试论工业汽轮机中压阀门的一体式设计

石晶 梁萍

摘  要：近年来我国工业汽轮机领域发展迅速，机组集装化设计的广泛应用便得益于这种发展，相关研究也因此大量涌现。基于此，文章将围绕工业汽轮机中压阀门一体式设计开展研究，研究主要围绕蒸汽室结构、本体结构的设计展开，希望能够为相关业内人士带来一定啟发。

关键词：工业汽轮机;中压阀门;一体式;集装化

中图分类号：TK26 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）23-0106-02

Abstract： In recent years， the field of industrial steam turbine in China has developed rapidly， and the wide application of unit assembly design has benefited from this development， so a large number of related studies have emerged. Based on this， this paper will focus on the integrated design of medium pressure valve of industrial steam turbine， mainly around the design of steam chamber structure and body structure， hoping to bring some inspiration to the relevant industry.

Keywords： industrial steam turbine; medium pressure valve; integrated; container

前言

工业汽轮机的送风小机、水泵小机设计多采用集装化设计理念，该理念主要用于机组辅助模块设计。结合实际调研可以发现，工程建设中的送风小机、水泵小机往往不具备较长的建设周期，为保证项目主体进度，有效减少技术配合、现场安装所需时间，集装化设计必须在其中充分发挥自身作用。

1 基本分析

1.1 集装化工艺汽轮机设计

在集装化的工业汽轮机组设计中，座缸式阀门设计属于其中的重要组成部分，设计一般会将主汽阀和汽缸及调节阀阀壳进行法兰连接或做成一体。汽缸一般负责用于阀门支撑，部分时候也会在机架上设置弹性支撑，气缸与阀门之间基本不会设置管道，也不会为阀门设置落地支撑。工业汽轮机组的模块能够在座缸式阀门设计支持下变得更为紧凑，集装化设计的实现可获得有力支持。相较于大机组的模块总装发运，工业汽轮机的集装化设计存在一定特点。以1000MW汽轮机组为例，如其阀门采用座缸设计，且模块整装发运，但这与本文研究的集装化设计仍存在较大差异，这是由于集装化设计会采用公共机架，且其发运到现场的分模块仍需安装调整。对于工业汽轮机的集装化设计来说，该设计可有效简化安装调整等环节，为证明集装化设计优势，本文研究将主要围绕中压参数机组座缸式进汽阀门设计展开[1]。

1.2 阀门的区别分析

深入分析可以发现，大型汽轮机组阀门与工业汽轮机一体式阀门在设计环节存在较大差别，这种差别不仅源于设计参数的不同，二者在结构设计层面也存在显著区分。稳定工况下运行属于大型汽轮机组的常态，一般采用单阀调节、全周进汽，喷嘴调节功能基本被取消或弱化，因此其调节阀数量较少，采用无分隔的全周进汽蒸汽室。在较少的调节汽阀影响下，大型汽轮机组的调节汽阀布置设计较为灵活，一般在汽缸的侧面采用悬挂的方式布置;变工况下运行属于工业汽轮机的常态，因此工业汽轮机一般采用喷嘴调节，即通过应用多个调节阀实现对应的喷嘴组和蒸汽式控制以实现进汽，这使得工业汽轮机的阀门数目较多，且阀门与蒸汽室存在一一对应关系，且互不相通。由于存在数量较多的阀门，工业汽轮机一般在汽缸顶部布置阀门，以此配合不同蒸汽室。考虑到结构不同的调节阀影响，为提高控制的便利性并实现结构的紧凑性，工业汽轮机应在同一个腔室内布置多个调节阀，并在一根横担上安装多个阀头，控制由一组共用的提升杆负责。工业汽轮机调节阀具备阀头较小、阀门提升力小、蒸汽压力低等特点，因此其可以采用横担结构设计[2]。

总的来说，大型机组与中压汽轮机的汽轮一体式阀门结构在机型层面存在难以调和的差异，本文研究的工业汽轮机中压阀门属于中小机型，因此具体设计需围绕中小机型一体式阀门设计方案展开。

2 蒸汽室结构设计

主汽阀、调节阀、蒸汽室、汽缸属于汽轮机进汽部分的主要构成，一般设计会在汽缸内部设置蒸汽室，由于气缸与蒸汽室一体化铸造难度较高，一般采用法兰连接或焊接方式。在现有技术条件下，调节阀阀壳、主汽阀阀壳、汽缸的整体铸造存在过高难度，因此现阶段结构划分存在两种主要方式，一种为在汽缸上铸造出调节阀阀壳，在调节阀壳的一侧悬挂主汽阀，水泵汽轮机组便属于这种结构划分的代表，但由于蒸汽室安装因此会受到较为负面影响，该方式仅可用于单层进汽结构设计;主汽阀壳与调节阀壳的一体设计也较为常见，调节阀部分阀壳与汽缸会采用倒扣方式实现法兰连接，这种机构设计会使得汽缸顶部存在较为开放的接口，不同的蒸汽室结构选用可获得有力支持。这类设计在高压以上的机组中较为广泛（汽缸进汽双层结构），但在汽缸顶上布置进汽阀的一体化结构设计却并不常见。

结合上文研究可以发现，汽轮机组（高压以上）作用在阀杆上的蒸汽力较大，因此一般采用的设计为“单阀-单油动机-全周进汽”，双层缸的密封问题主要通过密封环或钟罩等措施解决。工业汽轮机（中压以下）喷嘴调节往往会设置多个调节汽阀，且无需单独为每个调节汽阀设置油动机驱动，这是由于其蒸汽压力较小所致，机组小型化也可能因此受到影响。因此，应开发进汽阀顶部座缸、双层缸的成套结构，使阀壳、蒸汽室、汽缸形成三重结合面。

3 本體结构设计

3.1 流量特性分析

如汽轮机采用喷嘴调节方式，调节级效率、强度关系与调节阀配置存在的紧密联系必须得到重视。喷嘴调节可在部分负荷情况下有效减少阀门节流损失，调节级效率也能够同时实现长足提升，但调节级焓降较大情况也会在部分负荷下出现，高于额定工况。为合理确定调节级喷嘴的分组情况、喷嘴总数、部分进汽度、几何参数，需综合考虑转子轴系稳定性、常工况部分负荷设计点选择、调节级的叶高损失、总体的焓降分配。调节级的运行业绩等多方面要求。

每个调节阀会对应一定喷嘴组，喷嘴的面积可用作阀门口径的选型依据，喉部面积的计算可采用阀门喉部流速为依据。在阀门喉部面积的计算过程中，必须保证各组喷嘴与对应的阀门喉部面积比的一致，否则各阀门流速和压损很容易在额定工况下出现不一致情况。GX-1型与球头阀型线均属于典型的阀门形式，对比中低压参数机组与大型发电汽轮机组可以发现，前者机组阀门的提升了需求不大，且调节阀数量较多、口径较小，单独为调节阀设置独立阀门阀杆结构并不现实，汽缸上的阀门布置复杂程度、所需零件数量将因此大幅增加。考虑到中低压参数机组特点，设计一般采用提板式阀门结构，这类设计会在一条横梁上布置阀壳内若干阀门，并设置两根提升杆于横梁两侧，由油动机和公共杠杆驱动。阀门重叠度的设置在设计中较为关键，也可以将其理解为每个阀门的空行程设置，机组的流量调节特性、阀门开启的顺序均会受到空行程的大小影响。在阀门重叠度优化设置中，良好的流量调节特性属于其主要目标之一，同时还需要考虑机组常运行部分负荷工况阀门节流最小。具体设计需保证各阀的最大流量和焓降能够控制在依次全开最大值内，且非依次全开下，带重叠度的阀组可实现每个依次开启。通过配置阀门重叠度，提板式调节汽阀的阀组提升力与单阀提升力存在显著区别，每个开启阀门提升力之和为阀组提升力，考虑到阀门的规格和开度不一致，且阀门开启前后压力基本一致，需分别进行提升力计算。单个提升式阀门门杆的最大提升力可围绕全关、全开两个状态进行计算，提板式阀组则需要综合考量蒸汽作用力在整个开启过程中发生的变化。

3.2 运动特性分析

油动机、弹簧箱、提升杆、杠杆支点属于调节阀杠杆系的主要构成，四部分一般需要在一个阀壳上实现集成，以此保证阀壳能够集中阀门所有的开启关闭力，内力的平衡也能够由此实现，气缸也不会受到影响，较为安全方便的装拆也能够由此实现。结合设计，提板式调阀的杠杆上需设置弹簧，以此增加平衡力，避免调阀不稳定的突跳问题出现。各阀点的油动机出力需基于支点处杠杆系的力矩平衡条件进行计算，但考虑到各阀点的弹簧力和蒸汽作用力不同，必须开展逐点计算。对于本文研究的提板式阀门来说，其杠杆连接点较多，因此具体设计需充分考虑杠杆的定位、导向及稳定。如杠杆上各存在一个油动机连接点与弹簧箱连接点，各两个弹簧箱连接点与阀门提升点，即可得到较好的平衡性和刚性。考虑到杠杆本身较为粗重，且阀门与杠杆间存在不确定的差胀，杠杆设置限位和导向需考虑二者间存在的大量连接点和相互制约关系，以此保证杠杆能够在垂直方向与水平方向上的自由转动、自由膨胀。由于无需采用主汽门冲转，提板式调节阀机组的控制需始终应用调节阀，且无需考虑主汽阀的冲转。

关闭调节汽阀属于主汽阀的开启前提，阀碟前后压力平衡需通过主汽阀内置小阀实现，油动机与主汽阀需采用直连连接，连接座需设置于阀盖外侧，并保证其能够灵活匹配阀盖接口与油动机座接口，并实现高温阀体与油动机的隔开。为保证接口的抗冲击能力，采用对夹法兰连接油动机轴与阀杆。

4 结束语

综上所述，工业汽轮机中压阀门一体化设计存在较高现实意义，在此基础上，本文涉及的流量特性分析、运动特性分析等内容，则提供了可行性较高的设计路径。为更好满足工业汽轮机发展需要，常规高压进汽参数下的适应性同样需要得到重视。

参考文献：

[1]王志杰，陈厚涛，唐桢淇.基于运行数据的汽轮机阀门流量特性参数优化[J].广东电力，2019，32（03）：32-36.

[2]韩飙.汽轮机阀门流量升程曲线的研究进展介绍[J].热力透平，2019，48（01）：30-32+46.

[3]唐丽丽，张晓东，侯明军.超超临界二次再热660MW汽轮机的总体设计[J].东方汽轮机，2016（01）：7-14.