行，将优化后的调门开启规律改到机组的DEH阀门管理程序中，然后进行实际运行试验来验证方法的有效性。同时，为了避免由于阀门管理优化改造影响机组正常运行所带来的经济损失，本次优化通过采用阀门管理的在线修改技术，机组运行期间即可完成配汽优化改造。首先，机组在单阀方式下运行，将机组原来的配汽规律函数备份后，再将机组新的配汽规律修改至DEH阀门管理中。然后，在单阀状态下，调整机组的主蒸汽压力和负荷，由单阀切换成顺序阀方式运行；在顺序阀状态下，按正常方式进行变负荷运行一段时间，并且记录在改变机组负荷过程中机组的振动、瓦温以及阀体是否振动等情况。

3.2 优化效果的对比分析

在线改造完毕后，机组切换至顺序阀正常运行了一段时间。机组在300～660 MW负荷区间正常运行时，已经不存在高调门的振动问题，危及机组安全高效运行的隐患得到了妥善处理。同时，对机组运行数据进行采集，如下图3～6所示，为机组进行配汽规律优化后在变负荷运行过程中的调门开度、汽压及瓦温和轴振的变化情况。

通过调阅机组的历史运行数据，机组在全周进汽（无不平衡汽流力）四个高调门全开工况时的瓦温最大值在85℃以下，轴振最大值在90 um以下。从图3～6所示的工况中可看出，优化后机组的瓦温最大值在87℃以下，轴振最大值在90 um以下。因此，优化后轴系稳定性与单阀运行状态基本相当，达到了理想的优化效果。

4 结论及展望

本文针对由于阀体结构设计存在缺陷而只能通过停机更换设备才能彻底消除的阀体激振问题进了相关研究，最终，通过对高调门的开启规律的在线优化方法很好地解决了此问题：不仅避免了由此而导致机组不得不切换至单阀方式进行节流运行，而且还避免了非计划性停机检修所给电厂带来的很大经济损失，保证了机组的安全稳定性和高效经济性，具有很好的工程实用性和推广价值。这对我国今后大规模发展的超（超）临界等高参数大功率机组的安全高效运行优化具有一定的借鉴意义。

参考文献

[1] 江飞，孙建国，刘锦川，等.国产亚临界600MW空冷机组单阀-顺序阀切换试验研究[J].节能技术，2011，29（5）：437-441.

[2] 朱予东，秦占峰，央新刚，等.600MW汽轮机组顺序阀运行方式研究[J].汽轮机技术，2008，50（2）：139-142.

[3] 宋崇明，刘娇，马世喜，等.亚临界330MW供热机组汽轮机高调门大幅高频摆动问题的分析及解决[J].节能技术，2012，30（6）：527-531.

[4] 吕雪霞，李照忠，邢媛，等.600MW亚临界空冷机组汽轮机高调门摆动问题的分析及解决方案[J].节能技术，2012，30（3）：258-261.

[5] 李海英.工业汽轮机抽汽调节阀杆振动断裂原因分析及探讨[J].石油化工设备技术，2009，30（6）：43-46.

[6] 胡剑，张宝.国产600 MW汽轮机调节汽门阀杆脱落原因分析[J].浙江电力，2009（3）：45-47.

[7] 屠珊，毛靖儒，孙弼.非定常复杂流动诱发的调节阀不稳定性研究综述[J].流体机械，2000，28（4）：30-32.

[8] 于达仁，刘占生，等.汽轮机配汽设计的优化[J].动力工程，2007，27（1）：1-5.