國(guó)產(chǎn)單列高壓加熱器三通閥選型

張士明，顧 勇，閆 哲

(華電江蘇能源有限公司 句容發(fā)電廠，江蘇鎮(zhèn)江 212400)

高壓加熱器(簡(jiǎn)稱高加)三通閥(包括入口三通閥和出口三通閥)是火力發(fā)電機(jī)組的重要設(shè)備之一，系統(tǒng)正常運(yùn)行工況給水通過入口三通閥進(jìn)入高加系統(tǒng)，通過各級(jí)高加，由出口三通閥出系統(tǒng)。當(dāng)高加出現(xiàn)故障時(shí)，檢測(cè)裝置發(fā)出信號(hào)，使三通閥主路關(guān)閉，鍋爐給水切換至旁路，高加安全解列從而起到保護(hù)高加的作用[1]。

目前國(guó)內(nèi)超超臨界火電機(jī)組采用的高加三通閥主要依靠國(guó)外進(jìn)口，由于其性能安全穩(wěn)定可靠，因此長(zhǎng)期壟斷技術(shù)和占據(jù)市場(chǎng)。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)高加三通閥的廠家經(jīng)過近幾年超超臨界火電機(jī)組關(guān)鍵閥門國(guó)產(chǎn)化項(xiàng)目的推進(jìn)，在國(guó)內(nèi)660 MW、1 000 MW超超臨界機(jī)組上開始使用[2]。筆者從國(guó)產(chǎn)1 000 MW機(jī)組高加三通閥的設(shè)計(jì)參數(shù)、選型重點(diǎn)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、零件選取及工藝選取等方面進(jìn)行了討論與分析，并將國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口高加三通閥進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)和選型重點(diǎn)

1 000 MW機(jī)組高加三通閥早期均為雙列布置，后由于技術(shù)發(fā)展，考慮布置、運(yùn)行維護(hù)等要求，逐漸采用單列布置。表1為超超臨界二次再熱和常規(guī)百萬機(jī)組單列高加三通閥設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比。1 000 MW二次再熱機(jī)組高加三通閥的參數(shù)要求更高，要保證性能必須解決驅(qū)動(dòng)方式、密封結(jié)構(gòu)和性能、結(jié)構(gòu)工藝、材料選擇等關(guān)鍵技術(shù)問題。

表1 高加三通閥設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比表

2 驅(qū)動(dòng)方案

2.1 驅(qū)動(dòng)方式

隨著火電機(jī)組性能參數(shù)的不斷提高，系統(tǒng)優(yōu)化越來越精細(xì)，匹配超超臨界火電機(jī)組的高溫、高壓、大口徑高加三通閥的選型也越來越重要。閥門選型的第一步就是要確定閥門的驅(qū)動(dòng)方案，目前主要的驅(qū)動(dòng)方式有電動(dòng)、氣動(dòng)、液動(dòng)，多種驅(qū)動(dòng)方案對(duì)比見表2，通過對(duì)比可以看出給水驅(qū)動(dòng)的液動(dòng)三通閥具有明顯優(yōu)勢(shì)，所以采用給水驅(qū)動(dòng)的液動(dòng)三通閥。

表2 驅(qū)動(dòng)方式對(duì)比

2.2 全行程動(dòng)作時(shí)間

單列高加三通閥動(dòng)作時(shí)間是考核該閥門安全可靠至關(guān)重要的參數(shù)。在高加解列時(shí),為了保證入口三通閥快速切斷通往高加側(cè)主路功能的實(shí)現(xiàn)，液動(dòng)三通閥在閥蓋腔內(nèi)設(shè)置具有快速動(dòng)作功能的內(nèi)置高壓活塞液動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，閥門全行程動(dòng)作時(shí)間不超過5 s，泄壓孔的直徑和活塞缸直徑須要進(jìn)一步優(yōu)化。

計(jì)算液動(dòng)入口和出口三通閥動(dòng)作時(shí)間，閥門行程為140 mm，閥門要求關(guān)閉最大時(shí)間小于5 s，活塞缸直徑為190 mm，擬取泄壓孔直徑為20 mm，結(jié)構(gòu)圖見圖1。計(jì)算得出泄壓孔流速為2.53 m/s，遠(yuǎn)小于技術(shù)規(guī)范規(guī)定流速5.9 m/s，滿足閥門全行程動(dòng)作時(shí)間不超過5 s。

圖1 閥蓋注水和泄壓結(jié)構(gòu)圖

3 密封結(jié)構(gòu)

3.1 故障概況

某電廠一期2臺(tái)1 000 MW機(jī)組設(shè)3臺(tái)全容量高加系統(tǒng)，采用1套大旁路系統(tǒng)，設(shè)置1套液動(dòng)三通閥裝置，包括1個(gè)入口液動(dòng)三通閥(結(jié)構(gòu)見圖2)和1個(gè)出口液動(dòng)三通閥。當(dāng)任何一臺(tái)高加故障時(shí)，高加配套的入口及出口三通閥快速動(dòng)作，給水走旁路，高加退出運(yùn)行。在某次進(jìn)行高加切旁路時(shí)，高加入口三通閥不能自動(dòng)關(guān)閉，強(qiáng)制關(guān)閉高加入口三通閥將高加切至旁路，對(duì)三通閥進(jìn)行解體檢修。

圖2 高加入口三通閥結(jié)構(gòu)圖

3.2 故障分析

圖3為高加入口三通閥現(xiàn)場(chǎng)檢修圖。

圖3 高加入口三通閥現(xiàn)場(chǎng)檢修圖

解體后發(fā)現(xiàn)動(dòng)力活塞缸內(nèi)壁有輕微磨損，活塞的2個(gè)彈性密封環(huán)均存在較嚴(yán)重磨損，并有1個(gè)斷裂損壞。小活塞腔室密封件損壞導(dǎo)致活塞腔室無法建立壓差[3]，無法提供驅(qū)動(dòng)小活塞的下壓力；下閥桿銅制下導(dǎo)套脫落，在三通閥走高加側(cè)時(shí)無影響，但當(dāng)高加切旁路時(shí)，一旦卸荷閥開啟小活塞下壓，閥頭動(dòng)作，則給水流入閥后。由于閥桿下導(dǎo)套脫落，閥后進(jìn)水則會(huì)導(dǎo)致給水沿閥桿進(jìn)入活塞下腔室從而破壞原先由卸荷閥建立好的活塞上下腔室壓差，最終導(dǎo)致活塞腔室平衡，使三通閥無法切旁路。閥門檢修后，給水投運(yùn)試做高加切換試驗(yàn)，閥門動(dòng)作正常。因此，密封結(jié)構(gòu)對(duì)保證三通閥正常運(yùn)行至關(guān)重要。

3.3 密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化

電廠二期2臺(tái)1 000 MW為二次再熱機(jī)組，給水溫度和壓力比一期高，設(shè)3臺(tái)全容量立式高壓加熱器，采用1套大旁路系統(tǒng)。結(jié)合一期的運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)一些部件進(jìn)行選型優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.3.1 入口三通閥旁路密封結(jié)構(gòu)

為保證入口三通閥的關(guān)閉嚴(yán)密無泄漏，旁路密封部位的上閥座與閥體內(nèi)腔配合間隙間的軸塞式靜密封部位采用了法國(guó)SAINT-GOBAIN的改性聚四氟乙烯(PTFE)彈性蓄能圈，最高工作溫度為316 ℃，彈性蓄能圈與介質(zhì)接觸并密封，工作溫度為189.5 ℃，可確保對(duì)高溫水介質(zhì)密封嚴(yán)密無泄漏；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，彈性蓄能圈具有彈簧輔助密封和壓力自緊密封的性質(zhì)，密封可靠，能保證旁路關(guān)閉時(shí)與閥體間無泄漏。圖4為改性PTFE彈性蓄能圈方案密封結(jié)構(gòu)圖。彈性蓄能圈靠PTFE與金屬之間的柔性密封，接觸部位在有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況下，比如隨著給水壓力的波動(dòng)，仍然能保持較好的密封性能。

圖4 改性PTFE彈性蓄能圈方案密封結(jié)構(gòu)圖

3.3.2 活塞腔密封結(jié)構(gòu)

由于液動(dòng)三通閥活塞腔直接與高加出口介質(zhì)連通，承受的給水壓力設(shè)計(jì)值較常規(guī)1 000 MW機(jī)組增加了3～5 MPa，溫度達(dá)330 ℃，活塞室與活塞間密封選用耐腐蝕、耐磨、耐高溫的金屬活塞環(huán)(見圖5)，確保液壓活塞能按規(guī)定的要求動(dòng)作，高加解列時(shí)液動(dòng)三通閥能可靠切斷高加給水，保證了機(jī)組的安全運(yùn)行。

圖5 活塞室與活塞間密封結(jié)構(gòu)圖

3.3.3 設(shè)置節(jié)流元件

由于火電機(jī)組的參數(shù)越來越高，調(diào)整的精細(xì)化要求越來越高，相對(duì)于旁路，主路的高加將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)額外的壓差，如果高加入口三通閥不采取措施，將在鍋爐內(nèi)產(chǎn)生0.2～0.3 MPa的壓力突變。因此，如何防止在高加切換過程中產(chǎn)生壓力突變，將成為高加入口三通閥的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，入口三通閥旁路流道內(nèi)須考慮有與給水流經(jīng)高加阻力損失相當(dāng)?shù)墓?jié)流元件(見圖6)，設(shè)計(jì)采用節(jié)流元件與旁路密封部位的上閥座零件一體式設(shè)計(jì)，不單獨(dú)增加節(jié)流孔板等元件實(shí)現(xiàn)對(duì)壓損的控制，保證給水走主路和旁路時(shí)出口三通閥出口處的壓力相近，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)干擾小，避免系統(tǒng)切換壓差太大造成系統(tǒng)振動(dòng)。

圖6 設(shè)置節(jié)流元件圖

4 零件材質(zhì)和工藝選取

高加三通閥的材質(zhì)必須滿足給水壓力和溫度，綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)施工條件如避免異種鋼焊接；密封材料材質(zhì)根據(jù)介質(zhì)的溫度同時(shí)充分考慮各段密封的特點(diǎn)，具體見表3。

表3 三通閥主要零部件材質(zhì)和工藝

表3(續(xù))

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)ASME B16.34 《法蘭、螺紋和焊接端連接的閥門》、MSS SP-61 《鋼制閥門的壓力試驗(yàn)》、MSS SP-55 《閥門 法蘭 管件及其他管路附件的鑄鋼件質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了外觀檢查、殼體強(qiáng)度試驗(yàn)、閥桿填料密封試驗(yàn)、密封試驗(yàn)、動(dòng)作性能試驗(yàn)等試驗(yàn)。根據(jù)MSS SP-61 《鋼制閥門的壓力試驗(yàn)》中4.1、4.3和5.1.1條對(duì)相關(guān)試驗(yàn)壓力的要求：殼體強(qiáng)度試驗(yàn)壓力為38 ℃時(shí)閥門額定壓力的1.5倍；閥桿填料密封試驗(yàn)壓力為38 ℃時(shí)閥門的額定壓力；密封試驗(yàn)壓力為38 ℃時(shí)閥門額定壓力的1.1倍；38 ℃時(shí)閥門的額定壓力為46.3 MPa。試驗(yàn)結(jié)果如下：

(1)殼體強(qiáng)度試驗(yàn)介質(zhì)為清潔水、常溫；壓力為69.4 MPa，保壓時(shí)間≥20 min，無泄漏、無破損、無變形。

(2)閥桿填料密封試驗(yàn)介質(zhì)為清潔水、常溫；壓力為46.3 MPa，保壓時(shí)間≥20 min，無可見泄漏。

(3)主路密封試驗(yàn)介質(zhì)為清潔水、常溫；壓力為51 MPa，保壓時(shí)間≥20 min，主路閥無泄漏。

(4)動(dòng)作性能試驗(yàn)介質(zhì)為清潔水，開啟壓力為6 MPa，閥門開啟順暢，動(dòng)作平穩(wěn)，無卡澀現(xiàn)象；關(guān)閉時(shí)間為3 s，小于5 s。

機(jī)組總體性能指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

6 國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口高加三通閥對(duì)比

表4為國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口三通閥設(shè)計(jì)特點(diǎn)對(duì)比。

表4 國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口三通閥設(shè)計(jì)特點(diǎn)對(duì)比表

由表4可以看出：國(guó)產(chǎn)高加三通閥與進(jìn)口高加三通閥在結(jié)構(gòu)原理方面基本相同，國(guó)產(chǎn)閥門在閥體鍛造、密封元件材質(zhì)選用、閥門啟閉時(shí)間調(diào)整上經(jīng)優(yōu)化后更具有優(yōu)勢(shì)。目前雖然1 000 MW機(jī)組進(jìn)口單列高加三通閥的價(jià)格下降了近30%，但和國(guó)產(chǎn)的相比，還是高了近一倍。

7 結(jié)語

針對(duì)二次再熱百萬機(jī)組單列國(guó)產(chǎn)高加三通閥的參數(shù)特點(diǎn)，重點(diǎn)探討了國(guó)產(chǎn)高加三通閥密封設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)方式選取、零件材質(zhì)、與進(jìn)口閥門對(duì)比等內(nèi)容，并對(duì)優(yōu)化后的機(jī)組進(jìn)行了性能試驗(yàn)驗(yàn)證。該類型高加三通閥選型具有先進(jìn)性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，在1 000 MW二次再熱機(jī)組中，該類型高加三通閥具有廣闊的前景。