谷 伟

（天津大港发电厂）

0 引言

汽轮机“二十五项反事故措施”中对高温高压汽轮机组蒸汽阀门快关时间有严格的规定和要求，蒸汽阀门快关时间超标将严重影响机组的安全稳定运行，尤其是机组在非正常停机的工况下易造成机组超速。我厂4号机组在2016年度进行通流改造前试验时发现高压主汽门和中压主汽门的快关时间超标（见表1）。

表 1

从表 1中可以看出蒸汽阀门快关时间由延迟时间和纯快关时间两部分组成的。只有缩短延迟时间和纯快关时间以达到总快关时间小于300ms的要求。

1 高压主汽门

高压主汽门执行机构操纵座为单只弹簧结构，弹簧解体后测量弹簧几何尺寸数据如下：

钢丝直径d=φ 52mm，中径D=φ 400mm，右旋；自由高度Lz=655mm，弹簧总圈数Nz=5.5，弹簧有效圈数No=4，弹簧材料50CrVA。

根据以上弹簧有关数据计算该弹簧的理论刚度：

式中，P理为弹簧理论刚度，kgf/mm；d为弹簧钢丝直径，mm；D为弹簧中径，mm；No为弹簧的有效圈数。

经计算该弹簧的理论刚度为：28.6kgf/mm。

将该弹簧送至天津大学力学研究所试验，实测弹簧刚度为：P=29.8kgf/mm。误差在5%以内，弹簧受力情况可按测试刚度进行计算。

高主弹簧预压缩行程30mm，预紧力：F预=P×L=29.8kgf/mm×30mm=894kgf。

高主油动机行程179mm，工作压缩总行程179+30=209mm。

对应工作紧力：F总=P×L总=29.8kgf/mm×209=6228kgf。

工作紧力下剪切应力：

中压主汽门执行机构操纵座为双只组合弹簧结构，弹簧解体后测量弹簧几何尺寸数据如下。

（1）大弹簧数据

钢丝直径d=φ 58mm，中径D=φ 497mm，右旋；自由高度Lz=515mm，弹簧总圈数Nz=4.5。弹簧有效圈数No=3.0，弹簧材料：50CrVA。

根据以上弹簧有关数据计算该弹簧的理论刚度：

式中，P理为弹簧理论刚度，kgf/mm；d为弹簧钢丝直径，mm；D为弹簧中径，mm；n为弹簧的有效圈数。

经计算该弹簧的理论刚度为：30.7kgf/mm。

将该弹簧送至天津大学力学研究所试验，实测弹簧刚度为：P=30.9kgf/mm。误差在1%以内，弹簧受力情况可按测试刚度进行计算。

中主大弹簧预压缩行程30mm，预紧力：F预=P×L=30.9kgf/mm×30mm=927kgf。

中主油动机行程160mm，工作压缩总行程160+30=190mm。

对应工作紧力：F总=P×L总=30.7kgf/mm×190=5871kgf。

工作紧力下剪切应力：

工作紧力下剪切应力T剪=47.8kgf/mm2。

（2）小弹簧数据

钢丝直径 d=45mm，中径 D=φ 370mm，左旋；自由高度Lz=511mm，弹簧总圈数Nz=5.5圈，弹簧有效圈数No=4.0，弹簧材料50CrVA。

式中，P理为弹簧理论刚度，kgf/mm；d为弹簧钢丝直径，mm；D为弹簧中径，mm；No为弹簧的有效圈数。

经计算该弹簧的理论刚度为：20.3kgf/mm。

将该弹簧送至天津大学力学研究所试验，实测弹簧刚度为：P=21kgf/mm。误差在1%以内，弹簧受力情况可按测试刚度进行计算。

中主小弹簧预压缩行程30mm，预紧力：F预=P×L=30.9kgf/mm×30mm=927kgf。

中主油动机行程160mm，工作压缩总行程160+30=190mm。

对应工作紧力：F总=P×L总=21kgf/mm×190=3990kgf。

工作紧力下剪切应力：

工作紧力下剪切应力T剪=51.6kgf/mm2。

（3）中主组合弹簧预紧力

927+630=1557kgf

工作紧力合计：5871+3990=9861kgf。

2 快关时间分析

从快关测试报告看，4号机组高主和中主油动机快关时间均不达标。快关时间指的是由遮断信号发出起始到油动机关闭为止的时间，快关时间包含滞后时间（电气延时）和油动机纯快关时间，滞后时间由热工电气部分决定，纯快关时间由以下三方面因素决定：弹簧的刚度和紧力；油缸的缸径和行程；油动机的排油通道。

高主油动机和中主油动机均为推缸型式，缸径均为φ 180mm，活塞杆直径d= φ 90mm，高主行程179mm，中主行程 160mm，卸载阀均为大通径盘式卸载阀，排油通道相同。

从测试试验报告来比较高主和中主油动机的纯快关时间，分析影响快关的主要因素可得出以下结论：

1）高主和中主缸径相同，行程相当，高主为单弹簧操纵座，预紧力和工作紧力均比使用双弹簧的中主要小，因此高主纯快关时间为180ms，而中主仅为130ms，可见加大弹簧紧力是可以加快油动机快关速度的。

2）加大操纵座紧力可以在操作座上加垫块来实现，但必须满足两个条件：弹簧不并圈、剪应力不超限。

3 方案

1）高主弹簧加垫厚度30mm，紧力增加900kgf。

弹簧工作紧力压缩量达：239mm，弹簧并圈压缩量为 369mm，可见不会并圈。加垫后工作紧力（阀门全开状态）下的剪应力T=64.6kgf/mm2。剪切应力没有超过75kgf/mm2的设计准则，加垫增加紧力提高快关速度是可行的。应力水平不超限。

2）中主弹簧加垫厚度 20mm：两根弹簧增加紧1030kgf，弹簧工作紧力压缩量达220mm，弹簧并圈压缩量为318mm，可见不会并圈。加垫后大小弹簧工作紧力（阀门全开状态）下的剪应力T=57.6kgf/mm2。剪切应力没有超过75kgf/mm2的设计准则；加垫增加紧力提高快关速度是可行的，应力水平不超限。

3）EH系统压力为11.2MPa，高主、中主油缸缸径为180mm，油缸出力29t，加垫每个操纵座增加力大约为1t，相对油缸29t的出力大约为3%，油动机提升力足够满足要求。

4）在油动机排油腔增加低压蓄能器：由于高主和中主油动机均为推缸，油动机快关时无杆腔的油通过卸荷阀一部分回到有杆腔，多余部分通过回油管回油箱，由于回油管管道冗长，造成油动机快关排油背压偏高也会影响油动机的快关速度，工程上一般采用在邻近卸荷阀排油口增加低压蓄能器的方式来降低排油背压，加快油动机的关闭速度；经计算在4号机组高主、中主每个油动机卸荷阀出口增加一个 1.6L的低压蓄能器。

4 结束语

通过以上改造4号机组的快关测试表明，快关时间符合要求，达到了改造的目的。表2为改造后的测试数据（2016.05.31）。

表 2

[1] 机械设计手册编委会.机械设计手册：第 2卷[M]. 3版.北京： 机械工业出版社, 2004.

[2] 李小龙, 张彦勇, 冯鹤, 等. 高压输电线路对接地阻抗测试结果的影响试验[J]. 电工文摘, 2016(5)： 9-13.

[3] 蔡健, 董啸, 钟智. 高压输电线路安全监测系统设计与通信技术研究[J]. 电工文摘, 2015(6)： 18-19, 25.