超临界汽轮机再热主汽阀门卡涩分析

第46卷第8期2010年4月机械工程学报JOURNALOFMECHANICALENGINEERINGVol.46No.8Apr.2010DOI：10.3901/JME.2010.08.121超临界汽轮机再热主汽阀门卡涩分析*徐东鲍劲松金烨(上海交通大学上海市网络化制造与企业信息化重点实验室上海200240)摘要：汽轮机再热主汽阀是汽轮机组的重要辅机，在动态性能、密封性、可靠性方面都有特殊要求。该类汽轮机再热主汽阀是汽轮机组的重要辅机，在动态性能、密封性、可靠性方面都有特殊要求。该类型阀门机构在冷起动过程中经常发生卡涩，且随蒸汽参数升高，出现故障的概率增大且更加严重，严重影响机组的正常运行。针对机构故障现象与结构特点，对动态行为异常变动进行分析，研究表明冷起动过程中，不同零件物理性能差异导致零件间热量传递速度存在较大差异，引起动静配合要素位置和形状变化，并进一步导致径向间隙和轴向间隙变动，严重影响机构的动力学性能。有限元法用来定量分析机构在冷起动至稳态过程中动态配合要素之间的间隙变化，并分析间隙对阀门机构的动态行为影响，数值分析的结果与电厂中出现的问题是一致的，其实际处理方案则验证该方法的正确性。从改进公差设计和制造精度控制两个方面提出解决该类阀门卡涩的具体方案，对于解决该类工程问题具有重要理论价值和现实指导意义。关键词：动态行为机构热分析卡涩中图分类号：TG156MechanicalJammingAnalysisoftheReheat-stop-valveMechanismintheSupercriticalSteamTurbineXUDongBAOJinsongJINYe(ShanghaiKeyLaboratoryofAdvancedManufacturingEnvironment,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240)Abstract：Thereheat-stop-valvemechanismisavitalauxiliarymachineinthesteamturbineunit,whichhasspecificrequirementsindynamicperformance,reliabilityandtightness.However,mechanicaljammingoftenemergesinsuchmechanismsduringcoldstart,andthetroubleisgreaterandsevererwithhighersteamparameters.Thus,thenormalrunningrequirementoftheunitcannotbeguaranteed.Abnormalvariationofdynamicbehaviorofthereheat-stop-valvemechanismduringcoldbootisdiscussedinviewofthefailurephenomenaandstructurefeature.Greatphysicalpropertydifference,forexamplecoefficientofheatconductivity,leadstodifferenttransmissionspeedofheatinparts.Then,theradialandaxialclearancevariesgreatlyintheprocessofcoldstart,whichinfluencesdynamicbehavior.Finiteelementmethodisusedtoquantitativelyanalyzetheclearancevariationfromcold-boottosteadystate,anddynamicperformanceisevaluated.Thenumericalresultsareconsistentwiththeengineeringproblems,whicharevaluabletosolvingtheproblemsinpowerplants.Aconcreteschemesisproposedinrespectofimprovingtolerancedesignandmanufacturingprecisioncontrol,whichhasimportanttheoreticalvalueandrealisticguidingsignificancetothesolutionofsuchengineeringproblems.Keywords：DynamicbehaviorMechanismThermalanalysisJamming0前言*某引进技术生产的600MW机组是一种超临界参数、中间再热的抽气凝汽式汽轮机，再热主汽门控制中压缸的蒸汽流通。在实际运行过程中，该类型机组阀门机构出现卡涩故障的概率较高，严重影*上海市科委科技攻关资助项目(08DZ1120100,08DZ1110303)。20090601收到初稿，20091225收到修改稿响了机组的安全运行。另外，正在研发的600MW与1000MW超超临界汽轮机拟保持原有的基本结构，其运行参数会对性能产生更深远的影响，如果出现阀门卡涩，其危害将更严重。受制造厂条件限制，再热主汽阀性能试验一般都在电厂测试。一旦在实际运行过程中由于制造或装配等原因出现卡涩，则只能采用应急措施，主要依赖经验判断、逻辑推理以及实体解剖等方式，逐步推测阀门卡涩的原因，然后通过施加外力、打磨机械工程学报第46卷第8期期122修复配合件等措施临时解决，这些手段往往在出现了各种问题后采取的措施，并不是科学的解决方案，且费用效能比很高。引起阀门卡涩的因素很多，本文重点研究具有以下现象与特点的卡涩故障：冷态无蒸汽时，主汽门关闭正常；当汽轮机处于稳态运行状态时，关闭阀门出现卡涩的概率很小；在冷态起动过程中，机组冲转到较高的转速并稳定一段时间后，关闭阀门过程常常出现卡涩。在运行的机组中，上述现象对应的卡涩现象占据重要地位，值得重点关注。从卡涩故障特点可以发现，高温蒸汽的热效应及作用时间对机构的动力学性能起着关键作用，重点分析高温蒸汽对主汽门机构关闭性能的影响将有助于解决卡涩故障。国内的一些研究者已经对相关问题开展研究与讨论，多数研究者主要从解决工程实际问题的角度对各类阀门机构的卡涩问题进行分析[1-3]，王建等[4]对同结构的主汽门的卡涩问题进行了分析与处理。由于工程解决方案都是针对实例分析，很难发现卡涩故障的本质。物理试验则由于高温蒸汽环境的特殊性而难以操作；制造与装配中不确定因素的存在，使得针对实际机构的试验也不具有共性。因此，采用虚拟仿真技术定量分析高温蒸汽的热效应以及制造误差对机构关闭性能的影响机理，将为科学解决卡涩问题提供可靠的依据。对此类问题开展理论分析的研究者较少，时兵等[5-8]分析了阀杆热胀的影响，并研究了间隙铰对阀门机构卡涩影响。上述研究成果为再热主汽阀卡涩问题的解决指明了方向，但还须完善，主要表现为：有限元分析中忽略了与阀轴配合的其他零件的热效应对机构性能的影响；动力学建模时将相互影响的多个间隙铰简化为单个间隙铰；对于相同参数和工况时，同类型的多个机构在相同工作阶段或者同一机构在不同工作阶段，关闭阀门的动力学性能差别很大这一工程现象没有分析；理论研究结果与工程实际存在较大差异。徐东等[9]研究了稳态热变形、尺寸公差、装配同轴度公差综合因素作用下再热主汽阀运动性能的不确定性，热变形对轴向间隙的影响没有考虑。因此，由于同类理论研究在实践中还需进行验证，理论上也须完善，有必要开展更为深入的研究。1阀门机构结构再热主汽阀是一种摇摆式机构，结构如图1所示。执行机构由阀轴、阀碟、阀臂、杠杆、连杆、推杆等组成，包含两个理想转动副、一个理想移动副、一个含间隙转动副。其中，含间隙转动副由阀轴衬套系统组成，该系统工作在高温蒸汽环境，对机构动力学性能影响很大。在产品设计时，阀轴与轴承盖的配合面存在轴向间隙，初始间隙为3.6mm。图1再热主汽阀结构简图2高温蒸汽环境阀门卡涩机理分析2.1再热主汽阀高温物理性能在再热主汽阀中，阀轴、衬套、阀碟、阀体、端盖、支架表面部分暴露于高温蒸汽环境，零件的物理性能可能导致再热主汽阀中间隙机构的配合性质发生变化，并影响整个机构的动态行为。对机构性能可能产生影响的零件物理属性如下表所示，1#表示阀轴，2#表示2、3、4号衬套，3#表示1号衬套，4#表示阀体、阀盖与轴承盖。表材料的物理属性零件材料名称线膨胀系数αl/(m·℃)–1导热系数κ/(W·(m·℃)–1)比热容c/(J·(kg·K)–1)泊松比µ弹性模量E/GPa1#GH901(600℃)15.00×10619.8004600.302012#2Cr12NiMo1W1V-512.06×10629.7004600.302063#38CrMoAlA-513.50×10637.7004600.301994#ZG15Cr2Mo113.15×10600.3565120.27175月2010年4月徐东等：超临界汽轮机再热主汽阀门卡涩分析1232.2再热主汽阀动态行为分析在再热主汽阀冷起动过程中，高温蒸汽充满阀体内腔，热量通过对流传热方式从高温蒸汽传递至接触零件，零件通过内部传导将热量传递到零件的其他部分。物体内部无热源时，物体内部的温度梯度可由Fourier导热微分方程表示2Ttcκθρ∂=∇∂(1)式中θ为温度；t为时间；κ为导热系数；c为比热容；ρ为物质密度。由表中数据可知，各种材料的比热容、热膨胀系数、泊松比与弹性模量差别不大，但1#、2#、3#与4#的导热系数比值在56至106之间。导热系数体现了热量在物体中传递的速度。在再热主汽阀中，阀轴的导热系数最大，温度场将最快达到平衡状态。1号、2号、3号、4号衬套、支架、轴承盖和阀体是以过盈联结形成的复合材料的组件，温度场到达平衡的时间远大于阀轴。再热主汽阀内部温度变化时，体内任意微小单元将产生热变形，由于物体的外在约束以及体内各部分之间的相互约束，自由形变不能发生，在体内产生热应力，热应力又由于物体的弹性引起附加的形变。热弹性力学就是研究弹性体内温度场变化与热应力、热应变的相互关系，单元的热弹性力学基本方程为()()()111111xxyzlyyzxlzzxylyzyzzxzxxyxyTETETEGGGεσµσσαεσµσσαεσµσσαγτγτγτ⎧⎡⎤=−++⎪⎣⎦⎪⎪⎡⎤=−++⎣⎦⎪⎪⎡⎤=−++⎪⎣⎦⎪⎨⎪=⎪⎪=⎪⎪⎪=⎪⎩(2)式中，lα为线膨胀系数；G为切变模量；E为弹性模量；µ为泊松比；,,xyzεεε分别为坐标轴,,xyz方向的正应变；,,yzzxxyγγγ分别为三个坐标面的剪应变；,,xyzσσσ分别为坐标轴,,xyz方向的正应力；,,yzzxxyτττ分别为三个坐标面的切应力。单元在各个方向的形变与参数T具有正相关性，即温度变化越大，应变越大。在再热主汽阀冷起动过程，根据热位移对机构中动态性能的影响，将起动过程化分为两个阶段。第一阶段，在冷起动初始阶段，阀轴的位移场变化速度远远大于与之配合的零件要素，导致间隙铰的径向间隙、阀轴与轴承盖间的轴向间隙均不断缩小，甚至局部消失，从而在汽轮机冷起动过程关闭阀门时更加容易发生机械卡涩。第二阶段，在冷起动一段时间后，阀轴的位移场变化速度逐渐小于与之配合的零件要素，从而配合间隙又逐步扩大，直至温度场、位移场到达平衡状态。由于阀轴在结构上受到的约束小于与之配合的其他要素，机构达到热平衡状态时，径向间隙和轴向间隙都将小于冷态。考虑动态配合要素的制造和装配误差的不确定性，再热主汽阀动态行为分析结构合理地解释了工程实践中出现的问题：冷态不卡涩，冷起动后某一时间段出现卡涩的概率最大，稳态时出现卡涩的概率最小，这些现象与工程实践中出现的问题[4]与国华太电7#机组[8]是相吻合的。为了获得更加精确的评价效果，对再热主汽阀机构的冷起动过程进行热结构耦合分析，得