蒸汽蓄熱器配套調(diào)節(jié)閥的選型與驗證

胡佰龍?zhí)K鏡元 魏 強 王永亮 田春雨

(中國航天空氣動力技術(shù)研究院)

蒸汽蓄熱器配套調(diào)節(jié)閥的選型與驗證

胡佰龍*蘇鏡元 魏 強 王永亮 田春雨

(中國航天空氣動力技術(shù)研究院)

根據(jù)蒸汽噴射試驗系統(tǒng)的工作原理，從流量系數(shù)判定、閥型選擇和閥體材料選擇3方面研究了調(diào)節(jié)閥的選型方案，并從流量和噪聲兩方面對調(diào)節(jié)閥進行了驗證，結(jié)果表明：基于所提方案選擇的蒸汽蓄熱器配套調(diào)節(jié)閥能夠滿足蒸汽噴射試驗系統(tǒng)的工作要求。

蒸汽蓄熱器 蒸汽噴射試驗系統(tǒng) 調(diào)節(jié)閥 選型 驗證

蒸汽噴射試驗系統(tǒng)由蒸汽發(fā)生器、蒸汽蓄熱器、控制閥和管道組成，在航空航天領(lǐng)域產(chǎn)品試驗中占據(jù)著舉足輕重的地位。蒸汽噴射試驗系統(tǒng)需要穩(wěn)定大流量飽和蒸汽，然而蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽是脈動的，而且流量并不足以完成噴射試驗[1～4]。因此，需要在試驗工位與蒸汽發(fā)生器之間配置蒸汽蓄熱器。蒸汽蓄熱器是一種高效的節(jié)能設備，會儲存一定量的飽和水，當蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽通入蓄熱器內(nèi)的飽和水中，并與腔內(nèi)水充分混合后，蓄熱器腔內(nèi)水的壓力和溫度逐漸升高，最終形成具有一定壓力的飽和水與飽和蒸汽[3～8]。蒸汽蓄熱器腔內(nèi)壓力和閥門后端溫度由調(diào)節(jié)閥控制，飽和蒸汽溫度、壓力一一對應[1～3]。調(diào)節(jié)閥雖然在閃蒸過程中具有重要作用，但它會產(chǎn)生噪聲、振動及沖刷等不利因素，對閥體和后端管道產(chǎn)生嚴重破壞。因此，選擇一臺與蒸汽蓄熱器匹配的調(diào)節(jié)閥對于蒸汽噴射試驗系統(tǒng)至關(guān)重要。筆者從流量系數(shù)判定、閥型選擇和閥體材料選擇3方面研究了蒸汽蓄熱器配套調(diào)節(jié)閥的選型方案，并對該方案下選擇的調(diào)節(jié)閥進行了驗證，以保障蒸汽蓄熱器的安全穩(wěn)定運行。

1 系統(tǒng)描述

蒸汽噴射試驗系統(tǒng)原理如圖1所示，試驗產(chǎn)品壓力0～12MPa，流量15t/h。

圖1 蒸汽噴射試驗系統(tǒng)原理

根據(jù)蒸汽噴射試驗系統(tǒng)的要求，選定的滿足工藝需求的調(diào)節(jié)閥技術(shù)參數(shù)為：

流量 15t/h

介質(zhì) 飽和蒸汽

閥前壓力 12MPa

閥后壓力 0～12MPa

后端壓力根據(jù)不同型號產(chǎn)品的要求，通過調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)降壓穩(wěn)流。

2 調(diào)節(jié)閥選型

2.1流量系數(shù)判定

飽和蒸汽的絕熱指數(shù)γ=1.135，則飽和蒸汽臨界壓力比βc為：

(1)

閥前壓力p1=12MPa，根據(jù)臨界壓力比βc得到閥后壓力p2在(0～0.58p1)～(0.58p1～p1)范圍內(nèi)，則流量系數(shù)CV為[7,8]：

(2)

(3)

式中Gs——質(zhì)量流量，kg/h；

Δp——閥前閥后壓差，MPa。

依據(jù)式(2)、(3)得到閥后壓力p2與流量系數(shù)CV的關(guān)系曲線如圖2所示。流量系數(shù)以臨界壓力比0.58為分割點，當閥后壓力p2≤0.58p1時，閥門流量系數(shù)CV與流量和閥前壓力有關(guān)(式(2))；當閥后壓力p2>0.58p1時，閥門流量系數(shù)CV與流量、閥前壓力和閥后壓力有關(guān)(式(3))。一般情況下閥前壓力和流量是確定的，閥門流量系數(shù)隨著p2的減小(p1→0.58p1)而逐漸增加，直到p2=0.58p1，閥門流量系數(shù)不變，形成阻塞流。

圖2 閥后壓力p2與流量系數(shù)CV的關(guān)系曲線

2.2閥型選擇

由于蒸汽噴射試驗系統(tǒng)需要快速調(diào)節(jié)，因此選擇調(diào)節(jié)反饋時間短的氣動驅(qū)動式調(diào)節(jié)閥作為系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥，其參數(shù)如下：

介質(zhì) 飽和蒸汽

溫度 325℃

壓力 前端12MPa，后端0～10MPa

接管規(guī)格DN65mm

連接形式 法蘭

材料 主體高溫合金，閥芯硬化合金

驅(qū)動型式 氣動

控制氣壓力 0.8MPa

規(guī)格型號 501G 50A×40A

流量系數(shù)CV25

根據(jù)試驗需求，筆者最終選用直通單座型等百分比式調(diào)節(jié)閥作為蒸汽噴射試驗系統(tǒng)調(diào)壓核心控制元件。直通單座型調(diào)節(jié)閥蒸汽出口流動方向與入口流動方向一致，流阻較小，在相同通徑規(guī)格時具有較大的CV值。等百分比式調(diào)節(jié)閥能夠更好地保證對試驗系統(tǒng)壓力的控制，便于試驗操作，最佳開度范圍為30%～90%，其流量特性曲線如圖3所示。

2.3閥體材料選擇

12MPa下飽和蒸汽溫度為325℃，為此選擇調(diào)節(jié)閥閥體材料為高溫合金，根據(jù)其溫壓曲線，閥門出入口壓力選擇磅級為Class 1 500lb。

閥體材料越硬，抗沖蝕能力越強。然而并不存在長時間抵抗嚴重蒸汽沖刷而不受損傷的材料。為此，考慮到閥芯、閥座更換的問題，從抗高壓蒸汽沖蝕的角度出發(fā)，選用硬化工具鋼和鈷鎢合金鋼作為制造閥芯、閥座的材料，特殊表面進行硬化處理[6,7,9]。按不同的使用條件，硬化表面可局限于閥芯與閥座的密封線處，也可以在整個表面進行硬化處理。

3 調(diào)節(jié)閥驗證

3.1流量驗證

調(diào)節(jié)閥選型后，需要對調(diào)節(jié)閥流量與試驗系統(tǒng)的流量要求進行驗證。調(diào)節(jié)閥閥前壓力p1=12MPa，若p2/p1≥0.58，則閥門額定質(zhì)量流量Ge(單位kg/h)為[10,11]：

(4)

式中KV——閥門額定質(zhì)量流量Ge系數(shù)。

若p2/p1<0.58，則閥門額定質(zhì)量流量Ge為[10,11]：

Ge=12KVp1

(5)

根據(jù)式(4)、(5)繪制閥后壓力與流量的關(guān)系曲線如圖4所示，計算可知，調(diào)節(jié)閥最大流量為31t/h。

圖4 閥后壓力與流量的關(guān)系曲線

蒸汽噴射試驗系統(tǒng)需要的最大流量為15t/h，由圖5可知，閥門開度為82%時流量為15t/h，因此閥門開度在20%～90%之間均可滿足調(diào)節(jié)閥的選型要求。

3.2噪聲驗證

噪聲是調(diào)節(jié)閥選型時需要考慮的一個重要因素。噪聲不僅會增加閥門聲音等級，而且會產(chǎn)生振動。過大的噪聲會損壞閥門內(nèi)部組件，而且對閥門下游管道和設備產(chǎn)生巨大沖刷，嚴重影響試驗系統(tǒng)性能。因此，降噪是調(diào)節(jié)閥設計和選型過程中必須考慮的因素，需要使用特殊設計的降噪結(jié)構(gòu)來降低噪聲。一般情況下設計人員通常選擇規(guī)格大一個級別的調(diào)節(jié)閥，以此來降低噪聲[12]。

圖5 閥門開度與流量的關(guān)系曲線

通過計算閥門的出口流速可以估算噪聲是否會產(chǎn)生破壞，當工作壓力為12MPa時，飽和蒸汽的聲速C和其實際最大流速v分別為：

(6)

=823.60m/s

(7)

式中A——調(diào)節(jié)閥喉部面積，A=0.00049m2；

R——0.461 5蒸汽的氣體常數(shù)，kJ/kg；

T——12MPa下飽和蒸汽的絕對溫度，K；

v″——12MPa下飽和蒸汽的比體積，m3/kg。

由于調(diào)節(jié)閥出口蒸汽處于飽和狀態(tài)，因此可用0.5Mac(在12MPa飽和蒸汽中聲音的傳播速度為823.60m/s，所以本例中1Mac=823.60m/s)作為標準來確定調(diào)節(jié)閥噪聲是否過大。如果飽和蒸汽在調(diào)節(jié)閥出口的流速大于0.5Mac，一般認為此時產(chǎn)生的噪聲將無法接受，需要采取降噪措施。式(7)的計算結(jié)果表明，本調(diào)節(jié)閥的飽和蒸汽流速為153.06m/s，沒有超過0.5Mac的限定值，因此該調(diào)節(jié)閥滿足試驗系統(tǒng)工作要求。

4 結(jié)束語

蒸汽蓄熱器配套調(diào)節(jié)閥是蒸汽蓄熱器能否安全可靠運行的重要保障，因此調(diào)節(jié)閥選型顯得十分重要。筆者基于蒸汽噴射試驗系統(tǒng)的工作原理，分別從調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)、閥型選擇和閥體材料選擇3方面對調(diào)節(jié)閥的選型進行了研究。在確定調(diào)節(jié)閥型式后，又從調(diào)節(jié)閥流量和噪聲兩方面對調(diào)節(jié)閥進行了適用性驗證。驗證結(jié)果表明，筆者選擇的蒸汽蓄熱器配套調(diào)節(jié)閥能夠滿足蒸汽噴射試驗系統(tǒng)的要求。同時，該調(diào)節(jié)閥選型與驗證方法對今后蒸汽蓄熱器配套調(diào)節(jié)閥的選型工作具有一定的指導意義。

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SelectionandVerificationofControlValvesforSteamAccumulator

HU Bai-long, SU Jing-yuan, WEI Qiang, WANG Yong-liang, TIAN Chun-yu

(ChinaAcademyofAerospaceAerodynamics,Beijing100074,China)

Basing on the working principle of steam accumulators and through having the flow coefficient, valve selection and valve body’s materials considered, the type-selecting scheme for the valves was discussed and verified from both flow and noise. The results show that, the valve selected upon the selection scheme can satisfy the requirements of the steam jet testing.

steam accumulator,steam jet testing system，control valve, selection, verification

*胡佰龍，男，1985年2月生，工程師。北京市，100074。

TQ051.5

A

0254-6094(2016)05-0585-04

2015-09-08，

2016-09-01)

(Continued from Page 584)

AbstractThrough taking air and water as the working medium, the experimental research on gas-liquid flow characteristics in the spiral channel with horizontal rectangular section was implemented. Through having previous calculation methods of section void fraction considered, a new method applicable to calculating the gas-liquid flow’s section void fraction within the spiral channel with horizontal rectangular section was proposed. Having it compared with drift flow model shows that, the calculation results of these two methods are similar in the tendency. This indicates that making use of the oblique cross method to calculate section void fraction of gas-liquid flow in the spiral channel with horizontal rectangular section is feasible; and having Zuber-Findlay model compared with the Ishii model shows that the Ishii model has higher accuracy in predicting the void fraction there.

Keywordsspiral channel with horizontal rectangular section, gas-liquid flow, section void fraction, drift flow model