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        超臨界鍋爐吹灰調(diào)閥改造

        2020-02-01 07:20:56戴云飛
        寧夏電力 2020年6期
        關(guān)鍵詞:閥門系統(tǒng)

        戴云飛

        (寧夏京能寧東發(fā)電有限責(zé)任公司,寧夏 銀川 750400)

        1 鍋爐吹灰系統(tǒng)設(shè)備簡介

        某廠2×660 MW—HG-2210/25.4-YM16型鍋爐是哈爾濱鍋爐廠自主開發(fā)制造的燃煤超臨界壓力變壓運(yùn)行,一次中間再熱,π型布置,單爐膛,尾部雙煙道,全鋼架,懸吊結(jié)構(gòu),采用不帶再循環(huán)泵的大氣擴(kuò)容式啟動(dòng)系統(tǒng)的直流660 MW鍋爐。

        鍋爐本體吹灰系統(tǒng)的蒸汽汽源一路取末級(jí)過熱器入口集箱,汽源壓力為25.9 MPa,溫度為532 ℃,減壓閥供汽量20 t/h;另一路取自爐左再熱冷段管道,汽源壓力為4 MPa,溫度為315 ℃。兩路汽源均設(shè)置減壓站且可互相切換使用。末過入口集箱汽源減壓站配1臺(tái)截止閥、電動(dòng)截止閥、氣動(dòng)調(diào)節(jié)和安全閥,再熱冷段管道汽源減壓站配置1臺(tái)手動(dòng)截止閥、電動(dòng)截止閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)和逆止閥等。

        鍋爐主汽供吹灰調(diào)閥型號(hào)為DN50,PN500,閥體材質(zhì)F22,配FISHER氣關(guān)式667型執(zhí)行機(jī)構(gòu)。入口管道規(guī)格材質(zhì)為φ89 mm×20 mm,12Cr1MoV。出口管道規(guī)格材質(zhì)為φ60 mm×11 mm/φ133 mm×16 mm,20號(hào)。

        2 吹灰調(diào)閥運(yùn)行現(xiàn)狀及原因分析

        2.1 吹灰調(diào)閥存在的問題

        自機(jī)組投產(chǎn)后鍋爐吹灰調(diào)閥在檢修時(shí)多次發(fā)現(xiàn)閥芯沖刷、閥座壓痕較深,閥座、閥輪內(nèi)圈汽蝕沖刷,內(nèi)漏嚴(yán)重,閥體有2條長約50 mm裂紋,若繼續(xù)長期運(yùn)行,則存在較大的安全隱患。

        圖1 吹灰調(diào)閥閥體裂紋

        2.2 原因分析

        2.2.1 吹灰調(diào)閥內(nèi)漏的原因

        主汽供吹灰調(diào)閥閥輪為普通鼠籠套筒單座結(jié)構(gòu),單級(jí)節(jié)流降壓,該形式的閥門驅(qū)動(dòng)所需要的力矩相當(dāng)大,導(dǎo)致閥桿粗壯,傳動(dòng)機(jī)構(gòu)笨重,尤其是在使用過程中壓力很難穩(wěn)定降到需求值,加之前后20 MPa左右超大壓差,閥門在開關(guān)及運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的汽蝕現(xiàn)象;并且傳動(dòng)機(jī)構(gòu)經(jīng)常發(fā)生、突開、突關(guān)缺陷導(dǎo)致閥芯與閥座產(chǎn)生撞擊,損壞閥門密封面,長期運(yùn)行導(dǎo)致閥門密封不嚴(yán),內(nèi)漏嚴(yán)重,關(guān)閉閥門1 h后閥門后管道溫度仍達(dá)350 ℃。

        圖2 主汽供吹灰調(diào)閥閥輪

        2.2.2主汽供吹灰調(diào)閥閥體裂紋原因

        閥體設(shè)計(jì)材質(zhì)為12Cr1MoV,現(xiàn)場光譜儀檢測閥體材質(zhì)與15CrMo化學(xué)成分相符,見表1。

        表1 15CrMo和12Cr1MoV化學(xué)成分對(duì)比[1]

        表2 15CrMo和12Cr1MoV力學(xué)性能對(duì)比[1]

        從表1和表2可以看出15CrMo和12Cr1MoV兩種材質(zhì)化學(xué)成分及力學(xué)性能相差不大。根據(jù)NB/T47044-2014電站閥門要求在530 ℃、PN500系列下15CrMo材料的壓力-溫度額定值規(guī)定最大允許工作壓力為21.02 MPa,在530 ℃、PN500系列下12Cr1MoV材料的壓力-溫度額定值規(guī)定最大允許工作壓力為27.44 MPa[2]。鍋爐廠計(jì)算的分隔屏過熱器設(shè)計(jì)工作壓力為25.97 MPa,已經(jīng)大大超過了15CrMo材質(zhì)對(duì)應(yīng)的壓力-溫度額定值的規(guī)定,故可說明閥門壓力等級(jí)及材質(zhì)選用過低,不能滿足現(xiàn)場使用要求,長期運(yùn)行導(dǎo)致裂紋。伯奴利方程如下:

        (1)

        式中:p—流體中某點(diǎn)的壓強(qiáng);

        ρ—流體密度;

        v—流體該點(diǎn)的流速;

        g—重力加速度;

        h—該點(diǎn)所在高度;

        C—常量[3]。

        根據(jù)伯奴利方程,管道內(nèi)流體的流速提高,壓力就會(huì)下降。如果液體流經(jīng)管道節(jié)流處的壓力高于或低于汽化壓力將產(chǎn)生汽蝕或閃蒸現(xiàn)象。氣蝕與閃蒸是由于管道節(jié)流引起的,閥門就相當(dāng)于管道的節(jié)流。閃蒸最嚴(yán)重的破壞發(fā)生在流速最高處,即閥塞閥座處。沖蝕是閃蒸破壞的直觀表現(xiàn),汽蝕發(fā)生時(shí),氣泡破裂釋放的能量使閥塞、閥座甚至附近管道損壞,并伴發(fā)噪聲[4-5]。從現(xiàn)場運(yùn)行時(shí)閥門及管道存在噪音且振動(dòng)大,解體后內(nèi)部汽蝕、沖刷嚴(yán)重即可判斷汽蝕與閃蒸是致使閥門產(chǎn)生裂紋的原因之一。

        根據(jù)機(jī)組運(yùn)行狀況需要吹灰時(shí),當(dāng)值人員將各疏水閥打開后,開啟吹灰蒸汽電動(dòng)門及調(diào)閥開始暖管,當(dāng)疏水溫度達(dá)到280 ℃或疏水時(shí)間達(dá)20 min,疏水閥關(guān)閉,吹灰蒸汽壓力達(dá)2.0 MPa后,吹灰器開始工作。兩次吹灰間隔時(shí)間較長,管道內(nèi)部蒸汽凝結(jié)后,水匯集在管道內(nèi)及閥門入口處,在開啟吹灰蒸汽電動(dòng)門及調(diào)閥后高溫、高壓蒸汽經(jīng)過閥門,此時(shí)在閥門各部件溫度梯度較大,存在較大的熱應(yīng)力,長期冷、熱態(tài)交替運(yùn)行導(dǎo)致了閥體產(chǎn)生裂紋。

        綜上所述,閥門壓力等級(jí)及閥體材質(zhì)選用過低,加之閥門長期處于冷、熱態(tài)交替運(yùn)行狀態(tài),閥體溫度梯度較大,熱應(yīng)力無法有效釋放導(dǎo)致閥體產(chǎn)生裂紋。

        3 吹灰調(diào)閥優(yōu)化改造

        為了確保改造后的吹灰調(diào)門滿足現(xiàn)場安裝、使用要求,新閥門性能要求及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)必須滿足以下要求:

        (1)新閥門尺寸盡可能與原閥門一致,便于現(xiàn)場安裝施工,且閥門滿足所安裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)要求。調(diào)節(jié)閥壓力等級(jí)按系統(tǒng)最大壓力和設(shè)計(jì)溫度選取,并考慮管道做嚴(yán)密性試驗(yàn)時(shí),閥門應(yīng)能承受此壓力。閥門應(yīng)能在0%~100%范圍內(nèi)進(jìn)行靈活調(diào)節(jié), 特別要求能實(shí)現(xiàn)小開度調(diào)整。

        (2)閥體結(jié)構(gòu)具有良好的抗熱沖擊能力,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有易維護(hù)、噪音低、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈活、調(diào)節(jié)區(qū)域大和靈敏度高等特點(diǎn)。

        (3)閥內(nèi)件需滿足現(xiàn)場壓力和流量調(diào)節(jié)的需要,閥芯及閥座應(yīng)耐磨、耐沖刷,便于檢修、拆裝與研磨。閥門能在冷熱狀態(tài)下靈活關(guān)閉,不得有卡澀、內(nèi)漏現(xiàn)象。

        (4)閥門在運(yùn)行累計(jì)9 000 h內(nèi),閥門易損件不得損壞,閥門不得泄漏。確保閥門使用壽命為10年以上,且3年內(nèi)無內(nèi)漏、卡澀、線性調(diào)節(jié)不好等問題。

        3.1 閥門結(jié)構(gòu)的選擇

        (1)閥門按壓差的大小可以采用不同的節(jié)流級(jí)數(shù),所謂節(jié)流,就是介質(zhì)在正常通道,正常流速下,流經(jīng)至漸縮的狹小通道,此時(shí)流速驟增,速度變大,隨后通道驟擴(kuò),又變回正常通道、正常流速。每經(jīng)過這一循環(huán),就為一級(jí)節(jié)流。這樣,通過多級(jí)降壓減輕了汽體對(duì)閥門的沖擊和震動(dòng),降低了噪音,同時(shí)也避免對(duì)閥門密封面的沖蝕。將吹灰調(diào)門改造為4級(jí)節(jié)流降壓的結(jié)構(gòu),可確保大壓差下的運(yùn)行效果。國內(nèi)同類型閥門最多已達(dá)到20級(jí)節(jié)流,最高實(shí)現(xiàn)31 MPa的壓降,并在超臨界機(jī)組上得到成功應(yīng)用[6-10]。

        (2)閥門開啟后溫度急劇上升,但整個(gè)閥體的溫升是不均勻的,閥座溫升最快,閥體稍慢,溫升后都要產(chǎn)生熱變形,由于閥座與閥體的材質(zhì)不同,熱膨脹系數(shù)不同,導(dǎo)致變形不同步,易產(chǎn)生應(yīng)力集中,加之震動(dòng)的存在,長期運(yùn)行產(chǎn)生裂紋。鑒于此,采用了鑲裝式分體閥座,杜絕了裂紋的產(chǎn)生。

        圖3 改造后主汽供吹灰調(diào)閥結(jié)構(gòu)

        3.2 閥芯結(jié)構(gòu)的選擇

        閥芯選擇預(yù)啟式閥芯,在大閥塞中設(shè)置1個(gè)平衡壓力的小閥塞,用碟形彈簧將大小閥塞推開,當(dāng)閥門開啟后,閥塞上下腔是連通的、平衡式閥芯;當(dāng)閥門全關(guān)后,小閥塞因執(zhí)行器的作用而將碟簧進(jìn)一步壓縮,最后小閥塞關(guān)閉,整個(gè)閥塞由平衡式變成非平衡式,達(dá)到零泄漏。碟形彈簧是預(yù)啟式閥芯中的關(guān)鍵部件,其作用是閥門運(yùn)行時(shí)將預(yù)啟閥塞與主閥塞推開,使閥塞為平衡式,使用的是彈簧預(yù)變形時(shí)產(chǎn)生的作用力。當(dāng)主閥塞關(guān)閉后,執(zhí)行器進(jìn)一步推壓閥桿使作用力進(jìn)一步壓緊彈簧后,預(yù)啟閥塞關(guān)閉,整體閥塞變成非平衡式,關(guān)斷嚴(yán)密。

        3.3 設(shè)備材質(zhì)的選擇

        為確保閥門各部件適應(yīng)在高溫、高壓差下運(yùn)行,滿足耐沖刷、耐汽蝕的條件,改造后的閥門閥桿為X20CrMoV121,閥座X22CrMoV121,閥體為12Cr1MoV,并進(jìn)行2次以上的滲氮處理。高合金鋼X20CrMoV121屬于馬氏體型耐熱鋼,該種鋼可以耐使用溫度達(dá)650 ℃,在進(jìn)口火電高溫高壓機(jī)組管道中應(yīng)用較廣,一般處于調(diào)質(zhì)狀態(tài),其抗拉強(qiáng)度達(dá)685~833 MPa。X22CrMoV121是一種耐高溫不銹鋼,其抗拉強(qiáng)度達(dá)800~950 MPa。閥體材料的焊接性能應(yīng)與相連的管道材料焊接性能相適應(yīng),以便于安裝施焊。

        3.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇

        閥門配套的雙作用氣缸執(zhí)行器BPDV系列,推力32 kN,氣源壓力0.5~0.8 MPa;配西門子ABB雙作用定位器,SMC減壓閥,SMC閉鎖閥;雙作用氣缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行可靠、準(zhǔn)確、靈活,執(zhí)行機(jī)構(gòu)必須滿足閥門在調(diào)節(jié)中的穩(wěn)定性,不得出現(xiàn)定位不準(zhǔn)確以及擺動(dòng)不正常現(xiàn)象;執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥內(nèi)件在工作中達(dá)到良好配合,閥門調(diào)整靈敏準(zhǔn)確,無內(nèi)、外漏現(xiàn)象,保證設(shè)備良好穩(wěn)定的運(yùn)行。

        4 吹灰調(diào)閥改造后效果評(píng)估

        統(tǒng)計(jì)吹灰調(diào)閥改造前后吹灰系統(tǒng)疏水至壓力穩(wěn)定時(shí)間段內(nèi)的閥門開度與壓力參數(shù),共計(jì)選取50個(gè)不同開度對(duì)應(yīng)的壓力點(diǎn)繪制成閥門特性曲線,如圖4和圖5所示。

        圖4 主汽供吹灰調(diào)閥改造前開度與壓力曲線

        從圖4主汽供吹灰調(diào)閥改造前開度與壓力曲線可以看出:閥門開度從全關(guān)開至40%時(shí),吹灰系統(tǒng)壓力均為0.103 MPa,系統(tǒng)壓力隨閥門開度增大無變化,閥門開啟過程中閥門死區(qū)較大。閥門開度從40%開至56%時(shí),系統(tǒng)壓力達(dá)到2.334 MPa,超過了設(shè)定壓力2.0 MPa。按照吹灰邏輯要求,在系統(tǒng)壓力大于2.0 MPa且閥門開度減小的過程中,系統(tǒng)壓力總體隨開度減小而降低。在閥門開度減小至50%時(shí),系統(tǒng)壓力2.547 MPa,隨后閥門突開至70%后全關(guān),系統(tǒng)壓力最大達(dá)3.126 MPa。閥門重新開啟后,經(jīng)過一次開度和壓力的增大-減小-增大波動(dòng)過程后,閥門開度、系統(tǒng)壓力趨于穩(wěn)定,滿足吹灰壓力條件,該過程共計(jì)用時(shí)約22 min。

        圖5 主汽供吹灰調(diào)閥改造后開度與壓力曲線

        從圖5主汽供吹灰調(diào)閥改造后開度與壓力曲線可以看出:閥門開度從全關(guān)開至35%左右時(shí),系統(tǒng)壓力隨閥門開度增大而增大,閥門開度小幅度波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)壓力影響較小,系統(tǒng)壓力整體呈上升趨勢,無大幅度波動(dòng)。閥門開至35%以后,隨著吹灰系統(tǒng)疏水時(shí)間的增加,系統(tǒng)壓力最終穩(wěn)定在2.028 MPa左右,對(duì)應(yīng)閥門開度在30%左右,閥門開度、壓力均穩(wěn)定,滿足吹灰壓力條件,該過程共計(jì)用時(shí)約3 min。

        從主汽供吹灰調(diào)閥改造前、后開度與壓力曲線對(duì)比可以看出:改造前閥門調(diào)節(jié)特性不穩(wěn)定,在一定的閥門開度區(qū)間內(nèi)死區(qū)較大,較大開度對(duì)系統(tǒng)壓力影響不大,閥門存在突開、突關(guān)現(xiàn)象,系統(tǒng)壓力波動(dòng)大,疏水達(dá)到穩(wěn)定壓力時(shí)間較長。改造后的閥門開度小幅度波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)壓力影響較小,系統(tǒng)壓力整體平穩(wěn),無大幅度波動(dòng),能夠?qū)崿F(xiàn)小開度調(diào)整,疏水達(dá)到穩(wěn)定壓力的時(shí)間較短。

        5 結(jié) 語

        通過對(duì)660 MW等級(jí)超臨界鍋爐吹灰調(diào)門改造,有效解決了普通單級(jí)鼠籠套筒單座結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)閥存在頻繁內(nèi)漏、調(diào)節(jié)線性差、卡澀、管路振動(dòng)、噪音大等問題。多級(jí)節(jié)流降壓分體式調(diào)節(jié)閥可實(shí)現(xiàn)吹灰系統(tǒng)的快速壓力穩(wěn)定及閥門的小開度調(diào)節(jié),密封性優(yōu)良、調(diào)節(jié)穩(wěn)定性高、管路無振動(dòng)、噪音小,對(duì)同類型火力發(fā)電廠鍋爐吹灰系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥選型、改造有借鑒意義。

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