汽轮机联合阀门及其设计方法与流程

1.本发明涉及汽轮机技术领域，特别是涉及一种汽轮机联合阀门及其设计方法。


背景技术：

2.工业背压汽轮机广泛应用于石油、化工、造纸、钢铁等流程工业，可以充分利用系统内部蒸汽实现热电联供。该类汽轮发电机组功率小，一般工业厂房内需要建立多台机组。多台汽轮发电机组往往采用并联形式连接，如图1示，汽轮发电机组31进汽来自供汽母管32，汽轮发电机组31排汽至连供热联箱33。经锅炉34加热的蒸汽进入到供汽母管32，之后经供汽母管32进入到汽轮发电机组31中实现膨胀做功。排汽接入到热网35，实现供热需求。该类机组启动过程复杂，受制于前后蒸汽的状态。如果锅炉和汽轮机一起启动，则汽轮发电机组前端蒸汽参数随锅炉参数上升而上升，机组采用滑参数启动方式较宜。如果机组启动前，前端锅炉早已稳定运行，汽轮发电机组采用定参数启动方式较好。滑参数启动方法与常规电厂机组启动方式相同，调节汽门的控制是关键。在定参数启动过程中，供汽母管中的蒸汽参数和供热联箱中的蒸汽参数都是稳定的。为实现定参数启动，机组一般需要经过热网35背压倒灌至汽轮机31中进行预暖，之后主汽门、调节汽门逐步开启以实现冲转、带初负荷，热网背压切换及带额定负荷。通常汽轮机配置中，主汽门为全开型结构，调节汽门为调节控制型。然而，由于机组功率小、转子轻，用于控制蒸汽流量的主汽门及调节汽门的控制精度较低，定参数启动时主汽门前蒸汽参数高等原因，使得启动过程难以实现稳转速及稳负荷，这给背压机组的安全启动及并网带负荷安全运行带来较大隐患。
3.具体地，在传统定参数启动过程中，会采用主汽门全开，利用调节汽门控制蒸汽流量以实现汽轮机升转速及负荷。在定参数启动过程中，汽轮机门前蒸汽参数高，焓值容量高、能量大，调节汽门具有漏汽量大、且存在阀门初行程(0～4mm)控制不准的特性，如图4所示，(此过程为初始非线性过程，控制不准，需要快速跨过，号称阀门死区行程；在阀门流量-升程曲线的最初非线性区域)，且工业透平汽轮机转子重量轻，转动惯量小。基于上述特性，在定参数启动过程中，如果主汽门全开，采用调节汽门控制蒸汽流量，则会出现下述情况：1)漏汽使得转子转速迅速上升；2)调节汽门阀位初行程过程中，其控制精度低，控制不住。基于pid反馈，调节阀门的阀杆会来来回回摆动，无法稳定在一个位置。如果此时迅速拉升调节汽门的阀杆到调节汽门死区位置之外，则调节汽门进汽量短时间内过大，使得转子转速及负荷飞升。综上，导致汽轮机在定参数启动过程中，无法实现稳转速及稳负荷，使得汽轮机在定参数启动过程中运行稳定性较差，且容易带来安全隐患。


技术实现要素：

4.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种有效提高汽轮机运行稳定性的汽轮机联合阀门。
5.为实现上述目的，本发明提供一种汽轮机联合阀门，包括主汽门和调节汽门，所述主汽门包括具有主汽门进汽口和主汽门出汽口的第一阀壳、及设置在第一阀壳中的预启
阀，所述预启阀包括安装在第一阀壳中的阀碟、及安装在阀碟中的第一阀杆，所述阀碟上设有与主汽门进汽口相通的阀碟进汽口和与主汽门出汽口相通的阀碟出汽口，所述第一阀杆能沿靠近和远离阀碟出汽口方向移动，所述阀碟能沿靠近和远离主汽门出汽口方向移动，所述调节汽门包括具有调节进汽口和调节出汽口的第二阀壳、及安装在第二阀壳中的第二阀杆，所述第二阀杆能沿靠近和远离调节出汽口方向移动，所述调节进汽口与主汽门出汽口相连通，所述阀碟出汽口的喉部口径为φc，所述调节出汽口的喉部口径为φf，φc＜φf，且所述预启阀的最大蒸汽通流量q2大于或等于调节汽门的死区通流量q1。
6.进一步地，所述阀碟出汽口的侧壁上设有第一密封部，所述第一阀杆的头部设有第一密封面，所述第一密封面用于与第一密封部相配合，所述第一密封面呈锥形。
7.进一步地，所述第一密封面的锥角为θ，10
°
≤θ≤20
°
。
8.进一步地，所述调节出汽口的侧壁上设有第三密封部，所述第二阀杆的头部设有第三密封面，所述第三密封面用于与第三密封部相配合，所述第三密封面呈锥形。
9.进一步地，所述第三密封面的锥角为γ，10
°
≤γ≤20
°
。
10.进一步地，所述阀碟上设有多个沿周向间隔分布的所述阀碟进汽口。
11.如上所述，本发明涉及的汽轮机联合阀门，具有以下有益效果：
12.本汽轮机联合阀门的工作原理为：阀碟出汽口的喉部口径φc小于调节出汽口的喉部口径φf，使得预启阀的控制精度较调节汽门更高，这样，在汽轮机启动过程中，特别是流向转子的蒸汽流量还未超过调节汽门的死区通流量q1这个阶段，利用预启阀控制蒸汽流量，以实现该阶段对蒸汽流量的精准控制，而当蒸汽流量超过调节汽门的死区通流量q1后，进行阀切换，利用调节汽门控制蒸汽的流量，以实现该阶段对蒸汽流量的精准控制；由于预启阀的最大蒸汽通流量q2大于或等于调节汽门的死区通流量q1，且预启阀的控制精度更高，在蒸汽流量还未超过调节汽门的死区通流量q1这个阶段，利用预启阀能控制所需蒸汽流量流向转子，且能实现对蒸汽流量的更精准控制，此种方式避开了调节汽门的调节死区，提高汽轮机小流量蒸汽启动阶段运行稳定性，从而保证在整个启动过程中能对蒸汽流量进行精确控制，以保证汽轮机能实现稳转速及稳负荷运行，即保证汽轮机在启动阶段的运行稳定性更高。
13.本发明要解决的另一个技术问题在于提供一种能保证预启阀的最大蒸汽通流量不小于调节汽门的死区通流量的设计方法。
14.为实现上述目的，本发明提供一种所述汽轮机联合阀门的设计方法，包括如下步骤：
15.步骤1、确定调节汽门的死区行程h；
16.步骤2、确定行程裕量
△
，基于调节汽门的第二阀杆的行程为h
△
时，第二阀杆的头部与第二阀壳间的通流面积算出调节汽门的死区通流量q1；
17.步骤3、设计预启阀的第一阀杆在阀碟中的行程l1、阀碟进汽口的喉部口径、及阀碟进汽口的数量n，使得预启阀的最大蒸汽通流量q2大于或等于调节汽门的死区通流量q1。
18.如上所述，本发明涉及的设计方法，具有以下有益效果：
19.本设计方法基于上述步骤，先获得调节汽门的死区通流量q1，再通过设计预启阀的第一阀杆在阀碟中的行程l1、阀碟进汽口的喉部口径、及阀碟进汽口的数量n，保证预启阀的最大蒸汽通流流量q2大于或等于调节汽门的死区通流量q1；在实施背压汽轮机启动
时，小流量时采用主汽门的预启阀控制蒸汽流量；大流量时，即蒸汽流量超过调节汽门的死区通流量q1时，进行阀切换，采用调节汽门控制蒸汽流量，实现小流量及大流量蒸汽的精确衔接启动控制，进而保证汽轮机能顺利、安全启动。
附图说明
20.图1为现有技术中多台汽轮发电机组采用并联形式连接的示意图。
21.图2为本发明实施例中主汽门的结构示意图。
22.图3为本发明实施例中调节汽门的结构示意图。
23.图4为现有技术中调节汽门的流量升程曲线图。
24.元件标号说明
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主汽门
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212
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调节出汽口
[0026]
11
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第一阀壳
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213
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第三密封部
[0027]
111
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主汽门进汽口
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214
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第二主壳体
[0028]
112
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主汽门出汽口
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215
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第二阀盖
[0029]
113
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第二密封部
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216
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第二导向槽
[0030]
114
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第一主壳体
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22
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第二阀杆
[0031]
115
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第一阀盖
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221
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第三密封面
[0032]
116
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第一导向槽
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222
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第二阀杆槽
[0033]
12
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阀碟
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223
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第二阀杆通孔
[0034]
121
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阀碟进汽口
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31
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汽轮发电机组
[0035]
122
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阀碟出汽口
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32
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供汽母管
[0036]
123
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第一密封部
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33
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供热联箱
[0037]
124
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第二密封面
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34
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锅炉
[0038]
13
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第一阀杆
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35
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热网
[0039]
131
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第一密封面
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阀门
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调节汽门
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41
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阀杆
[0041]
21
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第二阀壳
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42
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密封锥面
[0042]
211
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调节进汽口
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43
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出汽口
具体实施方式
[0043]
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
[0044]
须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等用语，亦仅为便于叙述明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
[0045]
如图2和图3所示，本实施例提供一种汽轮机联合阀门，包括主汽门1和调节汽门2，主汽门1包括具有主汽门进汽口111和主汽门出汽口112的第一阀壳11、及设置在第一阀壳11中的预启阀，预启阀包括安装在第一阀壳11中的阀碟12、及安装在阀碟12中的第一阀杆13，阀碟12上设有与主汽门进汽口111相通的阀碟进汽口121和与主汽门出汽口112相通的阀碟出汽口122，第一阀杆13能沿靠近和远离阀碟出汽口122方向移动，阀碟12能沿靠近和远离主汽门出汽口112方向移动，调节汽门2包括具有调节进汽口211和调节出汽口212的第二阀壳21、及安装在第二阀壳21中的第二阀杆22，第二阀杆22能沿靠近和远离调节出汽口212方向移动，调节进汽口211与主汽门出汽口112相连通，阀碟出汽口122的喉部口径为φc，调节出汽口212的喉部口径为φf，φc＜φf，且预启阀的最大蒸汽通流量q2大于或等于调节汽门2的死区通流量q1。本汽轮机联合阀门的工作原理为：阀碟出汽口122的喉部口径φc小于调节出汽口212的喉部口径φf，使得预启阀的控制精度较调节汽门2更高，这样，在汽轮机启动过程中，特别是流向转子的蒸汽流量还未超过调节汽门2的死区通流量q1这个阶段，利用预启阀控制蒸汽流量，以实现该阶段对蒸汽流量的精准控制，而当蒸汽流量超过调节汽门2的死区通流量q1后，进行阀切换，利用调节汽门2控制蒸汽的流量，以实现该阶段对蒸汽流量的精准控制；由于预启阀的最大蒸汽通流量q2大于或等于调节汽门2的死区通流量q1，且预启阀的控制精度更高，在流向转子的蒸汽流量还未超过调节汽门2的死区通流量q1这个阶段，利用预启阀能控制所需蒸汽流量流向转子，且能实现对蒸汽流量的更精准控制，此种方式避开了调节汽门的调节死区，从而保证在整个启动过程中能对蒸汽流量进行精确控制，以保证汽轮机能实现稳转速及稳负荷运行，即保证汽轮机在启动阶段的运行稳定性更高。
[0046]
本实施例中主汽门和调节汽门均与流量调整执行机构连接，流速调整执行机构能带动主汽门和调节汽门动作，实现对主汽门和调节汽门的流量的调整。
[0047]
如图2所示，本实施例中阀碟出汽口122的侧壁上设有第一密封部123，第一阀杆13的头部设有第一密封面131，第一密封面131用于与第一密封部123相配合，第一密封面131呈锥形。由于第一密封面131呈锥形，即第一密封面131为锥面，在第一阀杆13提升过程中，第一密封面131与第一密封部123之间的流道面积将逐渐增加，实现蒸汽流量逐步增大，从而能提升预启阀对蒸汽流量的控制精度；进而保证本汽轮机联合阀门对蒸汽流量的控制精度更高，并保证汽轮机机组能安全启动、顺利并网。本实施例中第一密封面131的锥角为θ，θ一般小于45
°
，本实施例中θ优选范围为：10
°
≤θ≤20
°
。此种角度范围以保证预启阀具有更高的控制精度。
[0048]
由于调节汽门2的环面口径大，第二阀杆22与第二阀壳21的密封一般不严密，存在密封死区，启动过程中有漏汽发生。在工作透平背压机组定参数启动过程中，调节汽门2漏气显著的影响机组的定转速及稳负荷能力。为增加调节汽门2在小流量蒸汽工况下的控制能力，将第二阀杆22的头部设计为突出的舌型结构。如图3所示，本实施例中调节出汽口212的侧壁上设有第三密封部213，第二阀杆22的头部设有第三密封面221，第三密封面221用于与第三密封部213相配合，第三密封面221呈锥形，即第三密封面221为锥面，第三密封部213的表面设计为匹配的型线。在第二阀杆22提升过程中，第三密封面221与第三密封部213之间的流道面积将逐渐增加，实现蒸汽流量逐步增大，从而能提升调节汽门2对蒸汽流量的控制精度。同时，由于第三密封面221呈锥形，当第三密封面221与第三密封部213相配合时，第
三密封面221能嵌入第三密封部213中，并能与第三密封部213紧密接触，从而能有效降低调节汽门2的漏气量，进而提高汽轮机机组稳转速及稳负荷的能力。本实施例中第三密封面221的锥角为γ，γ一般小于45
°
，本实施例中γ优选范围为：10
°
≤γ≤20
°
，此种角度范围以保证调节汽门2具有更高的控制精度。在第二阀杆22提升过程中，第二阀杆22与第二阀壳21间的环形阻塞面积逐步减小，使进汽流量逐步增大，提升调节汽门2的精确调节能力。
[0049]
如图2所示，本实施例中第一阀壳11包括第一主壳体114和与第一主壳体114固定连接的第一阀盖115，所述第一主壳体114的侧壁上设有所述主汽门进汽口111和主汽门出汽口112，所述第一阀盖115上设有第一导向槽116，第一导向槽116的开口朝向主汽门出汽口112，阀碟12嵌在第一导向槽116中，第一阀杆13的头部嵌在阀碟12中，且第一阀杆13穿设在阀碟12的阀碟通孔和位于第一导向槽116的底部的第一阀盖通孔中，第一阀杆13的头部的外径大于阀碟通孔的直径，阀碟12的外径大于第一阀盖通孔的直径。在调节蒸汽流量过程中，第一阀杆13的头部将相对于阀碟12沿远离阀碟出汽口122方向移动，第一阀杆13的头部上的第一密封面131脱开与第一密封部123的接触配合，由阀碟进汽口121流入的蒸汽，将经第一密封面131与第一密封部123间的流道进入到阀碟出汽口122及主汽门出汽口112。当第一阀杆13相对于阀碟12的移动行程达到l1后，预启阀呈全开状态，第一阀杆13继续移动时将带动阀碟12沿第一导向槽116且沿远离主汽门出汽口112方向一起移动，阀碟12上的第二密封面124脱开与主汽门出汽口112侧壁上的第二密封部113的接触配合，由主汽门进汽口111流入的蒸汽经第二密封面124与第二密封部113间的流道进入主汽门出汽口112，之后蒸汽由主汽门出汽口112进入调节进汽口211，当第一阀杆13带动阀碟12移动行程达到l2时，阀碟12将与第一导向槽116的底部相抵靠，此时主汽门1呈全开状态。第一导向槽116在阀碟12移动过程中，对阀碟12起到导向作用，保证阀碟12按设定路径准确移动。
[0050]
如图3所示，本实施例中第二阀壳21包括第二主壳体214和与第二主壳体214固定连接的第二阀盖215，第二主壳体214的内壁上设有第三密封部213，第二阀盖215上设有第二导向槽216，第二导向槽216的开口朝向第三密封部213，第二阀杆22的头部嵌在第二导向槽216中，且第二阀杆22穿设在位于第二导向槽216底部的第二阀盖通孔中，第二阀杆22的头部的外径大于第二阀盖通孔的直径。在提升第二阀杆22过程中，第二阀杆22的头部上的第三密封面221脱开与第三密封部213的接触配合，由调节进汽口211流入的蒸汽通过第三密封面221与第三密封部213之间的流道到达调节出汽口212，之后蒸汽进入到汽轮机汽缸内；在此过程中，第二阀杆22的头部沿第二导向槽216移动，起到导向作用，当第二阀杆22的移动行程达到e时，第二阀杆22的头部与第二导向槽216的底部相抵靠，此时调节汽门2呈全开状态。同时，如图3所示，本实施例中第二阀杆22的头部设有第二阀杆槽222，第二阀杆槽222的开口与第二导向槽216的开口朝向一致，且第二阀杆槽222的底部设有第二阀杆通孔223，第二阀杆槽222的内腔通过第二阀杆通孔223与第二导向槽216的内腔相通。第三密封部213位于调节出汽口212处，第二阀杆槽222的开口朝向调节出汽口212。在第二阀杆22的头部沿第二导向槽216移动过程中，第二阀杆22的头部与第二导向槽216的底部之间的空间间隙逐渐变小，利用第二阀杆通孔223的通气作用，使得第二阀杆22的头部与第二导向槽216的底部之间的气体及时通过第二阀杆通孔223排放到调节汽出汽口212处，避免第二阀杆22的头部与第二导向槽216的底部之间的气体压强过高，导致第二阀杆22无法顺利沿第二导向槽216移动。
[0051]
本实施例中阀碟12上设有多个沿周向间隔分布的所述阀碟进汽口121，以增大进汽能力，避免因阀碟进汽口121的通流能力有限对预启阀的进汽造成阻塞。
[0052]
本实施例中主汽门出汽口112的喉部口径为φd，φf＜φd。另外，本实施例中阀碟出汽口122的喉部口径指阀碟出汽口122处的最小直径，主汽门出汽口112的喉部口径指主汽门出汽口112处的最小直径，调节出汽口212的喉部口径指调节出汽口212处的最小直径。在定参数启动前期，蒸汽流量小、参数高，使用主汽门1的预启阀可以精准控制蒸汽流动；在升转速或升负荷过程中，主汽门1及预启阀均呈全开状态，蒸汽流量大，使用调节汽门2来控制蒸汽流量较有优势。
[0053]
本实施例中主汽门1和调节汽门2可以通过管道连接，也可以通过焊接连接。主汽门1有两段行程，分别为预行程l1和主行程l2。第一阀杆13的头部设计为突出结构。在开预启阀l1行程过程中，第一阀杆13的头部的阻塞环面a逐步减小，第一阀杆13与阀碟出汽口122间的出汽环面逐步增大，进而使得从预启阀出来的蒸汽流量逐步增大。同时，为了增强进汽的小流量精准控制能力，还可以增大预启阀l1行程，提高阀碟12上阀碟进汽口121的大小及数量来实施。本实施例中调节汽门2的第二阀杆22与第二阀壳21之间靠第三密封面221与第三密封部213的接触配合实现密封，由于第三密封面221呈锥形，能有效增强两者的密封性能。
[0054]
在机组启动中，为达到小及大流量过程中的精准控制，需要衔接、匹配主汽门1的预启阀及调节汽门2的通流控制能力。预启阀控制蒸汽小流量进汽时，需要保障调节汽门2不发生阻塞；调节汽门2控制蒸汽大流量进汽时，需要保障主汽门1不产生阻塞。
[0055]
同时，本发明提供一种所述汽轮机联合阀门的设计方法，包括如下步骤：
[0056]
步骤1、确定调节汽门2的死区行程h；
[0057]
步骤2、确定行程裕量
△
，基于调节汽门2的第二阀杆22的行程为h
△
时，第二阀杆22的头部与第二阀壳21间的通流面积算出调节汽门2的死区通流量q1；
[0058]
步骤3、设计预启阀的第一阀杆13在阀碟12中的行程l1、阀碟进汽口121的喉部口径、及阀碟进汽口121的数量n，使得预启阀的最大蒸汽通流量q2大于或等于调节汽门2的死区通流量q1。
[0059]
本设计方法基于上述步骤，先获得调节汽门2的死区通流量q1，再通过设计预启阀的第一阀杆13在阀碟12中的行程l1、阀碟进汽口121的喉部口径、及阀碟进汽口121的数量n，保证预启阀的最大蒸汽通流流量q2大于或等于调节汽门2的死区通流量q1；在实施背压汽轮机启动时，小流量时采用主汽门1的预启阀控制蒸汽流量；大流量时，即蒸汽流量超过调节汽门2的死区通流量q1时，进行阀切换，采用调节汽门2控制蒸汽流量，实现小流量及大流量蒸汽的精确衔接启动控制，进而保证汽轮机能顺利、安全启动。
[0060]
本实施例中行程裕量
△
为死区行程h的1/3～2/3。
[0061]
另外，因主汽门1的预启阀的喉部口径为φc为调节汽门2的喉部口径φf的1/2～1/3。本实施例在小流量时采用预启阀调控流量，从而替代采用调节汽门2调控流量，此种采用小流量调控必然使得调控精度上升很多。
[0062]
本实施例中汽轮机联合阀门的控制精度更高，其可称作一种高精度汽轮机联合阀门，属于汽轮机设计及安全启动技术领域。工业背压汽轮机机组需要具备滑参数及定参数启动能力。在滑参数启动工况下，汽轮机随锅炉参数变化而变化。在定参数工况下，汽轮机
进汽及排汽参数为稳定的，且进汽参数为额定参数。启动运行发现，由于大口径的调节汽门2控制精度不足，尤其是控制死区的存在，影响了机组的安全启动及顺利并网。本发明提供的汽轮机联合阀门及其设计方法，主汽门1带预启阀，主汽门1及调节汽门2的阀芯采用新的结构设计，可实现高蒸汽参数过程中的精准流动控制，达到定转速及稳负荷的要求，从而有效解决了滑参数及定参数启动过程中难以稳转速、稳负荷的问题。
[0063]
本实施例采用高精度的联合阀门，可以调节汽门2漏汽量，实现阀门对小流量及大流量蒸汽量进行精准控制的目的，从而有效控制启动过程中的蒸汽流量，达到背压机启动控制要求。本实施例对主汽门1的第一阀杆13、预启阀行程、阀碟进汽口121进行设计，达到小流量精准调控要求；并对调节汽门2的第二阀杆22进行设计，达到降低漏汽、增大调节汽门2的精确调控能力；并实现主汽门1与调节汽门2的联合优化设计。
[0064]
综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0065]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。