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 Research for the Safety Valve Disc Structures Zou Shihao Wan Shengjun Harbin Engineering University Harbin 150046 China Abstract This article introduces the technical characteristics of several different Spring Direct Acting Safety Valve disc structures it also analyses the effects those the different structures have on the sealing performance Key words Safety valve Disc Structure Thermal Stress Compensated Disc Resilient Disc 0 0 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 2 结构研究 2 12 1 技术参数技术参数 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 22 2 汽蚀破坏汽蚀破坏 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 2 1 v1ca P PkP 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 32 3 阀门结构阀门结构 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 12 3 1 多级笼式减压结构多级笼式减压结构 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 22 3 2 多级柱塞减压结构多级柱塞减压结构 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 32 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