【蒸汽旁路排放系统的冷凝器减温减压装置结构特点分析6700字】

蒸汽旁路排放系统的冷凝器减温减压装置结构特点分析目录TOC\o"1-3"\h\u27920蒸汽旁路排放系统的冷凝器减温减压装置结构特点分析 122871.1减温减压装置功用及工作原理 1189801.1.1减温减压装置功用 1228451.1.2节流减压工作原理 2164411.1.3喷水减温工作原理 2269101.2减温减压装置结构组成 2176151.2.1蒸汽减压阀 378901.2.2一体式减温减压装置 7145851.2.3排放蒸汽集管 9255051.2.4两级多孔节流减温减压装置 11254071.3减温减压装置计算分析方法和流程 13蒸汽旁路排放系统的作用是对蒸汽发生器产生的高温高压蒸汽多余部分进行处理。高温高压蒸汽需要经过减温减压才能排入冷凝器，为此，旁排系统设置有减温减压装置。为了处理从蒸发器排出的高能蒸汽，发展了多种多样的减温减压装置，主要的减温减压装置的类型有减压阀、节流孔板、多级节流孔板、扩容式节流孔板、减压集管和帘式喷雾等，不同的减温减压装置布置的位置、工作特性均存在较大差异。为此，本章将首先剖析减温减压装置的功能及工作原理，然后重点对减压阀、分布式减温减压阀、一体式减温减压阀、多级扩容减温减压阀以及蒸汽集管的结构特点、工作原理进行深入研究，给出不同减温减压装置的使用范围以及应用特点。1.1减温减压装置功用及工作原理1.1.1减温减压装置功用减温减压装置是用来调节蒸汽压力、温度的重要装置，被广泛地应用于工业生产中，同时也是船用核动力装置中主蒸汽排放系统的核心设备。因此，掌握减温减压装置动态运行特性是保持整个主蒸汽排放系统稳定运行的关键。传统的减温减压装置在额定流量的50%～120%内能够保证装置正常工作，但是在一些工作条件下，要求装置在蒸汽小流量的时候仍然能够保持正常的工作性能。本文对某型减温减压器进行蒸汽小流量的实验研究，得出在蒸汽小流量下减温减压器的减温过程与减压过程的实验曲线。分析实验结果，了解在蒸汽小流量下装置的工作状态，可以为今后的蒸汽排放系统的设计和优化工作提供参考资料。1.1.2节流减压工作原理节流减压主要依靠的是在蒸汽流道内安装节流孔板进行工作。高速蒸汽流经孔板时，因为通流截面急剧变化，使蒸汽的流束先收缩后扩张，流束的改变导致不同速度的水分子相互碰撞，分子动能消耗转化为热能，使孔板后的压力小于孔板前的压力，下降到合适水平。1.1.3喷水减温工作原理经过孔板节流后，蒸汽的温度也会略微下降，但仍无法满足冷凝器的工作要求。故需在末级节流孔板前加设喷水减温结构，该结构由多根喷水管组合而成，喷水管上开设小孔喷嘴。清洁的减温水在高压泵的驱动下进入喷水管，经小孔喷射而出，与减压后的高温蒸汽混合，冷却高温蒸汽，减温水吸热后汽化，从而达到减温目的。1.2减温减压装置结构组成减温减压装置主要由减压过程和减温过程，减温的过程简单来说是指将过热蒸汽的温度降到饱和状态，或者降低到较低的蒸汽过热度，目前大多数减温减压装置的设计原则是使蒸汽的温度降低到接近于饱和温度的某个特值。按照减温和减压过程特点的不同，常见的减温减压装置主要有以下四种类型：蒸汽减压阀、减温器、旁路阀、两级排放管。1.2.1蒸汽减压阀汽轮机旁路系统中的蒸汽减压阀是控制上游压力的主要机构。它有不同的配置——直列球形阀体或角形阀体，以及流向打开或流向关闭。这导致了四种组合。最终的选择应该根据平台的布局和用户的喜好。如果设计正确，任何组合都可以满足汽轮机旁路服务的关键功能要求。1.2.1.1角形阀体角形阀体，以流开式配置，一般导致包装最紧凑，重量较轻。这种配置在其他几个方面是有利的，包括：=1\*GB3①对于支持平台的要求较低；=2\*GB3②对于预热的要求更加简单；=3\*GB3③对于阀门和上游管道冷凝水的排放要求更简单；=4\*GB3④一般不太可能在出口管处进行特殊处理以消除噪音。现代汽轮机旁路系统在全流量下的典型流动条件是：高压旁路入口亚临界机组为180bar，超临界机组为260bar压力；温度550℃。中压/HRH旁路入口压力为40bar，温度为560℃。对于冷凝器旁路，出口压力由排放管或排放到冷凝器的装置的容量决定；一般来说，它的范围从4～15bar在全流量条件下。1.2.1.2喷水控制阀喷水阀的功能是调节进入减温器的正确喷水量。这些阀门通常是小型阀门，尺寸通常为2～4英寸，可采用角阀体或直列球形阀体配置。喷水控制阀的关键功能要求如下：=1\*GB3①高量程=2\*GB3②快速响应=3\*GB3③良好的可控性=4\*GB3④紧密关闭喷水阀的正确尺寸对汽轮机旁路系统的正确运行至关重要。喷水阀容量过大会导致低流量时控制不良。故此应采用等百分比或修改的等百分比特性，以达到良好的可控性。阀座采用大推力，以实现运行中可重复的紧密关闭。1.2.1.3速度控制阀高压旁路喷淋应用需要一个速度控制阀，如图2.1所示。流体动能沿着流动路径，在可接受的范围内，消除了潜在的问题（气蚀、振动、噪声、过早腐蚀等）。喷水隔离阀：将其作为减温器的保护装置。可以防止冷水滴落到或直接接触到减温器中的铁水，以防喷水控制阀发生泄漏。图2.1速度控制阀消除空腔1.2.1.4减温器汽轮机旁路应用的减温器要求性能优良，因为喷水量巨大。低压汽轮机旁路服务的典型要求是进汽流量的30～35%。即使对于600MW电站的30%旁路系统，这意味着喷水流量约为100t/h，或相当于五个消防栓，在低压旁路蒸汽阀下游的管道中喷水。在管道外壳内，减温器设计必须确保：=1\*GB3①冷喷淋水不会撞击热管壁-这对于避免过大的热应力和由此产生的管道开裂的可能性非常重要。=2\*GB3②所有的喷水必须在下游的短距离内蒸发。上述性能目标要求喷雾水的雾化和适当分散。大液滴对系统不利，由于惯性大，它们容易撞击侧或从蒸汽流中脱落，即使这些大液滴没有从蒸汽流中消失，它们也需要很长时间才能蒸发。小液滴的产生取决于固有的喷嘴喷射特性（或一次雾化）以及喷射蒸汽的能量（二次雾化）。液体在蒸汽中的雾化主要由韦伯数决定。We=式中ρ为蒸汽密度，U为蒸汽相对速度，d为液滴直径，σ为水的表面张力。这种关系表示相对动能的重要性，它是设计喷嘴以及整个喷水减温蒸汽系统的关键原则。液滴大小规则：液滴直径需要小于250μ在所有运行条件下，以获得最佳减温器性能。图2.2水滴与蒸汽相互作用的破裂效应（We﹤14）减温器设计中的另外两个重要考虑因素是喷雾穿透和覆盖。喷雾穿透主要取决于注入水和蒸汽的动量比、注入射流的初始尺寸和下游距离。参见图2.3。图2.3蒸汽横流中喷水渗透示意图（h=喷雾穿透力，qL=喷水动量，qG=蒸汽动量，d=射流直径）喷淋穿透规律：在设计合理的减温器中，喷淋穿透控制在管径的15～85%以内。覆盖范围由使用的喷嘴数量、其固有特性以及它们在蒸汽流中的位置控制。这对于充分混合蒸汽中的喷水非常重要，这对于有效蒸发至关重要。选定的减温器必须满足系统的所有运行条件，而不仅仅是满负荷或定径条件。这需要认识到每个系统的不同特点。喷嘴中大液滴的二次雾化要求蒸汽流具有足够的能量。根据前文描述的关系，250μm的液滴大小相当于蒸汽的动能约2kPa。这限制了减温器在低流速下的性能。高压旁路到冷再热的影响比汽轮机旁路到冷凝器的影响更严重。喷淋环式减温器最适用于蒸汽旁路至冷凝器。它既简单又经济，同时满足所有性能要求。蒸汽阀出口处的蒸汽动能在旁路至冷凝器系统的所有操作条件下都足够高；结果，所有注入的喷水都被分解成细小的水滴。从大量的喷射器中喷水对于实现蒸汽管道的适当覆盖尤其有益，在低压汽轮机旁路应用中，蒸汽管道往往很大(参见图2.4。）图2.4喷淋环减温器多喷嘴环式减温器具有分散的喷水喷嘴，分布在蒸汽管道周围，这种设计特别适用于高压旁路至冷再热。在多喷嘴环式减温器中，喷水是通过可变面积的弹簧式喷嘴喷射的。这些特别设计的喷嘴确保预先确定的∆P图2.5多喷嘴环减温器示意图1.2.2一体式减温减压装置一体式减温减压装置是一个控制阀，其工作原理是通过注入冷却水来调节蒸汽温度。一体式减温减压装置常用于发电厂和其它工业系统的蒸汽发生器中。一体式减温减压装置的设计和使用的性质是四分之一转运动，因此具有许多重要的优点：=1\*GB3①无论冷却水量多少，冷却水总是注入管道的中心；=2\*GB3②利用四分之一转原理、喷嘴设计和随后的喷嘴打开的完美结合确保了在所有负载情况下装置依旧可靠工作，并且能够实现精良的冷却效果；=3\*GB3③通过优化设计和选用高级材料防止了阀门功能部件的振动断裂，确保了装置能够可靠运行不中断；=4\*GB3④装置量程高，控制质量好，控制性能在整个控制范围内是连续的；=5\*GB3⑤阀门外部永久密封。图2.6一体式减温减压装置结构示意图与其他按照行程原理操作的阀门相比，一体式减温减压装置采用四分之一圈的运动设计。通过转动阀杆90°来控制要注入的水量。当使用固定的、不受控制的喷嘴时，不需要额外的控制阀。当阀杆转动时，位于水流接头正后方的球体轮廓打开，水开始流向减温器喷枪。水流经空心喷嘴杆，并通过喷嘴杆上的开口到达各个喷嘴。这些开口的设计应确保阀门特性曲线平稳，没有“台阶”突变。喷嘴中插入的涡流使水旋转。由于水的旋转和喷嘴的几何形状，喷雾锥面是均匀的，冷却水的雾化非常精细。通过使用不同孔径的喷嘴，可以根据各自的应用对任何特性曲线进行微调。四分之一转运动、喷嘴设计和随后的喷嘴打开的完美结合确保了在所有负载情况下可靠和精确的冷却。为了实现广泛而精细的冷却水分配，应该始终使用尽可能多的喷嘴。喷嘴的最大数量直接取决于蒸汽管的内径。图2.7一体式减温减压装置内部流线图根据冷却水和蒸汽之间的压差，一体式减温减压装置配备单级、两级或三级减压。如果冷却水和蒸汽之间的压差在5～30bar之间，则使用带有单级减压的版本。由于减温器内的压力损失非常低，因此整个压差在喷嘴系统有效，保证了水的精细雾化。阀球/阀座圈系统仅用于关闭水流。对于30～60bar之间的较大压差，使用两级减压版本，此时阀球和阀座环还具有控制和节流功能（阀球通道中的控制轮廓）。对于压差超过60bar的三级式减温器，在球杆区域有额外的内部构件，以减少过压。阀球/阀座圈系统是纯金属对金属阀座，其工作原理与传统球阀类似。图2.8一体式减温减压装置四分之一转机构最佳喷射位置：最先打开的喷嘴位于蒸汽管线的中间。喷嘴打开的顺序由喷嘴杆的设计决定。打开中间的第一个喷嘴后，随后打开外部区域的下一个喷嘴。外部采用永久密封，防止四分之一转机构运动时将灰尘拉进填料。喷嘴之间由金属密封元件保证密封性。每个喷嘴的控制基于当前的操作条件，允许根据指定的控制曲线进行精确的温度控制。无振动断裂：与行程阀相反，定位后阀杆上没有作用力或扭矩。流经空心喷嘴杆的气流提供了额外的保护。一体式减温器喷枪：喷嘴集成在锻造外壳中。在使用冲程原理的阀门中，没有单独的喷嘴头。1.2.3排放蒸汽集管汽轮机旁路阀的主要功能是进行蒸汽参数调节，其结构是将减压阀与减温器结合起来，以同时控制或降低蒸汽的压力和温度。在中压/低压旁路至冷凝器的应用中，蒸汽调节的关键部件是注水。蒸汽调节阀必须能够喷射足够的水，以便在汽轮机跳闸时冷却所有蒸汽，并有效地喷射蒸汽，使其快速蒸发和混合。蒸汽调节的第二个要求是提供严密的关闭，以防止高温蒸汽泄漏到冷凝器中。这可以通过蒸汽调节阀或切断阀来实现。此外，旁路阀还安装了背压喷洒器，其目的是为汽轮机旁路阀提供背压，限制蒸汽管线速度，保护冷凝器管，并降低整个汽轮机旁路系统的噪声。喷洒器可在冷凝器或汽轮机旁路制造商的供货范围内指定。喷洒器的定制设计与汽轮机旁路阀出口蒸汽管道相匹配，并插入冷凝器或汽轮机旁路管道。喷洒器的设计目的是提供所需的钻孔流动区域，以承受从汽轮机旁通阀出口到冷凝器的最终压降，并根据较低压力产生的速度使管道尺寸最小化。喷洒器的设计应能根据冷凝器的结构布局和热敏感表面分配蒸汽流。这可防止蒸汽和水直接喷射到冷凝器管上，从而延长冷凝器的使用寿命并限制对冷凝器的维护。流动区域设计为从末端注入蒸汽，如图2.9所示，或从侧面喷出，如图2.10和2.11所示。图2.9喷洒器设计用于喷洒末端至消除蒸汽冲击冷凝器管图2.10带水冷冷凝器的低压旁路冷凝器图2.11带风冷冷凝器的低压旁路冷凝器1.2.4两级多孔节流减温减压装置排放管与蒸汽调节阀一起使用，主要应用在蒸汽排入冷凝器的汽轮机旁路。在蒸汽调节阀出口和冷凝器之间出现高压降的情况下，该过程可能是高噪声源。为了解决这一问题，IMICCI公司开发了一种多级排放管，将压降分流到一系列减压级上，从而降低噪音水平。图2.12汽轮机旁路至空冷冷凝器的两级排放管两级排放管的主要特点：=1\*GB3①排放管焊接在旁通阀下游的蒸汽管上；=2\*GB3②排放管是一个固定的孔板，它将旁路蒸汽压力降低到冷凝器的压力；=3\*GB3③排放管可以用作流量计；=4\*GB3④排放管有两种主要应用：其一是水冷式冷凝器，其中排放管安装在冷凝器中。其二是风冷式冷凝器，排放管安装在旁通管中，旁通管与从汽轮机出口到风冷式冷凝器的集管相连。图2.13安装在水冷冷凝器内的两级排放管两级排放管的优点：=1\*GB3①由于采用多级减压设计，两级排放管可降低噪音水平；=2\*GB3②每个排放管都是为每个应用专门设计的。从旁路阀进入水冷式冷凝器的蒸汽可被引导，以避免损坏冷凝器内部构件或汽轮机内部构件；=3\*GB3③旁通阀和冷凝器之间昂贵的大直径管道可以缩短；=4\*GB3④精确的蒸汽温度控制；=5\*GB3⑤旁通阀和排放管尺寸优化，投资成本低；IMICCI开发的算法将应用于用户的集散控制系统——DCS。入口蒸汽压力、温度和旁通阀出口压力给出了进入阀门的实际蒸汽流量。计算达到所需出口温度所需的喷水流量，并与通过流量计测量的实际喷水流量进行比较。结果是向喷水阀上的定位器发出控制信号。压力变送器测量排放管前的蒸汽压力。由于排放管是一个固定节流孔，因此该信号指示通过排放管的流量。排放管级的尺寸和节流孔的方向由以下因素决定：=1\*GB3①蒸汽调节阀的操作条件：压力、温度、流量、管道尺寸和通过排放管的自由水百分比。=2\*GB3②冷凝器的工作条件：冷凝器真空、冷凝水温度。=3\*GB3③冷凝器设计。1.3减温减压装置计算分析方法和流程在设计多级扩容式节流减压装置时，首先要根据入口蒸汽压力和出口蒸汽压力来合理确定节流减压的级数，并且满足各级节流孔板后的压力与节流孔板前的压力之比等于临界压比，若通过节流孔板的排汽流