抽汽调节阀汽流激振原因分析及对策

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)杭州汽轮机股份有限公司 作者:朱敏华

  高温高压汽轮发电机组,由于一抽抽汽疏水管大量积水,当一抽调节阀开度为33%时,一抽抽汽压力到达42.5MPa投入管网,蒸汽与一抽管道积水冷热交换,一抽管道部分积水蒸发急剧膨胀,快速形成冷热交换蒸汽汽流漩涡,一抽管道逆止门来回波动,阀蝶受蒸汽汽流涡动产生剧烈激振,一抽调节阀阀杆连接的2个关节轴承拉长损坏。

  高温高压汽轮发电机组,由于一抽抽汽疏水管大量积水,当一抽调节阀开度为33%时,一抽抽汽压力到达42.5MPa投入管网,蒸汽与一抽管道积水冷热交换,一抽管道部分积水蒸发急剧膨胀,快速形成冷热交换蒸汽汽流漩涡,一抽管道逆止门来回波动,阀蝶受蒸汽汽流涡动产生剧烈激振,一抽调节阀阀杆连接的2个关节轴承拉长损坏。增加一个一抽疏水口管道,一抽抽汽投入后没有出现一抽调阀剧烈波动,但是一抽调阀阀座垂直振动烈度数值严重超标。通过频谱分析得出:一抽调节阀阀座垂直测点振动烈度主要有73Hz频率分量,当一抽阀蝶关小时,一抽阀蝶受到蒸汽汽流涡动冲击,蒸汽对阀蝶产生强烈汽流激振。针对以上情况,对大流量一抽调节阀座结构形式进行比较分析探讨,最后采用一抽钟罩阀结构形式,一抽调节阀汽流激振问题得到了圆满解决。

1、投一抽抽汽时发生汽流剧烈波动

  双抽冷凝高温高压汽轮发电机组,额定转速3000r/min,额定功率500O0kW,进汽压力10.02MPa,进汽温度530°C。当功率为35000kw时,二抽抽汽已投入,抽汽量为115t/h左右。投一抽抽汽方式:抽汽速关阀开度50%,抽汽隔离阀开度为100%,待一抽抽汽压力为管网压力相等或略高管网压力,一抽抽汽投入管网时,抽汽速关阀逐步开大,同时调整汽轮机主调门,调整一抽抽汽调节阀,保持一抽抽汽管网压力稳定、抽汽量平稳调节。总之,投一抽抽汽要求压力流量平稳过渡,逐步微量稳定调节。而实际情况是:当一抽抽汽调节阀关小至33%左右时,一抽抽汽压力已经达管网压力4.25MPa左右,抽汽管道逆止门来回波动,同时抽汽量也在O-8t/h范围内波动,一抽阀蝶与阀座蒸汽通流口形成汽流涡动,一抽抽汽口汽流剧烈波动,引起汽流强烈激振,蒸汽汽流振动频率相当高,导致了右侧一抽抽汽调节阀弹簧座螺杆上面拧紧的双螺母从长螺杆上迅速向上旋出,连续二次把右侧一抽调节阀弹簧座螺杆上面的双螺母在几秒钟内旋转向上退出,螺母退出的位移大约60mm。为了防止一抽抽汽调节阀的弹簧座螺母振松向上旋转问题,要求用户立即停机,一抽调节阀汽流剧烈振动持续2min左右,一抽抽汽退出汽轮机立即停机。此时调节阀壳垂直瞬间振动烈度数值一时无法测到,可以肯定一抽调节阀蝶阀座发生了剧烈汽流激振,振动烈度数值非常大,据查在此以前功率3500kw左右,二抽抽汽投入后,当一抽抽汽投入时,也发生了一抽抽汽调节阀阀座弹簧压紧螺杆仁的双螺母振松瞬时旋转退出现象。在汽轮发电机组运行中,把螺杆上的螺栓拧紧2次。抽汽调节阀阀杆上连接的万向关节轴承己经超过承受拉力极限,关节轴承拉长2mm左右变成椭圆形(见图1)。为此对一抽抽汽调节阀汽流激振现象进行深入分析,其判断蒸汽汽流对一抽抽汽调节阀阀蝶冲击力的大小(见图2)。

抽汽调阀连接关节轴承

图1 抽汽调阀连接关节轴承

一抽调阀开度33%时调阀大幅度上下摆动

图2 一抽调阀开度33%时调阀大幅度上下摆动

2 、抽调节阀阀杆关节轴承损坏原因分析

  为了找到投一抽抽汽调阀开度为33%时,一抽抽汽调节阀阀座弹簧压紧螺杆上的双螺母振松瞬时旋转退出原因,查阅了一抽调阀阀蝶开度记录曲线,一抽调阀阀杆行程(油动机)上下来回剧烈波动,复算一抽阀杆顶部连接的万向关节轴承受拉力极限数值,只有一抽调阀口蒸汽汽流涡动剧烈冲击阀蝶上下来回剧烈波动时,一抽调节阀阀杆上下高频剧烈抖动,才能使阀杆连接的2个关节轴承瞬间拉长2mm左右。有一个现象引起现场有关人员的关注,一抽调阀阀杆剧烈抖动,2个关节轴承拉长损坏时,发现一抽管道上的一抽速关阀阀杆大量漏汽并冒大量蒸汽,一抽管道逆止门来回波动,此时为什么会出现一抽速关阀阀杆大量漏汽?仔细检查一抽抽汽管道最底部疏水口,发现设计制作只有Φ32m外径管道疏水口,打开一抽管线疏水阀门,发现一抽蒸汽管道内有大量积水。初步判断:投一抽抽汽时汽轮机一抽抽汽口蒸汽进入一抽管道内,蒸汽与一抽管道积水冷热交换,一抽管道部分积水蒸发急剧膨胀,快速形成冷热交换蒸汽汽流漩涡,一抽管道形成水冲击同时有抖动现象,一抽阀座与阀蝶流道口产生剧烈汽流涡动,阀蝶与阀杆上下激烈冲击波动,一抽管道逆止门来回波动,最终导致一抽调节阀阀杆上连接的2个关节轴承拉长损坏(见图1)。说明:由于没有安装壳体振动速度传感器,此时没法测量一抽调节阀阀座上汽流激振频率。为了解决以上问题,在一抽管道最低部位增加一个法兰Φ56mm疏水管道口。重新启动汽轮发电机组前,确认一抽管道内没有积水存在时才能投一抽抽汽。当一抽抽汽调节阀开度为33%左右时,一抽抽汽压力为4.2MPa,调节阀阀座上弹簧连接M24螺母没有向上旋转松脱,关节轴承也没有出现拉长损坏现象,但是一抽调节汽阀阀座垂直振动烈度数值严重超标。为此对一抽二抽调节阀阀座壳体垂直方向进行振动烈度频谱测试分析。

3、抽汽调节阀壳体垂直振动烈度频谱分析

  汽轮发电机组正常运行后,汽轮机二抽投入,一抽也投入运行后,对一抽二抽汽调节阀进行了振动烈度测试,测得一抽2个抽汽调节阀阀壳垂直振动烈度数值分别为左侧22.5mm/s,右侧25.8mm/s。二抽抽汽节调阀壳垂直方向分别为左8.1mm/s,右7.8mm/s(轴承座壳体振动烈度标准是≤7.1mm/s)。

  抽汽调节阀壳体垂直振动烈度数据表(见表1)。

表1 抽汽调节阀壳体垂直振动烈度数据

抽汽调节阀壳体垂直振动烈度数据

  抽调节阀壳体垂直振动烈度数值严重超过设计标准要求,汽轮发电机组长期运行,对一抽调节阀结构损坏是有直接影响的。从一抽抽汽阀座壳体垂直方向振动频谱来看:是73Hz频率为主频振动烈度峰值分别为15mm/s(左侧)和17mm/s(右侧),附近存在较大宽频蒸汽汽流振动噪声分量,是蒸汽汽流对阀蝶流道口冲击产生较大汽流激振。蒸汽汽流对阀蝶有横向冲击,同时汽流对阀蝶上下垂直方向也有直接冲击。一抽阀蝶周围内部有空腔,阀碟周围蒸汽汽流会流入空腔内对阀碟造成涡旋汽流冲击。蒸汽流入空腔还伴有汽流涡动现象。为此对一抽抽调节阀汽流激振进行分析探讨。

4 、抽调节阀汽流激振分析探讨

  抽阀座液氮冷冻套装在汽轮机本体上,一抽阀蝶开度大小改变了一抽蒸汽压力,当然与汽轮机主汽门调节阀蒸汽进汽流量、一抽蒸汽压力、一抽抽汽量有关,一抽调节阀开度随功率流量曲线网图坐标位置工况点变化而改变。汽轮机设计最大一抽额定抽汽量为100t/h,最大二抽抽汽量为200t/h,一抽阀座直径Φ250mm。一抽调节阀开度为100%时,蒸汽汽流激振力对一抽调节阀阀座影响相对小一些,一抽调节阀座壳体垂直振动烈度为11mm/s。当一抽调节阀开度为33%时,一抽蒸汽压力为4.25MPa,一抽调节阀阀座壳体振动烈度为25.8mm/s。阀蝶开度减小,一抽蒸汽压力上升蒸汽汽流剧烈激振,振动烈度数值明显加大。蒸汽汽流冲击在Φ250mm阀蝶面上,在通流喉部形成汽流漩涡产生剧烈汽流激振,进一步研究阀蝶结构可以推断一抽阀蝶关小到33%左右时,一抽阀座壳体振动烈度与调节阀结构阀蝶受力面积、调节阀开度、蒸汽流量、压力、流速有关。当一抽调节阀开度减小,蒸汽流速增加,一抽阀蝶内形成高速流场流动,汽流在阀蝶端部出现分离,有部分非对称蒸汽流连续不断冲击阀蝶内部腔室。蒸汽汽流发生碰撞引发了汽流对阀蝶的横向、垂直强烈振动,阀蝶内腔存在多个汽流漩涡形成汽流对撞,造成汽流压力的波动对阀蝶引发汽流激振。同时汽流涡动对阀蝶形成转动,阀杆转动摩擦说明了阀杆与阀蝶出现了相对低速旋转。要想改变阀蝶汽流激振数值大小,使阀蝶受蒸汽汽流激振数值减小,最有效的办法是改变阀蝶阀座结构,为此对一抽调节汽阀结构进行分析和探讨。

  抽调节汽阀受到汽流激振主要原因是:一抽阀蝶开度33%左右时,汽流流道口变小受蒸汽汽流涡动而产生强烈汽流激振。要改变一抽调节阀阀蝶小开度时一抽调节阀蝶受到汽流涡动产生汽流激振问题,需要改进一抽阀蝶阀座结构,改进阀蝶结构使蒸汽汽流冲击面积大为减少,同时增加蒸汽汽流分流导向等措施,从根本上解决一抽抽汽阀蝶汽流激振问题,保证汽轮机投入一抽后汽轮发电机组能正常运行。

5 、抽调节阀阀蝶阀座结构改进

  原抽调节阀阀蝶直径Φ250mm,一抽蒸汽汽流涡动向上方向直接作用Φ250mm直径整个面积。考虑一抽调节阀属蒸汽大流量特点,参考有关一抽调节阀结构,对一抽调节阀阀蝶阀座结构进行设计改进,一抽调节阀改为钟罩阀结构(见图3)。

抽汽调节阀(钟罩阀)结构

图3 抽汽调节阀(钟罩阀)结构

  改进后的一抽调节阀(钟罩阀)结构特点:钟罩阀的阀蝶类似一个钟罩,阀座结构增加蒸汽导流锥,阀座上用3根筋板支撑上部的导流锥,以减少蒸汽汽流涡动冲击力,阀蝶从上朝下罩在阀座上,阀蝶下端与阀座上端部形成渐缩形线和阀座通道固定喷管喉部口位置,阀罩(阀蝶)上下运动改变蒸汽通流口径大小,实现一抽抽汽压力流量有效调节,有效控制一抽压力流量参数变化。采用钟罩阀结构,阀罩(阀蝶)罩在阀座上,蒸汽汽流涡动作用在阀罩(阀蝶)面积大大减少,只有阀座外圆一圈的阀罩有效面积,因此从设计理念上大大减少了作用在阀蝶汽流涡动面积。钟罩阀内阀座其中一根筋板正对准进汽口,起到蒸汽汽流分流稳流作用。采用新的一抽钟罩阀结构,二抽投入-抽调节阀开度为33%左右时,一抽调节阀阀座壳体垂直振动烈度数值大大减少,满足汽轮发电机组运行要求,经过汽轮发电机组长期运行后证明:改进后的一抽抽汽调节钟罩阀结构合理、安全,调节平稳可靠。在改进一抽调节阀结构过程中,得到用户的理解和大力帮助,最终一抽调节阀汽流激振问题实现了圆满解决。为解决类似一抽抽汽调阀汽流激振问题为有关人员提供参考。

6、结束语

  双抽汽轮发电机机组,一抽管道内存在大量积水,进入管道蒸汽与积水冷热交换汽流急剧膨胀形成汽流漩涡,一抽抽汽调节阀汽流剧烈激振,造成一抽调节阀阀杆关节轴承拉长损坏。一抽阀蝶受力面积太大,蒸汽汽流导向流速不稳,一抽调节阀开度为33%左右时,一抽抽汽调阀阀座振动烈度数值严重超标,通过对大流量一抽结构分析比较研究,最终采用了新的一抽抽汽钟罩阀结构,大大减少一抽阀罩(阀蝶)受力面积,蒸汽汽流导向结构合理,使得一抽抽汽调节阀阀座垂直振动烈度数值大为减少,达到小于7.1mm/s设计技术要求,保证一抽抽汽调节阀平稳调节、汽轮发电机组长期正常、可靠、安全运行。

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