電站閥門面臨的問題及對策探討 
 
　　華北電力大學(xué)（河北保定071003）

摘　要：閥門是電站系統(tǒng)中不可缺少的流體控制設(shè)備，在電站事故和經(jīng)濟(jì)損失中，有相當(dāng)部分是由閥門工作故障引發(fā)的，為此介紹了電站閥門面臨的技術(shù)問題，并對解決這些問題的方法進(jìn)行了探討，提出了切實可行的方案。

  　在各類管網(wǎng)系統(tǒng)中，閥門有“咽喉”之稱。由于閥門性能和質(zhì)量問題造成的泄漏、停產(chǎn)、重大事故，給工業(yè)生產(chǎn)的正常運(yùn)行、人身**、財產(chǎn)等帶來了不可估量的損失（如震驚世界的美國三里島核電站事故）。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，每年世界上引起的重大生產(chǎn)事故，其中1／3是由于閥門質(zhì)量事故所造成的。具體到電力行業(yè)，由于閥門不能正常工作帶來的經(jīng)濟(jì)損失也是相當(dāng)可觀的。電站閥門是與電站主輔機(jī)設(shè)備和系統(tǒng)緊密關(guān)聯(lián)、相互依存，而又不能為通用閥門所取代的特殊閥門。在由鍋爐和汽機(jī)等設(shè)備組成的熱力、供水等管網(wǎng)系統(tǒng)中，各種閥門分別分布在主蒸汽系統(tǒng)、給水系統(tǒng)及旁路系統(tǒng)中。
　　面向電站用的閥門在生產(chǎn)和設(shè)計中歷來存在較大難度，制造上，電站閥門具有批量小、規(guī)格型式多、制造難度大等特點(diǎn)。由于大量的閥門工作在惡劣的工況下（如電站中的高溫高壓閥、核電站中某些閥門控制放射性流體），對閥門材料要求嚴(yán)格。發(fā)電廠的統(tǒng)計表明，發(fā)電廠失效的閥門主要是汽輪機(jī)前端的主蒸汽閥門及旁路系統(tǒng)閥門，這是由這些位置的工況決定的。

1　對閥門進(jìn)行研究的必要性
　　60年代之前，對閥門的研究并未引起人們足夠的重視，直到美國發(fā)生了三里島核電站事故后，才漸漸被政府及研究人員所重視。目前，隨著電網(wǎng)和發(fā)電廠的不斷改造，閥門方面面臨的問題也被提上了議事日程，分析其原因有三個方面：
　　（1）工況的變化：近幾年，在國內(nèi)外新建的電廠中，采用了超臨界機(jī)組等新技術(shù)，隨著大機(jī)組參與調(diào)峰和超超臨界機(jī)組投產(chǎn)運(yùn)行，使得閥門的運(yùn)行工況更加惡劣。在日本，原超臨界汽輪機(jī)的蒸汽參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)為24．2mpa、538／566℃，現(xiàn)在已經(jīng)提高到超超臨界的31．1mpa、593℃，溫度還將進(jìn)一步提高到600／610℃［3］。由此可見，高參數(shù)的工況對閥門的各方面性能提出了更高的要求。
　　（2）經(jīng)濟(jì)性方面：作為電站輔機(jī)的一個重要組成部分，一般情況下，一臺機(jī)組的配套閥門約幾千只，如果是超臨界機(jī)組大約有1／10的閥門是工作在超臨界狀態(tài)。數(shù)量眾多的閥門產(chǎn)生的能量損失是可觀的。能量損失主要有泄漏和由于閥門節(jié)流特性產(chǎn)生的損耗2種。當(dāng)前開展的多項研究都是圍繞生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性以減小能量損耗為目標(biāo)進(jìn)行的。對于泄漏問題可通過加強(qiáng)泄漏的監(jiān)測、提高閥芯控制精度或改變密封結(jié)構(gòu)、研制新型的密封材料等手段解決；至于節(jié)流特性造成的損失，要通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)解決。
　　（3）面臨的問題多，對閥門失效機(jī)理開展的研究較少：從閥門的應(yīng)用中可以看出閥門面臨的問題具有多面性（閥門的強(qiáng)度、密封性、壽命、控制系統(tǒng)的可靠性不能滿足要求以及閥門工作時產(chǎn)生的振動對機(jī)組具有耦合效應(yīng)等）。多年來由于存在重主機(jī)，輕輔機(jī)的觀念，對閥門開展的研究沒有放到重要的位置上來。國內(nèi)有多家研究機(jī)構(gòu)開展這方面的研究，取得了不小的進(jìn)步，但與國外先進(jìn)技術(shù)相比仍存在較大的差距。

2　電站閥門面臨的技術(shù)問題
　　衡量閥門質(zhì)量有以下幾個指標(biāo)：密封可靠性、動作響應(yīng)能力、強(qiáng)度、剛度及壽命等，將閥門作為整個熱力設(shè)備系統(tǒng)中的基本單元考慮，又存在流固耦合振動和振動控制的要求。要保證這些指標(biāo)，首先需要解決如下幾個主要問題。
2．1　控制（決定閥門動作的可靠性）
　　主汽閥和再熱汽閥的控制系統(tǒng)故障是汽輪機(jī)五大事故之一，主要表現(xiàn)在閥門開度與設(shè)計不符，包括傳動機(jī)構(gòu)失靈、行程超前、滯后，這些影響到閥門的強(qiáng)度和振動。閥門的開度控制直接影響到汽機(jī)的工作狀況，因此受到高度重視，已成為研究的核心問題之一。
　　近年來，在研究閥門的可靠性方面，智能型閥門是研究的主攻方向，智能型閥門具有自行判斷工況，并實時地進(jìn)行自我調(diào)節(jié)的功能。智能型閥門中的關(guān)鍵部件是數(shù)字定位器，數(shù)字定位器用微處理器使閥門的執(zhí)行器準(zhǔn)確定位，監(jiān)視和記錄閥門的有關(guān)數(shù)據(jù)。
2．2　強(qiáng)度（應(yīng)滿足壽命、剛性要求）
　　機(jī)組的頻繁啟動對閥門強(qiáng)度及閥門使用壽命的影響尤為突出，特別是用調(diào)節(jié)閥調(diào)速的汽輪機(jī)，以往研究的重點(diǎn)放在閥門的控制問題上，現(xiàn)在看來強(qiáng)度問題也不容忽視。《powerengineering》雜志副主編carolanngiovando撰寫文章強(qiáng)調(diào)科研工作者不應(yīng)把全部的注意力都集中在控制問題上，應(yīng)注意加強(qiáng)對閥門強(qiáng)度、壽命、密封性的研究，因為它們是閥門工作*基本的條件。
　　（1）由于機(jī)組的頻繁啟動，原來的主汽閥有可能不能滿足新的運(yùn)行要求。因為一般的主蒸汽閥門是按基本負(fù)荷設(shè)計的，設(shè)計過程中只按靜壓、溫度、蠕變考核其強(qiáng)度，不存在低周疲勞壽命問題。現(xiàn)在工況變化了，原設(shè)計就不一定滿足要求。為此，設(shè)計過程中有必要考慮低周疲勞壽命設(shè)計，使設(shè)計工況與運(yùn)行工況相一致，以達(dá)到延長壽命的目的。
　　（2）由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)行程控制的不準(zhǔn)確性，閥芯對閥座產(chǎn)生沖擊載荷。有電廠曾經(jīng)出現(xiàn)過閥座碎裂，裂塊被沖進(jìn)汽機(jī)，造成汽輪機(jī)出力急劇下降，轉(zhuǎn)子嚴(yán)重受損的故障。
　　另外，對于高壓閥門等，還有氣蝕現(xiàn)象、閥體的原始鑄造缺陷、閥體出現(xiàn)裂紋后的壽命分析與預(yù)測等課題都值得進(jìn)一步研究。
2．3　振動
　　閥門開度變化、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動態(tài)性能不佳和閥體存在泄漏都是產(chǎn)生振動的原因，振動對閥門本身傷害很小，但對整個機(jī)組影響很大，表現(xiàn)在產(chǎn)生低頻振蕩。
　　機(jī)組的低頻振蕩分為兩種：一種是油膜振蕩，這是機(jī)組在升速或空載運(yùn)行中，由支撐軸承的油膜產(chǎn)生的；另一種是蒸汽振蕩，它比油膜振蕩復(fù)雜，在蒸汽激振力作用下振動，常在機(jī)組帶負(fù)荷后發(fā)生。閥門開度變化和泄漏是產(chǎn)生蒸汽振蕩的重要原因。有資料表明，美國和德國都發(fā)生過蒸汽振蕩毀機(jī)事故，我國也發(fā)生過50mw和200mw汽輪機(jī)的毀機(jī)事故，由于當(dāng)時缺少實時的數(shù)據(jù)記錄，所以故障原因不能確定，但懷疑與兩種低頻振蕩有關(guān)。由此可見，消除和減小蒸汽振蕩非常重要，這要依賴于對閥門開度變化和對由泄漏所產(chǎn)生的激振力做系統(tǒng)的研究。通過合理的設(shè)計閥門開閉行程，可以減小蒸汽振蕩的幾率。
2．4　泄漏（內(nèi)漏和外漏）
　　（1）泄漏不僅是產(chǎn)生振動的原因，而且外漏還會造成污染，內(nèi)漏還會造成能量損失。解決泄漏問題，在一定程度上可以避免系統(tǒng)發(fā)生振動，同時也可延長設(shè)備的壽命，提高效率。
　　（2）超臨界機(jī)組的高壓閥門壽命有時很短，啟動幾次就要更換填料。研究新的密封填料或設(shè)計新的有效密封形式，對于延長這類高壓閥門的壽命，提高運(yùn)行可靠性是必須的。
　　目前，閥門的成套水平不斷提高，只有很好地解決以上幾個問題，才能保證閥門的綜合性能和較好的整體質(zhì)量。

3　對策探討
　　國內(nèi)外技術(shù)工作者為解決以上的難題開展了大量的研究工作，提出了面向操作和維修的指導(dǎo)思想。從根本上說其目的在于：節(jié)約能源、簡化維修、**操作、提高閥門工作的可靠性。
3．1　開展控制、振動、強(qiáng)度等問題的相關(guān)性研究　

 　從上面提到的問題不難看出閥門的控制、振動及強(qiáng)度具有較強(qiáng)的相關(guān)性，由于這些因素的共同作用，決定了發(fā)電廠閥門面臨問題的復(fù)雜性。因此，在開展強(qiáng)度、振動、泄漏等問題單向研究的同時，開展各問題之間的相關(guān)性研究課題具有特殊的意義，有利于了解產(chǎn)生問題的本質(zhì)和機(jī)理。**的研究應(yīng)包括多工況共同作用下的靜力、耐磨、抗震防火、全天候、熱態(tài)、動態(tài)、穩(wěn)定性等分析。
3．2　對重要閥門進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測
　　在線監(jiān)測技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個行業(yè)，但對閥門實行狀態(tài)監(jiān)測還處于較低的水平，在線監(jiān)測不僅可以獲得閥門工作的實時數(shù)據(jù)而且也是減少維修費(fèi)用和改善操作性能的*佳手段，同時適應(yīng)了閥門業(yè)發(fā)展的需要，以實現(xiàn)與國外先進(jìn)技術(shù)的接軌。國外越來越多的閥門制造廠把他們的注意力放在控制系統(tǒng)的改進(jìn)和實時的故障診斷上，并且獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。美國田納西州的一個發(fā)電廠應(yīng)用智能型閥門，每年減少了60％的維修工作量及10萬美元的維修費(fèi)用；底特律的愛迪遜公司開發(fā)了一套閥門監(jiān)測系統(tǒng)，估計每年可以為發(fā)電廠減少15％～20％的維修費(fèi)用［1］。
　　在國內(nèi)，狀態(tài)監(jiān)測的研究更少，主要困難在于：（1）監(jiān)測需要的關(guān)鍵信號無法直接求得，或取得的信號不能反映真實情況，例如閥門內(nèi)壓力信號的獲得，通常可以取得進(jìn)口壓力和出口壓力，但在閥門內(nèi)部由于節(jié)流特性的影響，壓力分布非常復(fù)雜，很難得到其真實的分布規(guī)律；（2）涉及的技術(shù)面廣，其中包括聲學(xué)、數(shù)控技術(shù)、通訊技術(shù)等，完全解決問題需要多學(xué)科的聯(lián)合工作；（3）未引起足夠的重視。
4　結(jié)束語　　綜上所述，現(xiàn)在發(fā)電廠使用的閥門是一類涉及機(jī)械、電子、控制、振動及材料科學(xué)等多個學(xué)科的機(jī)電產(chǎn)品，在使用過程中還面臨不少的難題，解決面臨的難題具有一定的難度。展望未來，通過科學(xué)工作者的不斷努力，隨著新技術(shù)特別是數(shù)字技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，以及多學(xué)科聯(lián)合攻關(guān)的協(xié)作研究，人們將找到更多的辦法以解決發(fā)電廠閥門面臨的難題，提高系統(tǒng)工作的可靠性及運(yùn)行效率，增加企業(yè)的生存力。