再熱器疏水閥流體性能的分析

于海波，國金蓮

（哈爾濱鍋爐廠容器工程公司，黑龍江 哈爾濱 150046）

0 概 述

我國的主要能源是煤炭，常規(guī)火電占總電力裝機容量的70%以上。根據(jù)國家產(chǎn)業(yè)政策，超超臨界機組已成為火電的主流機組，到2020年，將占火電機組總裝機容量的70%。

疏水閥作為火電機組的常用閥門，在超超臨界機組配套工程中的需求量很大。疏水閥工作在較惡劣的工況下，閥座等內(nèi)部零件易被沖刷損壞，產(chǎn)生磨痕或深溝，嚴重時甚至?xí)斐砷y桿的斷裂，嚴重影響了閥門的正常使用，降低了閥門的使用壽命。

1 防沖刷和閃蒸的結(jié)構(gòu)設(shè)計

閥門的工作介質(zhì)是汽水混合物，出口端的壓力較低，介質(zhì)會對閥門產(chǎn)生很大的沖刷與熱沖擊。同樣，在疏水閥內(nèi)及其出口管道內(nèi)會產(chǎn)生強烈的閃蒸。伴隨著管道的擴容，還有可能產(chǎn)生一定程度的氣蝕。在這種惡劣的工況下，如何防止沖刷、閃蒸對疏水閥內(nèi)部件的破壞，是閥門設(shè)計過程中較大的技術(shù)難題。

閥體中流道與節(jié)流套，如圖1所示。為防止因沖刷和閃蒸對閥門關(guān)鍵部位的損壞，特別是對密封面的影響，可從幾個方面考慮防止沖刷與閃蒸的方法。

圖1 閥體部分與節(jié)流套部分

（1）采用雙密封副結(jié)構(gòu)。在閥門小開度的情況下，采用犧牲副密封的方法，以確保主密封面不被沖刷。

（2）在閥門大開度情況下，合理分配介質(zhì)的壓降。采用流阻較小的Y形截止閥結(jié)構(gòu)，減小閥門本體內(nèi)流阻，從而減小介質(zhì)在閥門本體內(nèi)的壓降，降低閥門本體內(nèi)的閃蒸與沖刷。

在閥門的進出口處，加裝節(jié)流孔板裝置，使閥門流道內(nèi)的壓降，分級分攤到各節(jié)流部件上，使閃蒸與沖刷遠離密封面，以確保密封面不會被損壞。

在飽和度低、壓差高的工況下，可采用多級節(jié)流，以防止氣蝕的產(chǎn)生。

節(jié)流孔板的設(shè)計需通過嚴謹?shù)姆治雠c計算，確保其流通能力滿足系統(tǒng)的需求，同時采用多級節(jié)流，控制每一級的壓降都在臨界壓力比以下。節(jié)流孔板的形狀，布孔位置、每級間距經(jīng)計算后確定，可限制每級節(jié)流過程中氣蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生。

當(dāng)閥門受幾何尺寸或管道口徑限制時，不宜進行多級節(jié)流，可采用二級節(jié)流，并采用耐沖刷和氣蝕的材料，設(shè)計成方便更換的閥門內(nèi)件結(jié)構(gòu)，以確保閥門本體安全，降低檢修周期，延長閥冂的使用壽命。對于工作在嚴酷工況下的疏水閥，閥門內(nèi)件的材料選擇尤為重要。

（3）采用以經(jīng)驗設(shè)計為輔，以流體動力學(xué)的理論分析為基礎(chǔ)，用兩相流與相變分析為主的設(shè)計方法，確保閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計能滿足系統(tǒng)設(shè)定目標。

2 流動特性分析

圖2為介質(zhì)的速度流線圖、圖3為局部速度流線圖、圖4為壓力變化圖。從圖2～圖4可知：

（1）介質(zhì)在閥體內(nèi)的流道特性十分好，基本呈直線流動，沒有較大角度的流道變形，介質(zhì)也沒有出現(xiàn)明顯的流速變化。

（2）介質(zhì)在節(jié)流套內(nèi)會有明顯的流速變化，其中的最大流速屬于正常流速：R＝23.71／2.21442＝10.707倍，這個流速變化會對節(jié)流套內(nèi)小孔（圖3中的深色部位）產(chǎn)生很大的沖刷。但不會對閥門的性能產(chǎn)生影響。

（3）除了在閥體中腔以及出口支管下端會產(chǎn)生渦流外，在節(jié)流套內(nèi)及節(jié)流后的壓力恢復(fù)區(qū)也會產(chǎn)生渦流。從圖2所示的流線上可知，節(jié)流套內(nèi)的渦流強度明顯高于閥體內(nèi)的渦流強度。

3 局部沖刷與閃蒸分析

從圖5可知，按分析所得的入口平均流速3.452 34，該閥門的沖刷速度比率（最大速度與平均速度比）為：，最大速度出現(xiàn)在第二級節(jié)流孔位置。但第一級與第三級的孔內(nèi)流速與第二級孔內(nèi)流速相當(dāng)，所以，沖刷強度也相當(dāng)。

圖5 局部速度流線圖

圖6為飽和蒸汽含量的等比例線，其中線密集的部位將反應(yīng)出閃蒸的大小。從圖6可知，節(jié)流孔內(nèi)的閃蒸最為強烈。

圖6 第二級節(jié)流孔位置蒸汽含量變化圖

從圖7可以得到第二級節(jié)流孔位置的蒸汽比例曲線，曲線梯度大小反映了閃蒸的大小。根據(jù)其斜率，每cm大約有（質(zhì)量分量）的飽和水汽化，閃蒸強度很高。

圖7 蒸汽含量等比例線

圖8為節(jié)流套內(nèi)的平均氣化比例。從最后一級擴容位置到出口處，蒸汽比例降低，由7.468%下降至7.346%。將相應(yīng)產(chǎn)生較少量的氣蝕現(xiàn)象。

通過嚴格的仿真分析，該閥在大開度的情況下，所有閃蒸與沖刷均發(fā)生在節(jié)流裝置上，這樣就可保護閥體內(nèi)關(guān)鍵部位不被沖刷。經(jīng)仿真分析，在閥門全開的狀態(tài)下，閥門出口處將有約45%的飽和水轉(zhuǎn)化為蒸汽，但在閥體內(nèi)僅有不到1%的閃蒸發(fā)生。

圖8 節(jié)流套內(nèi)蒸汽比例圖

4 結(jié) 語

通過計算分析，疏水閥受介質(zhì)沖刷和閃蒸的影響很嚴重，也是不可避免的，但可在結(jié)構(gòu)設(shè)計時進行預(yù)防。因此，在設(shè)計疏水閥過程中，采用合理的結(jié)構(gòu)形式，合適的部件材料，有效地分配壓差，就可有效減小沖刷和閃蒸現(xiàn)象的產(chǎn)生，改善疏水閥的使用性能和提高使用壽命。