抽汽調節(jié)閥汽流激振原因分析及對策

　　高溫高壓汽輪發(fā)電機組，由于一抽抽汽疏水管大量積水，當一抽調節(jié)閥開度為33%時，一抽抽汽壓力到達42.5MPa投入管網，蒸汽與一抽管道積水冷熱交換，一抽管道部分積水蒸發(fā)急劇膨脹，快速形成冷熱交換蒸汽汽流漩渦，一抽管道逆止門來回波動，閥蝶受蒸汽汽流渦動產生劇烈激振，一抽調節(jié)閥閥桿連接的2個關節(jié)軸承拉長損壞。

　　高溫高壓汽輪發(fā)電機組，由于一抽抽汽疏水管大量積水，當一抽調節(jié)閥開度為33%時，一抽抽汽壓力到達42.5MPa投入管網，蒸汽與一抽管道積水冷熱交換，一抽管道部分積水蒸發(fā)急劇膨脹，快速形成冷熱交換蒸汽汽流漩渦，一抽管道逆止門來回波動，閥蝶受蒸汽汽流渦動產生劇烈激振，一抽調節(jié)閥閥桿連接的2個關節(jié)軸承拉長損壞。增加一個一抽疏水口管道，一抽抽汽投入后沒有出現一抽調閥劇烈波動，但是一抽調閥閥座垂直振動烈度數值嚴重超標。通過頻譜分析得出：一抽調節(jié)閥閥座垂直測點振動烈度主要有73Hz頻率分量，當一抽閥蝶關小時，一抽閥蝶受到蒸汽汽流渦動沖擊，蒸汽對閥蝶產生強烈汽流激振。針對以上情況，對大流量一抽調節(jié)閥座結構形式進行比較分析探討，最后采用一抽鐘罩閥結構形式，一抽調節(jié)閥汽流激振問題得到了圓滿解決。

1、投一抽抽汽時發(fā)生汽流劇烈波動

　　雙抽冷凝高溫高壓汽輪發(fā)電機組，額定轉速3000r/min，額定功率500O0kW，進汽壓力10.02MPa，進汽溫度530°C。當功率為35000kw時，二抽抽汽已投入，抽汽量為115t/h左右。投一抽抽汽方式：抽汽速關閥開度50%，抽汽隔離閥開度為100%，待一抽抽汽壓力為管網壓力相等或略高管網壓力，一抽抽汽投入管網時，抽汽速關閥逐步開大，同時調整汽輪機主調門，調整一抽抽汽調節(jié)閥，保持一抽抽汽管網壓力穩(wěn)定、抽汽量平穩(wěn)調節(jié)。總之，投一抽抽汽要求壓力流量平穩(wěn)過渡，逐步微量穩(wěn)定調節(jié)。而實際情況是：當一抽抽汽調節(jié)閥關小至33%左右時，一抽抽汽壓力已經達管網壓力4.25MPa左右，抽汽管道逆止門來回波動，同時抽汽量也在O-8t/h范圍內波動，一抽閥蝶與閥座蒸汽通流口形成汽流渦動，一抽抽汽口汽流劇烈波動，引起汽流強烈激振，蒸汽汽流振動頻率相當高，導致了右側一抽抽汽調節(jié)閥彈簧座螺桿上面擰緊的雙螺母從長螺桿上迅速向上旋出，連續(xù)二次把右側一抽調節(jié)閥彈簧座螺桿上面的雙螺母在幾秒鐘內旋轉向上退出，螺母退出的位移大約60mm。為了防止一抽抽汽調節(jié)閥的彈簧座螺母振松向上旋轉問題，要求用戶立即停機，一抽調節(jié)閥汽流劇烈振動持續(xù)2min左右，一抽抽汽退出汽輪機立即停機。此時調節(jié)閥殼垂直瞬間振動烈度數值一時無法測到，可以肯定一抽調節(jié)閥蝶閥座發(fā)生了劇烈汽流激振，振動烈度數值非常大，據查在此以前功率3500kw左右，二抽抽汽投入后，當一抽抽汽投入時，也發(fā)生了一抽抽汽調節(jié)閥閥座彈簧壓緊螺桿仁的雙螺母振松瞬時旋轉退出現象。在汽輪發(fā)電機組運行中，把螺桿上的螺栓擰緊2次。抽汽調節(jié)閥閥桿上連接的萬向關節(jié)軸承己經超過承受拉力極限，關節(jié)軸承拉長2mm左右變成橢圓形(見圖1)。為此對一抽抽汽調節(jié)閥汽流激振現象進行深入分析，其判斷蒸汽汽流對一抽抽汽調節(jié)閥閥蝶沖擊力的大小(見圖2)。

圖1 抽汽調閥連接關節(jié)軸承

圖2 一抽調閥開度33%時調閥大幅度上下擺動

2 、抽調節(jié)閥閥桿關節(jié)軸承損壞原因分析

　　為了找到投一抽抽汽調閥開度為33%時，一抽抽汽調節(jié)閥閥座彈簧壓緊螺桿上的雙螺母振松瞬時旋轉退出原因，查閱了一抽調閥閥蝶開度記錄曲線，一抽調閥閥桿行程(油動機)上下來回劇烈波動，復算一抽閥桿頂部連接的萬向關節(jié)軸承受拉力極限數值，只有一抽調閥口蒸汽汽流渦動劇烈沖擊閥蝶上下來回劇烈波動時，一抽調節(jié)閥閥桿上下高頻劇烈抖動，才能使閥桿連接的2個關節(jié)軸承瞬間拉長2mm左右。有一個現象引起現場有關人員的關注，一抽調閥閥桿劇烈抖動，2個關節(jié)軸承拉長損壞時，發(fā)現一抽管道上的一抽速關閥閥桿大量漏汽并冒大量蒸汽，一抽管道逆止門來回波動，此時為什么會出現一抽速關閥閥桿大量漏汽?仔細檢查一抽抽汽管道最底部疏水口，發(fā)現設計制作只有Φ32m外徑管道疏水口，打開一抽管線疏水閥門，發(fā)現一抽蒸汽管道內有大量積水。初步判斷：投一抽抽汽時汽輪機一抽抽汽口蒸汽進入一抽管道內，蒸汽與一抽管道積水冷熱交換，一抽管道部分積水蒸發(fā)急劇膨脹，快速形成冷熱交換蒸汽汽流漩渦，一抽管道形成水沖擊同時有抖動現象，一抽閥座與閥蝶流道口產生劇烈汽流渦動，閥蝶與閥桿上下激烈沖擊波動，一抽管道逆止門來回波動，最終導致一抽調節(jié)閥閥桿上連接的2個關節(jié)軸承拉長損壞(見圖1)。說明：由于沒有安裝殼體振動速度傳感器，此時沒法測量一抽調節(jié)閥閥座上汽流激振頻率。為了解決以上問題，在一抽管道最低部位增加一個法蘭Φ56mm疏水管道口。重新啟動汽輪發(fā)電機組前，確認一抽管道內沒有積水存在時才能投一抽抽汽。當一抽抽汽調節(jié)閥開度為33%左右時，一抽抽汽壓力為4.2MPa，調節(jié)閥閥座上彈簧連接M24螺母沒有向上旋轉松脫，關節(jié)軸承也沒有出現拉長損壞現象，但是一抽調節(jié)汽閥閥座垂直振動烈度數值嚴重超標。為此對一抽二抽調節(jié)閥閥座殼體垂直方向進行振動烈度頻譜測試分析。

3、抽汽調節(jié)閥殼體垂直振動烈度頻譜分析

　　汽輪發(fā)電機組正常運行后，汽輪機二抽投入，一抽也投入運行后，對一抽二抽汽調節(jié)閥進行了振動烈度測試，測得一抽2個抽汽調節(jié)閥閥殼垂直振動烈度數值分別為左側22.5mm/s，右側25.8mm/s。二抽抽汽節(jié)調閥殼垂直方向分別為左8.1mm/s，右7.8mm/s(軸承座殼體振動烈度標準是≤7.1mm/s)。

　　抽汽調節(jié)閥殼體垂直振動烈度數據表(見表1)。

表1 抽汽調節(jié)閥殼體垂直振動烈度數據

　　抽調節(jié)閥殼體垂直振動烈度數值嚴重超過設計標準要求，汽輪發(fā)電機組長期運行，對一抽調節(jié)閥結構損壞是有直接影響的。從一抽抽汽閥座殼體垂直方向振動頻譜來看：是73Hz頻率為主頻振動烈度峰值分別為15mm/s(左側)和17mm/s(右側)，附近存在較大寬頻蒸汽汽流振動噪聲分量，是蒸汽汽流對閥蝶流道口沖擊產生較大汽流激振。蒸汽汽流對閥蝶有橫向沖擊，同時汽流對閥蝶上下垂直方向也有直接沖擊。一抽閥蝶周圍內部有空腔，閥碟周圍蒸汽汽流會流入空腔內對閥碟造成渦旋汽流沖擊。蒸汽流入空腔還伴有汽流渦動現象。為此對一抽抽調節(jié)閥汽流激振進行分析探討。

4 、抽調節(jié)閥汽流激振分析探討

　　抽閥座液氮冷凍套裝在汽輪機本體上，一抽閥蝶開度大小改變了一抽蒸汽壓力，當然與汽輪機主汽門調節(jié)閥蒸汽進汽流量、一抽蒸汽壓力、一抽抽汽量有關，一抽調節(jié)閥開度隨功率流量曲線網圖坐標位置工況點變化而改變。汽輪機設計最大一抽額定抽汽量為100t/h，最大二抽抽汽量為200t/h，一抽閥座直徑Φ250mm。一抽調節(jié)閥開度為100%時，蒸汽汽流激振力對一抽調節(jié)閥閥座影響相對小一些，一抽調節(jié)閥座殼體垂直振動烈度為11mm/s。當一抽調節(jié)閥開度為33%時，一抽蒸汽壓力為4.25MPa，一抽調節(jié)閥閥座殼體振動烈度為25.8mm/s。閥蝶開度減小，一抽蒸汽壓力上升蒸汽汽流劇烈激振，振動烈度數值明顯加大。蒸汽汽流沖擊在Φ250mm閥蝶面上，在通流喉部形成汽流漩渦產生劇烈汽流激振，進一步研究閥蝶結構可以推斷一抽閥蝶關小到33%左右時，一抽閥座殼體振動烈度與調節(jié)閥結構閥蝶受力面積、調節(jié)閥開度、蒸汽流量、壓力、流速有關。當一抽調節(jié)閥開度減小，蒸汽流速增加，一抽閥蝶內形成高速流場流動，汽流在閥蝶端部出現分離，有部分非對稱蒸汽流連續(xù)不斷沖擊閥蝶內部腔室。蒸汽汽流發(fā)生碰撞引發(fā)了汽流對閥蝶的橫向、垂直強烈振動，閥蝶內腔存在多個汽流漩渦形成汽流對撞，造成汽流壓力的波動對閥蝶引發(fā)汽流激振。同時汽流渦動對閥蝶形成轉動，閥桿轉動摩擦說明了閥桿與閥蝶出現了相對低速旋轉。要想改變閥蝶汽流激振數值大小，使閥蝶受蒸汽汽流激振數值減小，最有效的辦法是改變閥蝶閥座結構，為此對一抽調節(jié)汽閥結構進行分析和探討。

　　抽調節(jié)汽閥受到汽流激振主要原因是：一抽閥蝶開度33%左右時，汽流流道口變小受蒸汽汽流渦動而產生強烈汽流激振。要改變一抽調節(jié)閥閥蝶小開度時一抽調節(jié)閥蝶受到汽流渦動產生汽流激振問題，需要改進一抽閥蝶閥座結構，改進閥蝶結構使蒸汽汽流沖擊面積大為減少，同時增加蒸汽汽流分流導向等措施，從根本上解決一抽抽汽閥蝶汽流激振問題，保證汽輪機投入一抽后汽輪發(fā)電機組能正常運行。

5 、抽調節(jié)閥閥蝶閥座結構改進

　　原抽調節(jié)閥閥蝶直徑Φ250mm，一抽蒸汽汽流渦動向上方向直接作用Φ250mm直徑整個面積。考慮一抽調節(jié)閥屬蒸汽大流量特點，參考有關一抽調節(jié)閥結構，對一抽調節(jié)閥閥蝶閥座結構進行設計改進，一抽調節(jié)閥改為鐘罩閥結構(見圖3)。

圖3 抽汽調節(jié)閥(鐘罩閥)結構

　　改進后的一抽調節(jié)閥(鐘罩閥)結構特點：鐘罩閥的閥蝶類似一個鐘罩，閥座結構增加蒸汽導流錐，閥座上用3根筋板支撐上部的導流錐，以減少蒸汽汽流渦動沖擊力，閥蝶從上朝下罩在閥座上，閥蝶下端與閥座上端部形成漸縮形線和閥座通道固定噴管喉部口位置，閥罩(閥蝶)上下運動改變蒸汽通流口徑大小，實現一抽抽汽壓力流量有效調節(jié)，有效控制一抽壓力流量參數變化。采用鐘罩閥結構，閥罩(閥蝶)罩在閥座上，蒸汽汽流渦動作用在閥罩(閥蝶)面積大大減少，只有閥座外圓一圈的閥罩有效面積，因此從設計理念上大大減少了作用在閥蝶汽流渦動面積。鐘罩閥內閥座其中一根筋板正對準進汽口，起到蒸汽汽流分流穩(wěn)流作用。采用新的一抽鐘罩閥結構，二抽投入-抽調節(jié)閥開度為33%左右時，一抽調節(jié)閥閥座殼體垂直振動烈度數值大大減少，滿足汽輪發(fā)電機組運行要求，經過汽輪發(fā)電機組長期運行后證明：改進后的一抽抽汽調節(jié)鐘罩閥結構合理、安全，調節(jié)平穩(wěn)可靠。在改進一抽調節(jié)閥結構過程中，得到用戶的理解和大力幫助，最終一抽調節(jié)閥汽流激振問題實現了圓滿解決。為解決類似一抽抽汽調閥汽流激振問題為有關人員提供參考。

6、結束語

　　雙抽汽輪發(fā)電機機組，一抽管道內存在大量積水，進入管道蒸汽與積水冷熱交換汽流急劇膨脹形成汽流漩渦，一抽抽汽調節(jié)閥汽流劇烈激振，造成一抽調節(jié)閥閥桿關節(jié)軸承拉長損壞。一抽閥蝶受力面積太大，蒸汽汽流導向流速不穩(wěn)，一抽調節(jié)閥開度為33%左右時，一抽抽汽調閥閥座振動烈度數值嚴重超標，通過對大流量一抽結構分析比較研究，最終采用了新的一抽抽汽鐘罩閥結構，大大減少一抽閥罩(閥蝶)受力面積，蒸汽汽流導向結構合理，使得一抽抽汽調節(jié)閥閥座垂直振動烈度數值大為減少，達到小于7.1mm/s設計技術要求，保證一抽抽汽調節(jié)閥平穩(wěn)調節(jié)、汽輪發(fā)電機組長期正常、可靠、安全運行。