660 MW超临界机组液压控制阀的内漏与热经济性分析

曹 侬

(上海电气电站集团工程公司，上海 201199)

超临界机组的液压控制阀的内漏问题严重影响发电机组的经济和安全运行。目前，电厂运行中液压控制阀的内漏原因主要归结于蒸汽对阀芯和阀座结合面的侵蚀和阀杆的紧力不足[1-5]。但仍有一些问题尚未解决，例如，在哪种工况下阀门更易受到侵蚀，哪一种阀门受到侵蚀的时间更长。另外，在处理内漏的方案上，以往的研究提出改用预启阀结构的阀芯，或在阀门进口加装滤网，或改造阀芯和阀座的组合形式等[6-7]，但这些方法从经济和实用性上并不适用于所有的液压控制阀。

根据6台机组液压控制阀的运行实践，本文对影响阀门内漏的相关因素进行比较分析，并据此给出有针对性地避免内漏的操作建议。还对高、低压旁路减压阀和361阀的内漏进行了热经济性评价，以定量计算来说明各液压控制阀的内漏对机组的经济运行影响。

1 液压控制阀比较

每台超临界机组配置的液压控制阀有BE125A型的361阀、HBSE280-200-2型高压旁路减压阀和NBSE60-600-1GZ100型低压旁路减压阀3种。具体布置分别见图1和图2。

图2 机组高、低压旁路系统图

如图1所示，当分离器水质不合格时，由361B阀控制冲洗排放至疏水扩容器最终排至废水处理池。而当分离器水质合格时，用361A阀直排至凝汽器，以回收全部工质。

图1 锅炉启动疏水阀(361阀)

如图2所示，高压旁路减压阀(BP1和BP2)和低压旁路减压阀(LBP1和LBP2)采用两级串联式旁路布置。在高压旁路减温控制阀(BPE1和BPE2)和低压旁路减温控制阀(LPBE1和LPBE2)前均有4个电动隔绝阀(BD1、BD2与LBPD1、LBPD2)。高压旁路减温水来自于给水泵出口，低压旁路减温水来自于凝结水泵出口。

1.1 设计比较

表1列举了各阀门的设计参数和规格等。各阀的阀芯和阀座的材料都是X20CrMoV11-1马氏体耐高温不锈钢。361阀内介质是水汽两相流，且水占大部分。阀罩钻孔有防气蚀、低噪声、减振等作用。低压旁路减压阀内的阀罩孔是腰孔形，即截面两端为半圆形(直径为36 mm)，中间是长方形(36 mm×204 mm)。阀罩尺寸从大到小的排序是低压旁路减压阀、361阀和高压旁路减压阀。阀杆的尺寸从大到小的排序是361阀、低压旁路减压阀和高压旁路减压阀。361阀的阀芯与阀座的接合面以面密封形式结合，此结合最为严密。

表1 本工程用液压控制阀的阀内设计数据比较

1.2 运行工况的比较

运行中，各液压控制阀的工况不同，表2列举了各阀相关参数。运行中汽温汽压从高到低的排序为高压旁路减压阀、低压旁路减压阀和361阀。

表2 各液压控制阀的运行情况

高、低旁路减压阀在并网后就立即关闭，而361阀则在并网后带负荷至35%左右，分离器内无水呈干态时才会关闭。另外，高压旁路减压阀最小开度设定为5%。

2 液压控制阀内漏的分析与建议

2.1 内漏原因分析

根据阀后在不投用减温水时，介质温度是否高于设计运行温度来判断阀门内漏情况，若温度升高，则有内漏。本工程6台机组中，共有12个高压旁路减压阀和3个361阀出现内漏，而低压旁路减压阀则未有内漏。

a.密封面侵蚀

表1中高压旁路减压阀的阀笼尺寸最小，说明在阀前压力相同的工况下，蒸汽经阀笼后进入阀内的流速最高，对阀芯和阀座的侵蚀和磨损会更大。

对于超临界机组的锅炉，因为高温受热面的用材，如P91, TP47H(奥氏体不锈钢)，在高温高压的过热蒸汽作用下会在受热面的表面产生氧化皮[8-12]，并会随着蒸汽携带而移动，一旦经过阀门就会对阀门的阀芯和阀座造成侵蚀。实践表明：携带氧化皮颗粒的蒸汽比纯蒸汽的侵蚀要严重得多[13]。在机组的启/停、超温、减温喷水等都会因这种冷热变化的扰动，带出大量的氧化皮。

由表2可知，高压旁路减压阀最小开度限位较小，若最小开度小于10%[14]则会增加蒸汽对阀内的侵蚀。高压旁路减压阀和低压旁路减压阀都有受蒸汽颗粒侵蚀的危险，高压旁路减压阀内漏隐患最大，其次为低压旁路减压阀。而361阀阀前压力虽高，但因温度较低，介质是水/汽两相流，且大部分为水，所以侵蚀力最小。

b.压紧力不足

表1中高压旁路减压阀的阀杆尺寸最小，所以加载强度最弱。在本工程某台机组的高压旁路减压阀的液压油站上进行在线液压加载试验，将压力从16.0 MPa 依次增加0.5 MPa直到17.5 MPa,最终设置在17.0 MPa。结果表明：低负荷时阀门不漏，而高负荷至450 MW以上时，阀门出现内漏。但将高压旁路减压阀改造成用预启阀结构式的阀芯后，可以有效避免阀门内漏。

c.密封件受损

液压控制阀都有3处密封件：阀杆与阀杆密封组件间、阀芯与笼罩密封组件间和阀芯与阀座间密封组件间。这3处的密封件如破损、不密封或移位，都会引起阀门内漏。

原设计阀芯密封面有一凸面，对应的阀座有一凹面，而实际接触密封的只有一条“线”，故阀芯与阀座的密封为线密封。在某台机组上将高压旁路减压阀的一侧阀由原设计的线密封形式改造为阀芯的凹面对应阀座凸面的线密封形式，而另一侧仅做了常规研磨和堆焊处理。两者对比结果是：满负荷运行18天后，改造过的一侧阀后温度为406 ℃，而另一侧为440 ℃(都未投减温水)。

出现内漏的3个361阀都是在机组商业运行初期发生的，且经过常规处理后，再未有内漏发生。说明361阀的内漏主要是系统的杂质冲刷引起的，可以通过在启动时大流量冲洗来避免此类情况的发生。

低压旁路减压阀始终未有内漏，主要原因是它和高压旁路减压阀有联动逻辑关系且其开度较大。系统冲洗充分干净。因此，低压旁路减压阀在机组运行中少有发生内漏。

2.2 运行与维护的建议

a.运行建议

阀门在初期投运时，要保持大流量的冲洗以消除系统中的垃圾和杂质。特别是对高压旁路减压阀的最小开度设定应大于10%，而低压旁路减压阀在开逻辑上需保证设计要求。

机组负荷的升和降应严格控制升、降温率<2 ℃/min,严禁超温或超压运行。

b.检修建议

要加强对阀门密封件质量的管控，特别是在维修中的处理，对工艺流程与加工精度都要严格把关。阀内笼罩应采用具有迷宫式的笼罩，其因有多级降压的作用，可大幅减小气流的侵蚀速度。阀门的密封面宜采用面密封形式。阀芯应采用预启阀结构形式。在阀芯与阀座的结合部位用阀芯为凹面，阀座为凸面的密封[15]形式也有利于缓解蒸汽的侵蚀。

3 等效焓降法的计算

根据等效焓降理论及相关文献参考[16-19]，对本机组在TMCR工况下热力系统的热效率进行计算，并对液压阀的内漏进行热经济性分析。

3.1 机组的主要参数

表3和表4为N660-24.2/566/566型机组主要参数及计算。

表3 各液压控制阀的运行情况

表4 1-8号加热器抽汽焓、给水焓、疏水焓值

主汽焓为3396 kJ/kg,再热器吸热量σ=589.8 kJ/kg，给水泵增压焓为40.8 kJ/kg。汽机排汽焓为2431 kJ/kg，凝汽器饱和水焓为192.2 kJ/kg，汽泵排汽焓为2506.9 kJ/kg。

根据焓熵图并计算可得到其他焓降值：汽泵焓降为1478.9 kJ/kg；门杆漏气焓降为589.8 kJ/kg；轴封汽高、中、低压缸处焓降分别为983.4 kJ/kg、787.8 kJ/kg和1269.6 kJ/kg。

由此又可计算出：单位新蒸汽(如1 kg)等效焓降值为1247.255 kJ；单位新蒸汽的膨胀内功为1256.729 kJ；单位循环吸热量为2657.033 kJ。

4 液压控制阀泄漏的经济损失计算

4.1 机组的主要参数

液压控制阀在TMCR工况下的参数计算见表5。

表5 各液压控制阀的运行情况 kJ/kg

4.2 液压控制阀内漏做功损失与吸热损失计算

在机组满负荷时，361阀的内漏会排至凝汽器

热井，则工质水可以全部回收，但热量全部损失。高压旁路减压阀泄漏的蒸汽旁路进高压缸未做功而流入到再热冷段，吸收再热器的加热量后再回到中压缸做功。高压旁路减温水阀内漏水不经各级高压加热器直接由给水泵出口进入再热器冷段。低压旁路减压阀内漏蒸汽没有进低压缸做功而直排凝汽器，损失了热量，回收了工质蒸汽。低压减温水阀内漏则是凝泵出口水再回到凝汽器。表6为各阀在泄漏量1%时的做功与吸热损失计算。

表6 做功与吸热损失计算 kJ

4.3 液压控制阀内漏时的热效率变化计算

通过对液压控制阀内漏后的做功与吸热损失的计算，表7是每泄漏1%的流量机组的热效率变化情况。

表7 做功与吸热损失计算

由表7可知，出理负值表明内漏对机组的效率是降低，361阀的影响最大，达到约1.87%；其次为低压旁路阀为0.96%；最后是高压旁路阀为0.18%。如以高压旁路减压阀阀泄漏的影响为1，则低旁减压阀的内漏则在5倍以上，361阀则为10倍以上。另外还发现，仅低压旁路减温阀内漏1%时，对机组的热经济性影响很小。

5 结束语

在保证安装和密封件质量的前提下，液压控制阀内漏的主要原因是阀门内蒸汽携带颗粒的高流速对阀芯与阀座间结合面的侵蚀。并且，高压旁路减压阀内漏具有长期性，内漏隐患最大，低压旁路减压阀次之，而361阀内漏多出现在机组运行前期。仅在高压旁路减压阀上将阀芯改为预启阀的形式是可取的。最小开度限定对高、低压旁路减压阀来说非常有用。

在机组TMCR工况下，假设液压控制阀有1%的泄漏量时，经计算：361阀对机组的热经济性影响最大，其次是低压旁路减压阀，高压旁路减压阀最小。

建议运行人员应控制汽温汽压在额定范围内运行，检修人员应做好液压控制阀内密封件管理工作，以减少机组运行的经济损失。