汽轮机是火力发电厂的原动机，驱动同步发电机旋转产生电能。正常运行时，通过调速系统控制蒸汽阀改变汽轮机的进汽量，使汽轮机的功率输出满足外界的负荷要求。随着汽轮机大容量化的发展，阀门尺寸与所受作用力急剧增大。在生产运行中，调节阀（governingvalve，GV）事故时有发生，主要由GV振动引起。GV振动会造成阀杆疲劳断裂与阀芯损坏，阀芯的跳动会引起蒸汽流量波动，使发电机组无法正常运行，同时引起整个管道系统尤其是抗燃油管的共振，因此对振幅长期超过100μm的抗燃油管需特别关注。
国内外对GV因蒸汽流引起的振动已有一定的研究，主要手段是数值模拟，完全模拟高参数下的实验较少。认为蒸汽流动冲击及共振造成GV喉部（流道最小截面处）附近的静压参数分布不均匀，是引起阀门振动的主要因素。认为把阀芯附着流变为阀座附着流，方向正确但不能绝对化，关键应避免不稳定汽流。提出了阀芯型面的设计方法。
1 机组调节阀介绍
某厂2台700MW汽轮机为日本三菱公司的TC4F-40型亚临界、反动式、单轴、三缸、四排汽汽轮机。主蒸汽压力17.5MPa，温度538℃。高压主汽阀（mainstopvalve，MSV）与高压GV联合成整体结构（如图1所示），2个高压MSV呈卧式对称布置于高压缸两侧，GV为立式布置。MSV用于控制气流通断，通常为全开或全关状态，全开时蒸汽流量通过GV控制。GV阀位通过数字式电液调节系统（digitalelectro-hydrauliccontrolsystem，DEH）控制，正常运行采用喷嘴调节，即GV1、GV2全开，GV3依据负荷控制开度，GV4只在满负荷情况下少量开启。
图1 单侧MSV、GV布置形式
2 故障现象及分析
随着运行时间的延长及检修次数的增多，汽轮机通流间隙增大，效率下降，导致相同负荷下GV3所需开度不断增大。当机组负荷为630～660MW，GV3开度为24%～30%时，2台汽轮机就地均有GV3振动和噪声较大的现象，抗燃油管振幅最高达205μm。为防止高振动带来的阀杆断裂、油管爆漏等风险，将GV3最大开度限制在17%，高负荷下利用GV4进行调节。
根据汽轮机结构和蒸汽通流情况，引起GV3振动的原因有：外振动源传导、伺服控制机构调节不稳、部件间隙过大、蒸汽流动冲击及共振。
2.1 附近振动源
GV3蒸汽流道通过导汽管与汽轮机高压内缸相连，阀杆经传动机构与油动机相连，高压缸或油动机可将大振动传导至GV。现场测量，同样与高压内缸相连的GV4振动正常，GV3阀杆横向振动达160μm时，油动机活塞杆处横向振动稳定在50μm左右。故可排除外振动源的因素。
2.2 伺服控制机构
图2为GV3的控制原理图。由图2可知，GV3为闭环控制，阀位指令信号与阀位反馈信号比较后形成阀位偏差信号，经伺服放大器转换成电流信号并进行电功率放大，接着在电液伺服阀中将电信号转换成高油压信号，用以驱动油动机，进而通过传动机构改变阀位。线性位移变送器测量的阀位信号反馈至调节回路的输入端，使阀位偏差信号逐渐减小。当阀位偏差为零时，系统便达到新的稳定状态。
图2 GV3的控制原理
伺服控制机构不稳的原因有：伺服卡件失效、伺服阀故障、线性位移变送器松动或反馈故障、油动机卡涩、油压波动、油中带水或空气、传动机构松动或卡涩等。检查伺服卡件及信号正常。GV3开度为17%时，负荷稳定无波动，阀杆径向振动59μm；GV3开度为24%～30%时，阀杆径向振动最大达164μm，且伴随较大撞击声，但阀门活动灵活，负荷调节顺畅。这说明伺服控制机构和传动机构正常。
2.3 部件间隙
高压GV由阀体、阀芯、阀套、阀杆及阀盖衬套等组成，不带预启阀，如图3所示。阀芯为半球形，中心有平衡孔以减小关闭时阀芯前后压差。GV间隙主要有阀杆与阀盖衬套间隙、阀套与阀盖衬套间隙。间隙过大时，GV在各种振动源触发下会引起自身零部件的振动。
图3 高压GV的结构
表1为2台汽轮机GV3出现明显振动前后的2次检修数据。
表1 GV3间隙测量结果
由表1可知：2号汽轮机的间隙偏大，1号汽轮机间隙合格（标准值为0.25～0.30mm）。经验上间隙超标1.5倍是可以接受的，运行中由于氧化皮的积累，间隙会逐渐减小，故阀门振动大不是部件间隙导致的。
2.4 蒸汽流动冲击及共振
定性而言，GV的振动主要是受到通过GV喉部交汇的气流冲击造成的。气流速度越快，气流交汇点距阀芯越近，则振动越大。GV3在小开度下气流速度快，但此时沿阀芯切线流向的气流交汇点离阀芯较远，故振动不大；在一定开度下，速度足够快的气流沿阀芯流动，在阀芯附近碰撞使阀芯产生剧烈振动；在大开度下，气流速度降低，故振动有所下降。
图4是半球形阀芯与平底凹口形阀芯的气流流向分布。由图4可看出，平底凹口形阀芯能减小气流对阀芯的附着，使气流交汇点远离阀芯，有效降低振动。
图4 半球形与平底凹口形阀芯气流流向分布
3 处理及结果
利用停机检修机会2号汽轮机对GV3进行改型，保留原阀体、阀座和阀盖衬套，阀杆、阀套和阀芯整体更换，其中阀芯由半球形更换为平底凹口形，阀杆的外径不变。
为保证阀门开度满足要求，原阀盖衬套靠阀芯侧沿轴向去除39mm，加工面最大粗糙度为6.3μm。打磨氧化皮后，测量确认阀杆弯曲度、各部套间隙、阀门行程合格且阀芯活动灵活。对阀芯、阀座进行检查，密封线合格后整体回装。
改进后GV3在0～56%开度（此时机组已达满负荷）下振动值基本保持稳定，高噪声现象消除。更换阀芯前后GV3阀杆处振动实测结果如图5所示，抗燃油管最大振幅见表2。改进后阀芯流量特性有所变化，但依靠DEH的自动调节性能可完全正常运行。经过一年多的运行，2号汽轮机GV运行稳定，其后对1号汽轮机GV3也进行了改造。
图5 2号汽轮机GV3阀芯改造前后振动对比
表2 2号汽轮机GV3阀芯改造前后抗燃油管最大振幅对比
4 结论
通过对GV3高振动、高噪声的分析和处理，说明采用平底凹口形阀芯可有效降低GV的振动和噪声。改进后的高压GV能避免阀杆断裂、阀芯脱落、油管爆漏等风险，降低了开大GV4进一步造成的节流损失，延长了汽轮机的使用寿命。
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