汽轮机调节阀小开度振动研究

崔增娥， 叶东平

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨 150046）

0 引言

近年来随着电网的需求，大多数机组都需要调峰，这些机组的启停以及小负荷工况下运行的频率增多。汽轮机的启停和负荷变化是通过调节阀开度的变化，进而改变进入汽轮机的蒸汽流量或蒸汽参数来实现的。阀门振动现象在很多电厂发生，个别还造成了一定事故。我公司60 MW、100 MW、200 MW机组调节阀阀门在小开度时都不同程度出现了振动，需要在设计上加以改进。

同样，世界各大公司都先后遇到过小负荷阀门振动情况，采取过各种措施改进。前苏联在这方面也出过许多问题，其300 MW、600 MW机组在最初的台份中都出现了小负荷阀门振动，研究部门做过大量实验来改进。

1 问题分析

1.1 振动现象

通过对不同电厂阀门振动现象的归纳，主要有以下几种情况：1）不同等级机组阀门振动一般发生在调节阀预启阀全开、大阀刚开几个毫米，这时候机组负荷较小，调阀开度很小；2）随着机组负荷的增加，阀门开度逐渐加大，阀门振动逐渐减轻，当阀门开度达到25%～30%以上时阀门振动完全消失；3）该振动现象比较剧烈，现场能看到阀门附件的抖动，并能传递到前箱引起前轴承的振动，有的甚至将阀杆振断。

1.2 振动原因

通过一系列的问题反馈，认为全卸载型革-Ⅰ型阀门型线所成型的调节阀，在小开度（相对开度在10%以下）时，由于流场不稳定，压差过大，汽流速度过快（达到超音速，处于临界状态），容易产生汽流激振，并对阀门产生一个扰动力，此时阀门如果控制力不够大、自持能力较弱、向下的受力压不住该扰动力的话，就容易和高速汽流产生共振，造成阀碟上下振动，一般情况下该振动会随着相对开度的增大、汽流流速的降低而逐渐减缓并直至消失。这一规律在随后的大庆宏伟热电厂的阀门现场实验得以验证。

2 解决办法

2.1 解决问题的关键

1）建立数学模型，确定计算方法；2）根据阀门结构，分析和确定阀碟附加受力面积；3）采用迭代计算，确定阀碟受力腔室的压力和附加受力大小；4）通过计算附加受力，确定阀碟套筒侧面打孔的大小和数量；5）计算配汽时阀碟的蒸汽力、机械力，再计算阀碟附加受力，就可以确定油动机大小容量。

2.2 解决问题的方法

消除阀门纵向振动的研究工作主要从两方面进行：用向下的汽动作用力作用到阀碟——阀杆上，用向上的机械作用力作用到阀门——油动机系统上。通过下面3方面来进行：1）在阀碟上打孔后，使得新蒸汽经过打的孔流入预启阀的上部腔室，因流量比仅靠通过阀碟与阀碟套筒的间隙通过的流量大，在有压差的情况下，阀蝶的压力不能完全卸载，会产生一个向下的气动力阻止了扰动力，使得阀碟不再扰动。2）向下的阻力增加了，为了确保阀门在汽轮机启动时能够被提起，需要重新核算油动机提升力，保证其有足够的储备系数即保证其有足够的容量，必要时选用更大的油动机。3）正反两个方向的力均增加，可以牢牢地把持住阀碟，起到阻尼作用，阻止了扰动力，使得阀碟不再扰动。

3 典型问题及处理办法

针对阀门在小流量时振动的问题，已经在多家电厂对不同的阀门做过处理。

1）江西分宜发电厂的100 MW机组，在运行过程中，当发额定功率的时候是1#、2#、3#阀门全开，4#阀门相对开度在10%左右，此时调节阀产生了振动，致使调节阀上的两个导向耳朵断裂，机组不能正常工作。只能更换部件。之后，查阅经典文件所述并进行调节阀提升力计算分析后，在调节阀碟套筒上部位于预启阀上方，打了2个φ6 mm的通孔，以增加向下的力，压住阀碟不发生向上浮动，经过这样处理，使机组得以安全运行，之后再没产生阀门振动。

2）应用户要求，马头电厂200 MW汽轮机对调节阀进行了改造。后来机组投运，在三阀点时发出额定功率后，再开启第4阀升负荷时，又产生了在阀门小流量下汽流不稳定、第4阀阀碟振动的情况，最后经过认真计算阀门提升力并进行分析后，在第3、4阀碟的套筒上，按照上面所述的位置和办法各打了2个φ8 mm的通孔，使得阀碟振动问题得到解决。

3）大庆宏伟热电厂100 MW机组是高温高压双抽热电联产机组，最大进汽量达800 t/h，进汽量特大，调节阀直径达190 mm。在设计初期由于经验不足，为了避免阀门振动，预先在阀碟的套筒上开了两个φ8 mm孔，可是随后由于提升力过大不得不将此孔封堵，在运行时不可避免地出现了阀门振动现象，后通过改变运行方式勉强避开了阀门振动区。要根本消除振动只能再开孔、增大油动机提升力。

4 结语

在后来的设计中，除了采用打孔工艺外，还采用了将阀碟设计成部分卸载的形式，来加大阀碟的向下的蒸汽力，这一设计在后来的部分机组上有所采用。

通过上述一系列问题的解决，终于摸索和找到了一种能够对汽轮机大口径调节阀在小开度时的振动问题的解决方法。通过在多台机组上实施改进后，已经取得了良好的效果。