超临界最小调节阀的分析与研究

超临界最小流量调节阀的研究邹世浩，万胜军（哈电集团哈尔滨电站阀门有限公司，黑龙江哈尔滨150046）摘要：本文研究了超临界火电机组最小流量调节阀的三种结构及其抗汽蚀的原理，同时还研究了各种阀芯材料抗汽蚀的性能。关键词：最小流量调节阀；超临界火电机组；多级减压；汽蚀ResearchfortheSafetyValveDiscStructuresZouShihao，WanShengjun（HarbinEngineeringUniversityHarbin150046China）Abstract：ThisarticleintroducesthetechnicalcharacteristicsofseveraldifferentSpringDirect-ActingSafetyValvediscstructures;italsoanalysestheeffectsthosethedifferentstructureshaveonthesealingperformance.Keywords：Safetyvalve；DiscStructure,ThermalStress-CompensatedDisc,ResilientDisc0引言目前，350MW～1000MW超临界机组作为节能减排型机组已被我国列为火力发电的主力机组，一台1000MW超临界机组一般配置2台50％容量的汽动给水泵外加一台30%容量的电动给水泵。每台给水泵配备一套最小流量调节装置，装置中最重要的部件是最小流量调节阀，它是火电厂中运行工况最恶劣的调节阀之一。最小流量调节阀安装在锅炉给水泵出口与除氧器水箱（或冷凝器）之间，它主要用于控制锅炉给水泵至少通过必须的最小流量，防止给水泵发生汽蚀而损坏。本文将着重研究最小流量调节阀的结构、选材以及性能。2结构研究2.1技术参数1000MW超临界火电机组配套的给水泵最小流量调节阀技术参数详见表1。表1给水泵最小流量调节阀工况最大工况正常工况最小工况流量(m3/h)512420165进口压力(MPa.a)41.31542出口压力(MPa.a)1.30.61.5压力降(MPa.a)4014.440.5系统设计压力(MPa.a)44设计温度(℃)200运行温度(℃)186～138由表1可知最小流量调节阀的最大进口压力为42MPa，对应的阀门出口压力仅为1.5MPa，有40.5MPa的压差，阀门在使用过程中极易损坏。阀门损坏的原因归纳起来有三种：1）结构设计不合理；2）介质冲蚀的破坏；3）材料选择不合理。下面将分别进行分析研究。2.2汽蚀破坏根据伯努利方程，介质进入阀门流经阀芯时，由于阀芯与阀座的节流作用，产生颈缩现象，介质速度会迅速增加，而压力会迅速下降，当低于该介质的饱和蒸汽压力时，介质会汽化形成气泡；当介质流过颈缩部位后，压力会回升，当压力超过该介质的饱和蒸汽压力时，刚才形成的气泡就会发生破裂，产生极强的局部压力高达300MPa，对阀芯、阀座等节流元件产生严重的破坏，形成所谓的汽蚀现象。由于最小流量调节阀工作压差很大，为防止高压差下的空化，提高阀芯和阀座的使用寿命，一般采用多级降压的原理，使每级阀芯上分担一部分压差，并且各级压差均小于不产生空化的最大允许压差△Pa，多级减压的压力分布曲线如图1所示，以改善高压差对阀芯、阀座的冲刷和空化现象。△Pa可用公式2.1计算。v1caP-PkP(2.1)式中：△Pa—不产生空化的最大允许压差，MPa；KC—压力恢复系数；P1—阀门入口压力，MPa；PV—阀门入口温度下饱和蒸汽压力，MPa。图1多级减压过程压力分布曲线2.3阀门结构为抑制大压差带来的汽蚀和冲蚀问题，所有的最小流量调节阀都采用逐级减压的方式，具体减压结构有多种，下面进行详细研究。2.3.1多级笼式减压结构阀门设计成多级套筒结构，利用逐级降压的方法防止发生闪蒸或汽蚀，并有效控制介质流速，保证阀芯流速不超过30m/s，减少介质对阀芯产生冲蚀。阀门具体结构详见图2。1.阀体2.阀座3.多级节流套筒4.阀芯5.阀盖6.阀杆7.执行机构图2多级笼式最小流量调节阀阀门的介质流向一般设计成下进上出，即流开型。这样介质首先流经阀座，在阀座处无明显压降，流速无明显上升，介质压力远远高于饱和蒸汽压力，即使在整个流动过程中介质发生末级闪蒸也只能发生在套筒与阀体间的空腔内，此处有足够的空间供介质膨胀，消除末级闪蒸带来的危害。介质流道设计成抛物线形，使末级流体沿切线方向离开套筒，从而避免对阀体壁的直接冲刷。2.3.2多级柱塞减压结构阀门设计成多级柱塞减压形式，节流副由多级柱塞阀芯和阀座套筒组成，阀门结构如图3所示。1.阀体2.节流孔板3.阀座4.阀芯5.节流孔板6.阀盖7.阀杆8.执行机构图3多级柱塞式最小流量调节阀阀体采用角式侧进下出结构，阀芯和阀座的密封面位于阀门入口侧，介质先流经密封面再进入减压腔。介质流经多级节流面，实现逐级减压，防止汽蚀。在阀芯始、末端还可设置节流孔板，降低噪音和振动。同时，可防止介质中夹带的固体杂质进入阀芯，造成对节流面的损坏。整个减压过程在阀芯与阀座套筒内完成，对阀体没有冲刷。2.3.3迷宫式减压结构阀门设计成迷宫叠片式结构，由具有特殊、复杂结构的多层碟片交替式层叠组成，阀体门结构如图4所示。1.阀体2.阀座3.阀芯4.多级迷宫套筒5.阀杆6.阀盖7.执行机构图4多级柱塞式最小流量调节阀阀门节流副为迷宫式，由多层迷宫式碟片叠加后经真空钎焊而成。碟片的结构如图5所示。碟片表面有多条直角弯道的沟槽，沟槽采用双入口设计，使进入迷宫套筒的杂质不会堵塞主流道。通过强制介质流经一系列的直角弯道使流速得以控制，起到多级降压作用，使压降平均分布在各个拐角处，使介质的压力始终保持在饱和蒸汽压力Pv之上，避免发生汽蚀现象。每一层碟片的内圆周出口处都有一圈围堰，一是使四周介质在此汇聚，均衡介质压力；二是保证下层碟片出口介质不会直接冲击到阀座上。图5迷宫式碟片3节流副材料为防止汽蚀的破坏，阀芯、阀座多选用不锈钢材料制造。选材时重点考虑材料的屈服点、疲劳极限、硬度、韧性、化学成分、晶粒组织等因素，硬度是代表金属材料耐汽蚀性能的重要指标之一，硬度越高，耐汽蚀性能就越好。钴基硬质合金（即Stellite合金）是目前抗汽蚀作用最好材料之一，各种材料的耐汽蚀性能详见表2。兼顾成本，目前国内常用18-8、2Cr13作为阀芯、阀座材料。表2材料耐汽蚀性能序号牌号抗汽蚀性能1钴基硬质合金优2铁基硬质合金优3A4合金钢优417-4或17-7PH良5ANSI316或316L良6碳钢差4结束语根据上述研究，各种最小流量调节阀均采用多级减压结构，各级压差均小于产生汽蚀的极限压差，有效避免了汽蚀的发生，延长阀门使用寿命。另外，为提高阀门抗汽蚀性能，同时降低制造成本，阀芯、阀座等内部节流元件多采用18-8、2Cr13等不锈钢进行表面硬化处理。参考文献〔1〕陆培文．实用阀门设计手册〔M〕．北京:机械工业出版社，2006．〔2〕洪勉成．阀门设计计算手册〔M〕．北京:中国标准出版社，1994．〔3〕张建斌.集成式最小流量调节阀结构的设计与分析.沈阳：阀门，2011（5）.〔4〕成大先．机械设计手册〔M〕．北京:化学工业出版社，2004．