660 MW超臨界機(jī)組液壓控制閥的內(nèi)漏與熱經(jīng)濟(jì)性分析

曹 儂

(上海電氣電站集團(tuán)工程公司，上海 201199)

超臨界機(jī)組的液壓控制閥的內(nèi)漏問題嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)和安全運(yùn)行。目前，電廠運(yùn)行中液壓控制閥的內(nèi)漏原因主要?dú)w結(jié)于蒸汽對閥芯和閥座結(jié)合面的侵蝕和閥桿的緊力不足[1-5]。但仍有一些問題尚未解決，例如，在哪種工況下閥門更易受到侵蝕，哪一種閥門受到侵蝕的時(shí)間更長。另外，在處理內(nèi)漏的方案上，以往的研究提出改用預(yù)啟閥結(jié)構(gòu)的閥芯，或在閥門進(jìn)口加裝濾網(wǎng)，或改造閥芯和閥座的組合形式等[6-7]，但這些方法從經(jīng)濟(jì)和實(shí)用性上并不適用于所有的液壓控制閥。

根據(jù)6臺(tái)機(jī)組液壓控制閥的運(yùn)行實(shí)踐，本文對影響閥門內(nèi)漏的相關(guān)因素進(jìn)行比較分析，并據(jù)此給出有針對性地避免內(nèi)漏的操作建議。還對高、低壓旁路減壓閥和361閥的內(nèi)漏進(jìn)行了熱經(jīng)濟(jì)性評價(jià)，以定量計(jì)算來說明各液壓控制閥的內(nèi)漏對機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行影響。

1 液壓控制閥比較

每臺(tái)超臨界機(jī)組配置的液壓控制閥有BE125A型的361閥、HBSE280-200-2型高壓旁路減壓閥和NBSE60-600-1GZ100型低壓旁路減壓閥3種。具體布置分別見圖1和圖2。

圖2 機(jī)組高、低壓旁路系統(tǒng)圖

如圖1所示，當(dāng)分離器水質(zhì)不合格時(shí)，由361B閥控制沖洗排放至疏水?dāng)U容器最終排至廢水處理池。而當(dāng)分離器水質(zhì)合格時(shí)，用361A閥直排至凝汽器，以回收全部工質(zhì)。

圖1 鍋爐啟動(dòng)疏水閥(361閥)

如圖2所示，高壓旁路減壓閥(BP1和BP2)和低壓旁路減壓閥(LBP1和LBP2)采用兩級串聯(lián)式旁路布置。在高壓旁路減溫控制閥(BPE1和BPE2)和低壓旁路減溫控制閥(LPBE1和LPBE2)前均有4個(gè)電動(dòng)隔絕閥(BD1、BD2與LBPD1、LBPD2)。高壓旁路減溫水來自于給水泵出口，低壓旁路減溫水來自于凝結(jié)水泵出口。

1.1 設(shè)計(jì)比較

表1列舉了各閥門的設(shè)計(jì)參數(shù)和規(guī)格等。各閥的閥芯和閥座的材料都是X20CrMoV11-1馬氏體耐高溫不銹鋼。361閥內(nèi)介質(zhì)是水汽兩相流，且水占大部分。閥罩鉆孔有防氣蝕、低噪聲、減振等作用。低壓旁路減壓閥內(nèi)的閥罩孔是腰孔形，即截面兩端為半圓形(直徑為36 mm)，中間是長方形(36 mm×204 mm)。閥罩尺寸從大到小的排序是低壓旁路減壓閥、361閥和高壓旁路減壓閥。閥桿的尺寸從大到小的排序是361閥、低壓旁路減壓閥和高壓旁路減壓閥。361閥的閥芯與閥座的接合面以面密封形式結(jié)合，此結(jié)合最為嚴(yán)密。

表1 本工程用液壓控制閥的閥內(nèi)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)比較

1.2 運(yùn)行工況的比較

運(yùn)行中，各液壓控制閥的工況不同，表2列舉了各閥相關(guān)參數(shù)。運(yùn)行中汽溫汽壓從高到低的排序?yàn)楦邏号月窚p壓閥、低壓旁路減壓閥和361閥。

表2 各液壓控制閥的運(yùn)行情況

高、低旁路減壓閥在并網(wǎng)后就立即關(guān)閉，而361閥則在并網(wǎng)后帶負(fù)荷至35%左右，分離器內(nèi)無水呈干態(tài)時(shí)才會(huì)關(guān)閉。另外，高壓旁路減壓閥最小開度設(shè)定為5%。

2 液壓控制閥內(nèi)漏的分析與建議

2.1 內(nèi)漏原因分析

根據(jù)閥后在不投用減溫水時(shí)，介質(zhì)溫度是否高于設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度來判斷閥門內(nèi)漏情況，若溫度升高，則有內(nèi)漏。本工程6臺(tái)機(jī)組中，共有12個(gè)高壓旁路減壓閥和3個(gè)361閥出現(xiàn)內(nèi)漏，而低壓旁路減壓閥則未有內(nèi)漏。

a.密封面侵蝕

表1中高壓旁路減壓閥的閥籠尺寸最小，說明在閥前壓力相同的工況下，蒸汽經(jīng)閥籠后進(jìn)入閥內(nèi)的流速最高，對閥芯和閥座的侵蝕和磨損會(huì)更大。

對于超臨界機(jī)組的鍋爐，因?yàn)楦邷厥軣崦娴挠貌?，如P91, TP47H(奧氏體不銹鋼)，在高溫高壓的過熱蒸汽作用下會(huì)在受熱面的表面產(chǎn)生氧化皮[8-12]，并會(huì)隨著蒸汽攜帶而移動(dòng)，一旦經(jīng)過閥門就會(huì)對閥門的閥芯和閥座造成侵蝕。實(shí)踐表明：攜帶氧化皮顆粒的蒸汽比純蒸汽的侵蝕要嚴(yán)重得多[13]。在機(jī)組的啟/停、超溫、減溫噴水等都會(huì)因這種冷熱變化的擾動(dòng)，帶出大量的氧化皮。

由表2可知，高壓旁路減壓閥最小開度限位較小，若最小開度小于10%[14]則會(huì)增加蒸汽對閥內(nèi)的侵蝕。高壓旁路減壓閥和低壓旁路減壓閥都有受蒸汽顆粒侵蝕的危險(xiǎn)，高壓旁路減壓閥內(nèi)漏隱患最大，其次為低壓旁路減壓閥。而361閥閥前壓力雖高，但因溫度較低，介質(zhì)是水/汽兩相流，且大部分為水，所以侵蝕力最小。

b.壓緊力不足

表1中高壓旁路減壓閥的閥桿尺寸最小，所以加載強(qiáng)度最弱。在本工程某臺(tái)機(jī)組的高壓旁路減壓閥的液壓油站上進(jìn)行在線液壓加載試驗(yàn)，將壓力從16.0 MPa 依次增加0.5 MPa直到17.5 MPa,最終設(shè)置在17.0 MPa。結(jié)果表明：低負(fù)荷時(shí)閥門不漏，而高負(fù)荷至450 MW以上時(shí)，閥門出現(xiàn)內(nèi)漏。但將高壓旁路減壓閥改造成用預(yù)啟閥結(jié)構(gòu)式的閥芯后，可以有效避免閥門內(nèi)漏。

c.密封件受損

液壓控制閥都有3處密封件：閥桿與閥桿密封組件間、閥芯與籠罩密封組件間和閥芯與閥座間密封組件間。這3處的密封件如破損、不密封或移位，都會(huì)引起閥門內(nèi)漏。

原設(shè)計(jì)閥芯密封面有一凸面，對應(yīng)的閥座有一凹面，而實(shí)際接觸密封的只有一條“線”，故閥芯與閥座的密封為線密封。在某臺(tái)機(jī)組上將高壓旁路減壓閥的一側(cè)閥由原設(shè)計(jì)的線密封形式改造為閥芯的凹面對應(yīng)閥座凸面的線密封形式，而另一側(cè)僅做了常規(guī)研磨和堆焊處理。兩者對比結(jié)果是：滿負(fù)荷運(yùn)行18天后，改造過的一側(cè)閥后溫度為406 ℃，而另一側(cè)為440 ℃(都未投減溫水)。

出現(xiàn)內(nèi)漏的3個(gè)361閥都是在機(jī)組商業(yè)運(yùn)行初期發(fā)生的，且經(jīng)過常規(guī)處理后，再未有內(nèi)漏發(fā)生。說明361閥的內(nèi)漏主要是系統(tǒng)的雜質(zhì)沖刷引起的，可以通過在啟動(dòng)時(shí)大流量沖洗來避免此類情況的發(fā)生。

低壓旁路減壓閥始終未有內(nèi)漏，主要原因是它和高壓旁路減壓閥有聯(lián)動(dòng)邏輯關(guān)系且其開度較大。系統(tǒng)沖洗充分干凈。因此，低壓旁路減壓閥在機(jī)組運(yùn)行中少有發(fā)生內(nèi)漏。

2.2 運(yùn)行與維護(hù)的建議

a.運(yùn)行建議

閥門在初期投運(yùn)時(shí)，要保持大流量的沖洗以消除系統(tǒng)中的垃圾和雜質(zhì)。特別是對高壓旁路減壓閥的最小開度設(shè)定應(yīng)大于10%，而低壓旁路減壓閥在開邏輯上需保證設(shè)計(jì)要求。

機(jī)組負(fù)荷的升和降應(yīng)嚴(yán)格控制升、降溫率<2 ℃/min,嚴(yán)禁超溫或超壓運(yùn)行。

b.檢修建議

要加強(qiáng)對閥門密封件質(zhì)量的管控，特別是在維修中的處理，對工藝流程與加工精度都要嚴(yán)格把關(guān)。閥內(nèi)籠罩應(yīng)采用具有迷宮式的籠罩，其因有多級降壓的作用，可大幅減小氣流的侵蝕速度。閥門的密封面宜采用面密封形式。閥芯應(yīng)采用預(yù)啟閥結(jié)構(gòu)形式。在閥芯與閥座的結(jié)合部位用閥芯為凹面，閥座為凸面的密封[15]形式也有利于緩解蒸汽的侵蝕。

3 等效焓降法的計(jì)算

根據(jù)等效焓降理論及相關(guān)文獻(xiàn)參考[16-19]，對本機(jī)組在TMCR工況下熱力系統(tǒng)的熱效率進(jìn)行計(jì)算，并對液壓閥的內(nèi)漏進(jìn)行熱經(jīng)濟(jì)性分析。

3.1 機(jī)組的主要參數(shù)

表3和表4為N660-24.2/566/566型機(jī)組主要參數(shù)及計(jì)算。

表3 各液壓控制閥的運(yùn)行情況

表4 1-8號加熱器抽汽焓、給水焓、疏水焓值

主汽焓為3396 kJ/kg,再熱器吸熱量σ=589.8 kJ/kg，給水泵增壓焓為40.8 kJ/kg。汽機(jī)排汽焓為2431 kJ/kg，凝汽器飽和水焓為192.2 kJ/kg，汽泵排汽焓為2506.9 kJ/kg。

根據(jù)焓熵圖并計(jì)算可得到其他焓降值：汽泵焓降為1478.9 kJ/kg；門桿漏氣焓降為589.8 kJ/kg；軸封汽高、中、低壓缸處焓降分別為983.4 kJ/kg、787.8 kJ/kg和1269.6 kJ/kg。

由此又可計(jì)算出：單位新蒸汽(如1 kg)等效焓降值為1247.255 kJ；單位新蒸汽的膨脹內(nèi)功為1256.729 kJ；單位循環(huán)吸熱量為2657.033 kJ。

4 液壓控制閥泄漏的經(jīng)濟(jì)損失計(jì)算

4.1 機(jī)組的主要參數(shù)

液壓控制閥在TMCR工況下的參數(shù)計(jì)算見表5。

表5 各液壓控制閥的運(yùn)行情況 kJ/kg

4.2 液壓控制閥內(nèi)漏做功損失與吸熱損失計(jì)算

在機(jī)組滿負(fù)荷時(shí)，361閥的內(nèi)漏會(huì)排至凝汽器

熱井，則工質(zhì)水可以全部回收，但熱量全部損失。高壓旁路減壓閥泄漏的蒸汽旁路進(jìn)高壓缸未做功而流入到再熱冷段，吸收再熱器的加熱量后再回到中壓缸做功。高壓旁路減溫水閥內(nèi)漏水不經(jīng)各級高壓加熱器直接由給水泵出口進(jìn)入再熱器冷段。低壓旁路減壓閥內(nèi)漏蒸汽沒有進(jìn)低壓缸做功而直排凝汽器，損失了熱量，回收了工質(zhì)蒸汽。低壓減溫水閥內(nèi)漏則是凝泵出口水再回到凝汽器。表6為各閥在泄漏量1%時(shí)的做功與吸熱損失計(jì)算。

表6 做功與吸熱損失計(jì)算 kJ

4.3 液壓控制閥內(nèi)漏時(shí)的熱效率變化計(jì)算

通過對液壓控制閥內(nèi)漏后的做功與吸熱損失的計(jì)算，表7是每泄漏1%的流量機(jī)組的熱效率變化情況。

表7 做功與吸熱損失計(jì)算

由表7可知，出理負(fù)值表明內(nèi)漏對機(jī)組的效率是降低，361閥的影響最大，達(dá)到約1.87%；其次為低壓旁路閥為0.96%；最后是高壓旁路閥為0.18%。如以高壓旁路減壓閥閥泄漏的影響為1，則低旁減壓閥的內(nèi)漏則在5倍以上，361閥則為10倍以上。另外還發(fā)現(xiàn)，僅低壓旁路減溫閥內(nèi)漏1%時(shí)，對機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性影響很小。

5 結(jié)束語

在保證安裝和密封件質(zhì)量的前提下，液壓控制閥內(nèi)漏的主要原因是閥門內(nèi)蒸汽攜帶顆粒的高流速對閥芯與閥座間結(jié)合面的侵蝕。并且，高壓旁路減壓閥內(nèi)漏具有長期性，內(nèi)漏隱患最大，低壓旁路減壓閥次之，而361閥內(nèi)漏多出現(xiàn)在機(jī)組運(yùn)行前期。僅在高壓旁路減壓閥上將閥芯改為預(yù)啟閥的形式是可取的。最小開度限定對高、低壓旁路減壓閥來說非常有用。

在機(jī)組TMCR工況下，假設(shè)液壓控制閥有1%的泄漏量時(shí)，經(jīng)計(jì)算：361閥對機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性影響最大，其次是低壓旁路減壓閥，高壓旁路減壓閥最小。

建議運(yùn)行人員應(yīng)控制汽溫汽壓在額定范圍內(nèi)運(yùn)行，檢修人員應(yīng)做好液壓控制閥內(nèi)密封件管理工作，以減少機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)損失。