摘要：高压进汽阀作为汽轮机系统最为重要的阀门，控制着主蒸汽进入汽轮机的流量，是调节汽轮机转速以及机组运行功率的关键设备，也是机组能否安全经济地运行于各种工况，满足供电质与量要求的关键。由于阀门所处的环境恶劣，对其可靠性要求非常高，因此在调试中对其动作功能的验证显得尤为重要。本文主要介绍了高压进汽阀的功能及工作原理、调试项目、调试过程中碰到的问题并提出解决方案和改进建议。
关键词：油动机；主汽阀；调节阀；传感器；快关试验
1前言
汽轮机进汽阀在汽轮机的运行控制过程中占有重要地位，阀门的寿命设计对机组启停和变负荷的灵活运行有着至关重要的影响。机组的启停会导致阀门承受较大的热应力，而据统计热应力低周疲劳是导致阀门阀壳失效的主要因素。随着印度等国外电力市场对高参数、大容量机组需求的不断上升，针对新设计的高参数阀门进行热应力分析和优化，对于提升自主设计能力意义重大。本文对660MW超临界汽轮机机组的高压主调阀进行非稳态温度场、应力场的计算，分析启动过程中进汽结构热应力的大小和集中区域，提出相应的优化方案，从而为机组的安全运行及温度控制提供参考依据。
2计算模型的建立
为进行热应力分析，需模拟计算汽轮机各启动工况。对此，前提是建立合理的计算模型。660MW超临界汽轮机机组的高压进汽阀门主要由主阀进汽管道、主阀壳体、调阀壳体以及阀座等结构组成。由于阀门模型关于中心面完全对称，因此在实际分析计算时，取其1/2作为分析对象。
3边界条件的确定
为了较好地模拟机组在启动过程中阀门的温度和应力分布，需要准确给出机组在启动、稳定运行等各阶段的边界条件，使计算尽可能地模拟与实际启动过程相同的物理环境。依据金属温度和主蒸汽饱和温度的关系，可以将整个冷态启动换热过程分为凝结换热阶段和对流换热阶段。凝结换热阶段：启动初始阶段阀体温度较低，主蒸汽进入阀体后在金属表面凝结，直到过热蒸汽传给凝结水膜的热流超过凝结水膜传给金属的热流为止。此时金属内壁温度加热到对应压力下的蒸汽饱和温度。这一阶段的主要特点是换热系数非常大，量级可达104W/（m2•K）。对流换热阶段：阀门的对流换热包括弱对流换热阶段和强对流换热阶段。
当凝结换热结束时，阀门部分开启，蒸汽流量较小，对流换热强度还未达到稳定运行时的强度。蒸汽与金属间的换热进入弱对流换热阶段。随着汽轮机转速的提升和机组负荷的升高，主蒸汽参数逐步上升，流经阀门的蒸汽流量逐渐加大，对流换热随之加强，开始进入强对流换热阶段。温度场计算的边界条件分为三类，即给定温度、给定热流密度和对流边界。本文选用第三类边界条件，包括加载温度和对流换热系数两部分。
3.1加载温度
首先以某电厂660MW超临界机组的实际启动过程为加载条件，如图1所示。阀门各表面的加载温度不仅与该表面所接触的环境介质的温度有关，还和换热阶段有关。对于外表面，加载温度即为室内空气温度；对于内表面，环境介质为蒸汽，若当前处于凝结换热阶段，则加载温度为蒸汽压力下的饱和温度，若处于强制对流阶段，则加载温度为当前蒸汽温度。
图1实际启动曲线
其中主阀加载曲线在B时刻有一个阶跃，表示主阀内表面凝结换热结束，进入对流换热阶段，加载温度由饱和蒸汽温度变为主蒸汽温度，二者的差值为主蒸汽的过热度。而此时调阀加载温度曲线出现了第一个阶跃，表示主阀打开，调阀内表面由绝热状态进入凝结换热阶段，阶跃幅值为阀门的初始温度上升到主蒸汽压力下的饱和温度；调阀加载温度曲线上紧随其后的第二个阶跃表示调阀凝结放热阶段结束，由凝结换热变为对流换热，加载温度也由主蒸汽压力下的饱和温度变为主蒸汽温度，阶跃幅值为主蒸汽过热度。
3.2换热系数
作为第三类热边界条件的重要组成部分，换热系数描述了固体壁面和流体之间热量交换的规律，不同的换热系数表示不同的换热强度。要准确地模拟实际阀体在启动过程中的温度应力分布，就必须得到整个启动过程各时刻的换热系数。对流换热系数的大小和换热介质的物性参数、流速密切相关。目前用来确定换热系数的相关理论计算方法都存在一定的局限性，因此，从工程应用的角度上看，本文更适合采用逐步逼近法来得到换热系数。
4功能及工作原理
高压进汽阀通过对蒸汽流量的控制，使汽轮机调节系统实现转速控制、负荷/流量控制、压力控制和汽水分离再热器第二级压力控制，并对机组的负荷和转速实施超速限制、超加速限制、负荷速降限制和蒸汽流量限制。高压进汽阀都采用蝶阀原理，蝶阀销轴通过联轴器与油动机相连。主汽阀油动机的活塞杆运动由快关装置（FCD）控制，阀门的开关状态由3个位移传感器来测量。调节阀的开度根据汽轮机调节控制器（P320）控制电液放大器（EHA），EHA驱动油动机来控制，阀门的开度也是由3个位移传感器来测量。
主汽阀的FCD通过一个安全卸荷阀来控制进入主汽阀油动机活塞下的安全油，当安全油达到一定压力时，安全卸荷阀关闭活塞下排油，安全油进入油动机从而开启主汽阀。当安全油压力下降，安全卸荷阀打开活塞下排油，同时复位弹簧使主汽阀关闭。安全卸荷阀的开关靠节流孔b所产生的压差控制，节流孔b能够调整主汽阀关闭的时间（全开到全关0.5s），节流孔d能够调整主汽阀开启的时间（全关到全开60s），试验电磁阀能够在线进行主汽阀关闭试验。
调节阀的EHA与控制油的回油和压力油回油、安全油回油及单作用油缸的工作腔和非工作腔相连。比例方向阀控制进入单作用油缸工作腔的控制油量；试验电磁阀用于调节阀的在线关闭试验，调节阀的全程开启时间为2s，关闭时间也是0.5s。
高压遮断模块由汽机调节油系统（GFR）压力油路供油，与主汽阀油动机的FCD和调节阀油动机的EHA相连接。GFR压力油经过高压遮断模块内部三个并行的、冗余的支路排油。汽轮机保护控制器通过不同的通道与每一个安全电磁阀相连接，因此，只要汽轮机保护控制器的任意两个通道打开，就能够泄掉安全油，这就提供了三取二的冗余配置。机组跳闸时，所有主汽阀和调节阀同时快关，切断机组进汽。阀门快关是通过高压遮断模块切断安全油，打开压力油排油，释放复位弹簧，快速关闭所有主汽阀和调节阀。
5高中压调节阀油动机试验
试验内容包括:比例方向阀死区设定;行程传感器LVDT校验;静态曲线;比例方向阀信号丢失试验;J决开试验;通过比例方向阀指令置零快关试验;通过试验电磁阀快关试验;阶跃响应特性试验。
(1)比例方向阀死区设定死区调节的目的是通过调整伺服板的参数来补偿比例阀的死区。接入万用表，测量伺服板的接地点和调节指令信号点电压(即MP1电压值);将转换开关置于TESTVALVE位，缓慢地向一个方向旋动电位器，使MP1电压约为一100mV;缓慢旋转电位器A鸡(8)，直到油动机活塞杆开始动作(即MP}l电压值出现跳变时)为}卜。在调试中对初始运动点反复确认3次，测量并记录MP1电压值，即该方向死区电压值。
(2)油动机行程传感器LVDT校验将万用表接入测试孔DISPLACEMENT;转换开关置于“TESTVALVE”位，使用电位器，对阀门进行全开和全关动作。使用LVDT校验工具，调整LVDT，使其
在阀门全开位反馈电流为20士0.02mA，在阀门全关位反馈电流为A士0.02mA。校验时应先校验全开位，后校验全关位。
(3)油动机静态曲线将转换开关置于“TESTVALVE”位，使用电位器，缓慢地打开或关闭阀门。连续测量阀门“全关~慢开~全开~慢关~全关”行程，得到油动机行程曲线及活塞工作腔室油压曲线，通过测量设备内部数据处理，得到油动机行程与活塞工作腔室的油压关系曲线。
6结束语
在高参数出口机组的主蒸汽进汽阀设计过程中，基于对阀壳热应力全面分析的结论，通过对应力较大区域进行适当的几何尺寸优化，能够避免出现应力过分集中的现象；通过建立温度控制准则，可以指导机组运行过程中合理分配启动时间，有效管理进汽阀的运行寿命。
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论文作者:杜英杰
论文发表刊物:《电力设备》2018年第23期
论文发表时间:2018/12/27
标签：换热论文; 汽轮机论文; 蒸汽论文; 温度论文; 阀门论文; 机组论文; 动机论文; 《电力设备》2018年第23期论文;