抽汽調(diào)節(jié)閥汽流激振原因分析及對策

　　高溫高壓汽輪發(fā)電機(jī)組，由于一抽抽汽疏水管大量積水，當(dāng)一抽調(diào)節(jié)閥開度為33%時(shí)，一抽抽汽壓力到達(dá)42.5MPa投入管網(wǎng)，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(dòng)，閥蝶受蒸汽汽流渦動(dòng)產(chǎn)生劇烈激振，一抽調(diào)節(jié)閥閥桿連接的2個(gè)關(guān)節(jié)軸承拉長損壞。

　　高溫高壓汽輪發(fā)電機(jī)組，由于一抽抽汽疏水管大量積水，當(dāng)一抽調(diào)節(jié)閥開度為33%時(shí)，一抽抽汽壓力到達(dá)42.5MPa投入管網(wǎng)，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(dòng)，閥蝶受蒸汽汽流渦動(dòng)產(chǎn)生劇烈激振，一抽調(diào)節(jié)閥閥桿連接的2個(gè)關(guān)節(jié)軸承拉長損壞。增加一個(gè)一抽疏水口管道，一抽抽汽投入后沒有出現(xiàn)一抽調(diào)閥劇烈波動(dòng)，但是一抽調(diào)閥閥座垂直振動(dòng)烈度數(shù)值嚴(yán)重超標(biāo)。通過頻譜分析得出：一抽調(diào)節(jié)閥閥座垂直測點(diǎn)振動(dòng)烈度主要有73Hz頻率分量，當(dāng)一抽閥蝶關(guān)小時(shí)，一抽閥蝶受到蒸汽汽流渦動(dòng)沖擊，蒸汽對閥蝶產(chǎn)生強(qiáng)烈汽流激振。針對以上情況，對大流量一抽調(diào)節(jié)閥座結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行比較分析探討，最后采用一抽鐘罩閥結(jié)構(gòu)形式，一抽調(diào)節(jié)閥汽流激振問題得到了圓滿解決。

1、投一抽抽汽時(shí)發(fā)生汽流劇烈波動(dòng)

　　雙抽冷凝高溫高壓汽輪發(fā)電機(jī)組，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，額定功率500O0kW，進(jìn)汽壓力10.02MPa，進(jìn)汽溫度530°C。當(dāng)功率為35000kw時(shí)，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(guān)閥開度50%，抽汽隔離閥開度為100%，待一抽抽汽壓力為管網(wǎng)壓力相等或略高管網(wǎng)壓力，一抽抽汽投入管網(wǎng)時(shí)，抽汽速關(guān)閥逐步開大，同時(shí)調(diào)整汽輪機(jī)主調(diào)門，調(diào)整一抽抽汽調(diào)節(jié)閥，保持一抽抽汽管網(wǎng)壓力穩(wěn)定、抽汽量平穩(wěn)調(diào)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(diào)節(jié)。而實(shí)際情況是：當(dāng)一抽抽汽調(diào)節(jié)閥關(guān)小至33%左右時(shí)，一抽抽汽壓力已經(jīng)達(dá)管網(wǎng)壓力4.25MPa左右，抽汽管道逆止門來回波動(dòng)，同時(shí)抽汽量也在O-8t/h范圍內(nèi)波動(dòng)，一抽閥蝶與閥座蒸汽通流口形成汽流渦動(dòng)，一抽抽汽口汽流劇烈波動(dòng)，引起汽流強(qiáng)烈激振，蒸汽汽流振動(dòng)頻率相當(dāng)高，導(dǎo)致了右側(cè)一抽抽汽調(diào)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(cè)一抽調(diào)節(jié)閥彈簧座螺桿上面的雙螺母在幾秒鐘內(nèi)旋轉(zhuǎn)向上退出，螺母退出的位移大約60mm。為了防止一抽抽汽調(diào)節(jié)閥的彈簧座螺母振松向上旋轉(zhuǎn)問題，要求用戶立即停機(jī)，一抽調(diào)節(jié)閥汽流劇烈振動(dòng)持續(xù)2min左右，一抽抽汽退出汽輪機(jī)立即停機(jī)。此時(shí)調(diào)節(jié)閥殼垂直瞬間振動(dòng)烈度數(shù)值一時(shí)無法測到，可以肯定一抽調(diào)節(jié)閥蝶閥座發(fā)生了劇烈汽流激振，振動(dòng)烈度數(shù)值非常大，據(jù)查在此以前功率3500kw左右，二抽抽汽投入后，當(dāng)一抽抽汽投入時(shí)，也發(fā)生了一抽抽汽調(diào)節(jié)閥閥座彈簧壓緊螺桿仁的雙螺母振松瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)退出現(xiàn)象。在汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中，把螺桿上的螺栓擰緊2次。抽汽調(diào)節(jié)閥閥桿上連接的萬向關(guān)節(jié)軸承己經(jīng)超過承受拉力極限，關(guān)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(diào)節(jié)閥汽流激振現(xiàn)象進(jìn)行深入分析，其判斷蒸汽汽流對一抽抽汽調(diào)節(jié)閥閥蝶沖擊力的大小(見圖2)。

圖1 抽汽調(diào)閥連接關(guān)節(jié)軸承

圖2 一抽調(diào)閥開度33%時(shí)調(diào)閥大幅度上下擺動(dòng)

2 、抽調(diào)節(jié)閥閥桿關(guān)節(jié)軸承損壞原因分析

　　為了找到投一抽抽汽調(diào)閥開度為33%時(shí)，一抽抽汽調(diào)節(jié)閥閥座彈簧壓緊螺桿上的雙螺母振松瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)退出原因，查閱了一抽調(diào)閥閥蝶開度記錄曲線，一抽調(diào)閥閥桿行程(油動(dòng)機(jī))上下來回劇烈波動(dòng)，復(fù)算一抽閥桿頂部連接的萬向關(guān)節(jié)軸承受拉力極限數(shù)值，只有一抽調(diào)閥口蒸汽汽流渦動(dòng)劇烈沖擊閥蝶上下來回劇烈波動(dòng)時(shí)，一抽調(diào)節(jié)閥閥桿上下高頻劇烈抖動(dòng)，才能使閥桿連接的2個(gè)關(guān)節(jié)軸承瞬間拉長2mm左右。有一個(gè)現(xiàn)象引起現(xiàn)場有關(guān)人員的關(guān)注，一抽調(diào)閥閥桿劇烈抖動(dòng)，2個(gè)關(guān)節(jié)軸承拉長損壞時(shí)，發(fā)現(xiàn)一抽管道上的一抽速關(guān)閥閥桿大量漏汽并冒大量蒸汽，一抽管道逆止門來回波動(dòng)，此時(shí)為什么會(huì)出現(xiàn)一抽速關(guān)閥閥桿大量漏汽?仔細(xì)檢查一抽抽汽管道最底部疏水口，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)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(xiàn)一抽蒸汽管道內(nèi)有大量積水。初步判斷：投一抽抽汽時(shí)汽輪機(jī)一抽抽汽口蒸汽進(jìn)入一抽管道內(nèi)，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(shí)有抖動(dòng)現(xiàn)象，一抽閥座與閥蝶流道口產(chǎn)生劇烈汽流渦動(dòng)，閥蝶與閥桿上下激烈沖擊波動(dòng)，一抽管道逆止門來回波動(dòng)，最終導(dǎo)致一抽調(diào)節(jié)閥閥桿上連接的2個(gè)關(guān)節(jié)軸承拉長損壞(見圖1)。說明：由于沒有安裝殼體振動(dòng)速度傳感器，此時(shí)沒法測量一抽調(diào)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(gè)法蘭Φ56mm疏水管道口。重新啟動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組前，確認(rèn)一抽管道內(nèi)沒有積水存在時(shí)才能投一抽抽汽。當(dāng)一抽抽汽調(diào)節(jié)閥開度為33%左右時(shí)，一抽抽汽壓力為4.2MPa，調(diào)節(jié)閥閥座上彈簧連接M24螺母沒有向上旋轉(zhuǎn)松脫，關(guān)節(jié)軸承也沒有出現(xiàn)拉長損壞現(xiàn)象，但是一抽調(diào)節(jié)汽閥閥座垂直振動(dòng)烈度數(shù)值嚴(yán)重超標(biāo)。為此對一抽二抽調(diào)節(jié)閥閥座殼體垂直方向進(jìn)行振動(dòng)烈度頻譜測試分析。

3、抽汽調(diào)節(jié)閥殼體垂直振動(dòng)烈度頻譜分析

　　汽輪發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行后，汽輪機(jī)二抽投入，一抽也投入運(yùn)行后，對一抽二抽汽調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了振動(dòng)烈度測試，測得一抽2個(gè)抽汽調(diào)節(jié)閥閥殼垂直振動(dòng)烈度數(shù)值分別為左側(cè)22.5mm/s，右側(cè)25.8mm/s。二抽抽汽節(jié)調(diào)閥殼垂直方向分別為左8.1mm/s，右7.8mm/s(軸承座殼體振動(dòng)烈度標(biāo)準(zhǔn)是≤7.1mm/s)。

　　抽汽調(diào)節(jié)閥殼體垂直振動(dòng)烈度數(shù)據(jù)表(見表1)。

表1 抽汽調(diào)節(jié)閥殼體垂直振動(dòng)烈度數(shù)據(jù)

　　抽調(diào)節(jié)閥殼體垂直振動(dòng)烈度數(shù)值嚴(yán)重超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，汽輪發(fā)電機(jī)組長期運(yùn)行，對一抽調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)損壞是有直接影響的。從一抽抽汽閥座殼體垂直方向振動(dòng)頻譜來看：是73Hz頻率為主頻振動(dòng)烈度峰值分別為15mm/s(左側(cè))和17mm/s(右側(cè))，附近存在較大寬頻蒸汽汽流振動(dòng)噪聲分量，是蒸汽汽流對閥蝶流道口沖擊產(chǎn)生較大汽流激振。蒸汽汽流對閥蝶有橫向沖擊，同時(shí)汽流對閥蝶上下垂直方向也有直接沖擊。一抽閥蝶周圍內(nèi)部有空腔，閥碟周圍蒸汽汽流會(huì)流入空腔內(nèi)對閥碟造成渦旋汽流沖擊。蒸汽流入空腔還伴有汽流渦動(dòng)現(xiàn)象。為此對一抽抽調(diào)節(jié)閥汽流激振進(jìn)行分析探討。

4 、抽調(diào)節(jié)閥汽流激振分析探討

　　抽閥座液氮冷凍套裝在汽輪機(jī)本體上，一抽閥蝶開度大小改變了一抽蒸汽壓力，當(dāng)然與汽輪機(jī)主汽門調(diào)節(jié)閥蒸汽進(jìn)汽流量、一抽蒸汽壓力、一抽抽汽量有關(guān)，一抽調(diào)節(jié)閥開度隨功率流量曲線網(wǎng)圖坐標(biāo)位置工況點(diǎn)變化而改變。汽輪機(jī)設(shè)計(jì)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(diào)節(jié)閥開度為100%時(shí)，蒸汽汽流激振力對一抽調(diào)節(jié)閥閥座影響相對小一些，一抽調(diào)節(jié)閥座殼體垂直振動(dòng)烈度為11mm/s。當(dāng)一抽調(diào)節(jié)閥開度為33%時(shí)，一抽蒸汽壓力為4.25MPa，一抽調(diào)節(jié)閥閥座殼體振動(dòng)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(dòng)烈度數(shù)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(chǎn)生劇烈汽流激振，進(jìn)一步研究閥蝶結(jié)構(gòu)可以推斷一抽閥蝶關(guān)小到33%左右時(shí)，一抽閥座殼體振動(dòng)烈度與調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)閥蝶受力面積、調(diào)節(jié)閥開度、蒸汽流量、壓力、流速有關(guān)。當(dāng)一抽調(diào)節(jié)閥開度減小，蒸汽流速增加，一抽閥蝶內(nèi)形成高速流場流動(dòng)，汽流在閥蝶端部出現(xiàn)分離，有部分非對稱蒸汽流連續(xù)不斷沖擊閥蝶內(nèi)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(qiáng)烈振動(dòng)，閥蝶內(nèi)腔存在多個(gè)汽流漩渦形成汽流對撞，造成汽流壓力的波動(dòng)對閥蝶引發(fā)汽流激振。同時(shí)汽流渦動(dòng)對閥蝶形成轉(zhuǎn)動(dòng)，閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦說明了閥桿與閥蝶出現(xiàn)了相對低速旋轉(zhuǎn)。要想改變閥蝶汽流激振數(shù)值大小，使閥蝶受蒸汽汽流激振數(shù)值減小，最有效的辦法是改變閥蝶閥座結(jié)構(gòu)，為此對一抽調(diào)節(jié)汽閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和探討。

　　抽調(diào)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(shí)，汽流流道口變小受蒸汽汽流渦動(dòng)而產(chǎn)生強(qiáng)烈汽流激振。要改變一抽調(diào)節(jié)閥閥蝶小開度時(shí)一抽調(diào)節(jié)閥蝶受到汽流渦動(dòng)產(chǎn)生汽流激振問題，需要改進(jìn)一抽閥蝶閥座結(jié)構(gòu)，改進(jìn)閥蝶結(jié)構(gòu)使蒸汽汽流沖擊面積大為減少，同時(shí)增加蒸汽汽流分流導(dǎo)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(jī)投入一抽后汽輪發(fā)電機(jī)組能正常運(yùn)行。

5 、抽調(diào)節(jié)閥閥蝶閥座結(jié)構(gòu)改進(jìn)

　　原抽調(diào)節(jié)閥閥蝶直徑Φ250mm，一抽蒸汽汽流渦動(dòng)向上方向直接作用Φ250mm直徑整個(gè)面積�？紤]一抽調(diào)節(jié)閥屬蒸汽大流量特點(diǎn)，參考有關(guān)一抽調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)，對一抽調(diào)節(jié)閥閥蝶閥座結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，一抽調(diào)節(jié)閥改為鐘罩閥結(jié)構(gòu)(見圖3)。

圖3 抽汽調(diào)節(jié)閥(鐘罩閥)結(jié)構(gòu)

　　改進(jìn)后的一抽調(diào)節(jié)閥(鐘罩閥)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：鐘罩閥的閥蝶類似一個(gè)鐘罩，閥座結(jié)構(gòu)增加蒸汽導(dǎo)流錐，閥座上用3根筋板支撐上部的導(dǎo)流錐，以減少蒸汽汽流渦動(dòng)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(yùn)動(dòng)改變蒸汽通流口徑大小，實(shí)現(xiàn)一抽抽汽壓力流量有效調(diào)節(jié)，有效控制一抽壓力流量參數(shù)變化。采用鐘罩閥結(jié)構(gòu)，閥罩(閥蝶)罩在閥座上，蒸汽汽流渦動(dòng)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(shè)計(jì)理念上大大減少了作用在閥蝶汽流渦動(dòng)面積。鐘罩閥內(nèi)閥座其中一根筋板正對準(zhǔn)進(jìn)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(jié)構(gòu)，二抽投入-抽調(diào)節(jié)閥開度為33%左右時(shí)，一抽調(diào)節(jié)閥閥座殼體垂直振動(dòng)烈度數(shù)值大大減少，滿足汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行要求，經(jīng)過汽輪發(fā)電機(jī)組長期運(yùn)行后證明：改進(jìn)后的一抽抽汽調(diào)節(jié)鐘罩閥結(jié)構(gòu)合理、安全，調(diào)節(jié)平穩(wěn)可靠。在改進(jìn)一抽調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)過程中，得到用戶的理解和大力幫助，最終一抽調(diào)節(jié)閥汽流激振問題實(shí)現(xiàn)了圓滿解決。為解決類似一抽抽汽調(diào)閥汽流激振問題為有關(guān)人員提供參考。

6、結(jié)束語

　　雙抽汽輪發(fā)電機(jī)機(jī)組，一抽管道內(nèi)存在大量積水，進(jìn)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(diào)節(jié)閥汽流劇烈激振，造成一抽調(diào)節(jié)閥閥桿關(guān)節(jié)軸承拉長損壞。一抽閥蝶受力面積太大，蒸汽汽流導(dǎo)向流速不穩(wěn)，一抽調(diào)節(jié)閥開度為33%左右時(shí)，一抽抽汽調(diào)閥閥座振動(dòng)烈度數(shù)值嚴(yán)重超標(biāo)，通過對大流量一抽結(jié)構(gòu)分析比較研究，最終采用了新的一抽抽汽鐘罩閥結(jié)構(gòu)，大大減少一抽閥罩(閥蝶)受力面積，蒸汽汽流導(dǎo)向結(jié)構(gòu)合理，使得一抽抽汽調(diào)節(jié)閥閥座垂直振動(dòng)烈度數(shù)值大為減少，達(dá)到小于7.1mm/s設(shè)計(jì)技術(shù)要求，保證一抽抽汽調(diào)節(jié)閥平穩(wěn)調(diào)節(jié)、汽輪發(fā)電機(jī)組長期正常、可靠、安全運(yùn)行。