640 MW超臨界機組汽輪機高壓旁路閥內漏的改造及經濟性分析

李 恒，李軍輝

(河北西柏坡發電有限責任公司，石家莊 050400)

0 引 言

高壓旁路閥(簡稱高旁)是汽輪機高中壓缸聯合啟動，正常停機及事故處理的關鍵閥門，高旁長期運行在比較惡劣的環境中，閥前處于主蒸汽的高溫、高壓區域，閥后為冷段再熱管道，閥前與閥后運行參數差距較大，當閥門開啟瞬間或者不嚴密時，閥芯承受高溫高壓蒸汽沖刷，造成閥門內漏，為減少新蒸汽損失，避免循環效率下降，機組正常運行時高旁轉換閥必須具有良好的嚴密性[1]。

文中針對某電廠640 MW超臨界機組高旁內漏日益嚴重的問題展開分析，確定了高旁內漏的原因，提出了改造方案并加以實施，解決了高旁內漏問題，提高了機組效率，降低了煤耗，保證了機組安全穩定運行。

1 高壓旁路閥的作用及現狀

1.1 高壓旁路閥的主要作用

(1)改善機組的啟動性能：機組在各種工況下(冷態、溫態、熱態和極熱態)用中壓缸啟動時，投入旁路系統控制鍋爐蒸汽溫度使之與汽機汽缸金屬溫度較快地相匹配，從而縮短機組啟動時間和減少蒸汽向空排放，減少汽機循環壽命損耗，實現機組的最佳啟動。

(2)機組正常運行時，高壓旁路裝置具有超壓安全保護的功能:一旦主蒸汽壓力超過高壓旁路裝置的設定值，高壓旁路閥快速開啟，并按照機組主蒸汽壓力進行自動調節，直到恢復正常值。

(3)回收工質，減少噪音:機組啟動過程中，鍋爐蒸發量大于汽機消耗量，在符合突降和甩負荷時，有大量蒸汽需要排出，多余的蒸汽若直接排在大氣中，不僅損失了工質，而且對環境有很大的噪音污染，設置旁路系統，達到回收工質和消除噪聲的目的[2]。

1.2 高壓旁路構造現狀

某機組高壓旁路閥為進口CCI產品，型號是HBSE160-250，閥門由閥芯閥桿組件、閥座、閥籠、閥蓋及密封件等組成,具體結構如圖1所示。

圖1 高旁結構圖

高旁內漏使得本應該進入汽輪機做工的部分蒸汽沒能參與汽輪機高壓缸的做功，浪費了高品質蒸汽，使得機組效率降低，煤耗升高，而且高旁內漏還會使閥后管道溫度居高不下(400 ℃以上)，威脅機組的安全穩定運行[3]，因此高旁內漏問題急需解決。

2 高壓旁路閥內漏的原因分析

通過解體某電廠高旁閥內件及底口，并對閥內件的間隙測量和行程校對，分析得出此電廠高旁內漏的主要原因有以下兩點：

(1)高旁采用平衡式結構，由于平衡閥芯上下腔通過貫穿閥芯的通孔相連，以此來平衡壓力，這種閥的優點是執行器所需驅動力小，開關靈活，但是缺點就是閥門平衡密封圈一旦磨損就會導致閥門內漏量逐漸增大，閥門泄露等級較低，存在本質上的內漏因素。

閥桿和流量套筒之間采用可以壓縮的石墨密封圈，在開始的時候壓緊密封嚴密，隨著來回動作，會使密封圈磨損，當機組啟停次數多時，就會造成間隙超標影響密封性能，導致閥門從石墨密封圈間隙竄入閥芯上部從平衡孔直接進入閥后，直接導致閥體內漏。

(2)由于限位桿(如圖2所示)連接部分出現松動或行程調節時零位標記錯誤，導致閥門反饋出現負偏差，控制邏輯認為閥門過關(實際零位)，開啟閥門導致閥門過流。

圖2 高旁限位桿松動圖

從機組啟動后高旁閥后溫度曲線(如圖3所示)可以看到閥后溫度達到450 ℃，經過排查，閥門回裝并調整行程后在閥門啟閉過程中由于限位桿連接部分出現松動導致閥門反饋出現負偏差，執行機構認為閥位在零位以下，所以開始執行自動調整將閥桿向上抬，恢復零位。此時執行機構所認為的零位實際是有開度的，因此閥門并未完全關閉，導致蒸汽過流、閥后溫度驟升。

圖3 高旁閥后溫度曲線

3 改進方案的制定及實施效果

3.1 高旁采用預啟閥芯

高旁閥芯結構主要分為平衡閥芯及非平衡閥芯。平衡閥芯上下腔通過貫穿閥芯的通孔相連，以此來平衡壓力，如圖4所示；非平衡閥芯則是選用預啟閥芯的結構，并將平衡密封圈更換為導向脹圈，只起導向而不起密封作用，如圖5所示。

圖4 平衡閥芯結構圖圖

圖5 非平衡式閥芯結構

針對平衡閥芯和不平衡閥芯的優缺點，選用預啟閥芯的結構解決內漏。預啟閥主閥是主要的控制介質元件，其內部設置一個小預啟閥，通常情況下，主閥內件的蝶形彈簧將大、小閥芯推開，此時閥芯上下腔室是連通的，即為平衡閥，所需執行力很??；當閥門需要關閉時，主閥芯作為一個平衡閥首先接觸底座，隨后預啟閥芯壓縮蝶簧再與小閥座接觸密封，這樣原平衡閥芯就變成了非平衡閥芯，上腔的壓力對閥芯產生巨大推力，促使閥門關閉的更嚴密，預啟閥芯結構特點是運行時為平衡閥芯，驅動力小，關閉時變為非平衡閥芯，關斷嚴密。

3.2 調整高旁零位

高旁以及類似氣動閥門檢修結束后調整行程完畢后請熱工調試人員手動測試關位，保持氣缸向下作用力最大時閥桿不再向下活動才可確認零位；高旁以及類似氣動閥門檢修結束后調整行程時，在確定關位后務必將行程顯示調整為3%-4%開度，使執行機構始終認為閥門未完全關閉到位，下氣缸始終保持排氣狀態而上氣缸保持進氣狀態，使執行機構始終保持對閥桿向下的關力。

3.3 實施效果

改造方案的具體實施，2018年8月21日，對某電廠640 MW超臨界機組高旁閥進行了改進方案的實施工作，改造前后高旁閥后溫度曲線如圖6-7所示。

圖6 改造前高旁閥后溫度曲線

圖7 改造后高旁閥后溫度曲線

經過效果確認，高旁多次開關閥后溫度一直穩定在250 ℃左右，在標準限值(280 ℃)以下，證明改造方案是有效可行的，成功消除了高旁內漏的問題，也為同類機組高旁內漏問題的解決提供了有效參考。

4 高旁改造經濟性分析

4.1 高旁內漏的定量分析

根據等效熱降的概念[4]，當機組高壓旁路系統無泄漏時，1kg新蒸汽凈等效熱降為：

(1)

單位工質的循環吸熱量為：

Q=(h0-hfw)+αrhσ

(2)

汽輪機裝置效率：

(3)

式中，h0為新蒸汽焓，kJ/kg；σ為1 kg蒸汽的再熱吸熱量，kJ/kg；hc為汽輪機排汽焓，kJ/kg；τr為第r級加熱器的給水焓升，kJ/kg；η0為汽輪機第r級抽汽的效率；z為汽輪機回熱抽汽級數；∑∏為附加成分做功損失，kJ/kg；hfw為鍋爐給水焓，kJ/kg；αrh為再熱蒸汽份額。

當高旁壓力調節閥出現新蒸汽小泄漏但尚未導致噴水減溫時，由于給水和凝結水量均未發生變化，汽輪機各級抽汽份額不受影響。泄漏的新蒸汽節流后匯入再熱冷段，再熱蒸汽份額也不變。因此αLkg的新蒸汽泄漏導致汽輪機高壓缸做功的減少為：

ΔH=αL(h0-hrhc)

(4)

式中，hrhc為再熱冷段蒸汽焓，kJ/kg。

此時，鍋爐蒸發吸熱量不變，而再熱吸熱量變化為αLkg節流后新蒸汽的再熱吸熱量與(αrh-αL)kg的高缸排汽的再熱吸熱量之和，機組循環吸熱量減少了：

ΔQ=αL(h0-hrhc)

(5)

相對于高旁無泄漏時，汽輪機裝置效率的相對變化為：

(6)

4.2 經濟性計算

利用上述理論公式對某640 MW機組進行經濟性分析，該640 MW機組和高旁系統的主要參數見表1-2。

表1 機組的主要參數

表2 高壓旁路的主要參數

當高旁壓力調節閥蒸汽泄漏量為主汽流量的1%時，對機組熱經濟性影響見表3，機組效率降低0.15%。

表3 高旁壓力調節閥泄漏的熱經濟性影響

按照640 MW機組煤耗300 g/kW·h計算，當地(按電廠采進煤價)約為720元/t，640 MW發電機組年負荷率約為74%左右，每年發電250天計算，則節省費用：

640 000×300×24×74%×250×0.165%×720/1 000 000≈101.28萬元

每臺640 MW機組高旁轉換閥改造費用約為94萬元，則機組運行一年即可收回改造成本，并在以后將對機組運行效益和安全穩定性持續改善。

5 結束語

文中分析了高旁閥內漏的原因析，提出并實施了改造預啟閥結構、調整高旁行程反饋的方案，實踐證明，方案十分有效。改造后高旁閥密封嚴密，閥后溫度(約250 ℃)降到標準值以下，達到了改造的預期目的，方案可以在同類機組上作為參考和依據。

應用等效焓降法分析了改造前后機組的熱經濟性，改造后汽輪機裝置效率增加0.165%，年節省煤價成本費用為121.53萬元，經濟效果顯著，回收期短。因此，本改造方案不僅具有良好的可操作性，保證了機組運行的安全穩定性，并且能夠取得顯著的經濟效益。