常規(guī)島再熱系統(tǒng)高壓加熱器危急工況疏水調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李隨義，楊熙翀

（浙江永盛科技股份有限公司，杭州 311400）

0 引言

再熱系統(tǒng)高壓加熱器的功能是利用汽輪機(jī)高壓缸的抽氣加熱二回路的給水，并接收汽水分離再熱器疏水。通過(guò)提高回路給水的溫度，進(jìn)一步提高機(jī)組熱力循環(huán)效率。當(dāng)高壓加熱器出現(xiàn)高水位時(shí)，就要打開(kāi)危急疏水調(diào)節(jié)閥快速排出疏水。高壓加熱器危急工況疏水調(diào)節(jié)閥作為再熱系統(tǒng)重要閥門(mén)之一，因此危急疏水閥的運(yùn)行可靠性和性能，直接影響機(jī)組的運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性[1]。根據(jù)在役危急工況疏水調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)的一些問(wèn)題，如高加危急疏水閥打不開(kāi)、閥體沖蝕穿孔的這些問(wèn)題，在設(shè)計(jì)過(guò)程中專門(mén)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使該閥門(mén)具有更好的可靠性和使用壽命，保證再熱系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[4]。

1 危急疏水調(diào)節(jié)閥運(yùn)行工況參數(shù)及要求

要求高壓加熱器危急疏水調(diào)節(jié)閥具有高參數(shù)和長(zhǎng)設(shè)計(jì)使用壽命的特點(diǎn)，如：1）密封等級(jí)要求高，泄漏量要求ANSI/FCI Ⅴ級(jí)；2）介質(zhì)溫度高，溫度在210 ℃左右；3）壓差大，最大壓差達(dá)到2.5 MPa；3）閥門(mén)動(dòng)作速度要求快，執(zhí)行器失效全行程時(shí)間≤3 s，如果閥門(mén)動(dòng)作超過(guò)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，可能導(dǎo)致系統(tǒng)報(bào)警。

依據(jù)表1的工藝參數(shù)，通過(guò)選型軟件計(jì)算得出6號(hào)、7號(hào)急疏水調(diào)節(jié)閥的選型參數(shù)如表2、表3所示。

表2 7號(hào)危急疏水調(diào)節(jié)閥的選型參數(shù)

綜合表1～表3的數(shù)據(jù)可以看出，7號(hào)危急疏水調(diào)節(jié)閥最大壓差達(dá)到了2.5 MPa，要求Ⅴ級(jí)密封，6號(hào)危急疏水調(diào)節(jié)閥最大壓差為1.7 MPa，泄漏量要求同為Ⅴ級(jí)，且危急疏水調(diào)節(jié)閥會(huì)出現(xiàn)閃蒸，高流速等惡劣工況，為了保證危急疏水調(diào)節(jié)閥能在這些惡劣工況下可靠、穩(wěn)定地運(yùn)行，結(jié)合現(xiàn)役閥門(mén)的使用情況及此次參數(shù)的計(jì)算結(jié)果，對(duì)CAP1400機(jī)組常規(guī)島6號(hào)、7號(hào)高壓加熱器危急工況疏水調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了如下優(yōu)化設(shè)計(jì)。

表3 6號(hào)危急疏水調(diào)節(jié)閥的選型參數(shù)

1.1 先進(jìn)預(yù)啟式籠式導(dǎo)向設(shè)計(jì)

預(yù)啟式籠式導(dǎo)向危急疏水調(diào)節(jié)閥的工作原理如圖1所示，當(dāng)閥門(mén)在要求關(guān)閉時(shí)，閥桿在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下向下推動(dòng)預(yù)啟閥芯關(guān)閉，由于預(yù)啟彈簧的反作用力，首先將使主閥芯和閥座密封面接觸，隨著執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力的增加，預(yù)啟彈簧被壓縮，預(yù)啟閥芯隨即關(guān)閉，此時(shí)介質(zhì)通過(guò)主閥芯平衡孔和閥籠間隙進(jìn)入閥籠上腔體，使閥芯部件形成背壓，閥芯部件在執(zhí)行機(jī)構(gòu)和背壓力的共同作用下，與閥座密封面嚴(yán)密貼合[3]。介質(zhì)壓力越高，閥門(mén)密封越嚴(yán)密，因此只需要較小的執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力就能實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的嚴(yán)密、可靠的密封[7]。

圖1 預(yù)啟式籠式導(dǎo)向設(shè)計(jì)

當(dāng)閥門(mén)打開(kāi)時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)閥桿向上移動(dòng)，同時(shí)在預(yù)啟彈簧的張力作用下，預(yù)啟閥芯先打開(kāi)，卸去背壓力，執(zhí)行機(jī)構(gòu)只要克服閥芯組件的重力即可開(kāi)啟閥門(mén)。

采用預(yù)啟閥芯來(lái)降低閥門(mén)啟閉時(shí)所受介質(zhì)不平衡力，使閥門(mén)能夠進(jìn)行比較平穩(wěn)的開(kāi)啟和關(guān)閉，預(yù)啟閥芯的流通能力要大于主閥芯與閥籠間隙的流通能力。預(yù)啟閥芯的行程應(yīng)控制在閥門(mén)額定行程的8%以下[2]，否則將會(huì)影響閥門(mén)打不開(kāi)或小流量范圍內(nèi)無(wú)法調(diào)節(jié)的問(wèn)題。為控制預(yù)啟閥芯和主閥芯上下方向的振動(dòng)趨勢(shì)，在主閥芯腔體內(nèi)設(shè)置一個(gè)高能蓄力彈簧，該彈簧具有良好的緩沖吸收振動(dòng)的能力，能夠很好地保持主閥芯和輔助閥芯在調(diào)節(jié)狀態(tài)時(shí)的相對(duì)位置，保證調(diào)節(jié)性能的穩(wěn)定。

同時(shí)閥芯導(dǎo)向采用特瑞堡TurconRM12材料的耐高溫導(dǎo)向環(huán)，該材料具有耐高溫、線膨脹系數(shù)小、摩擦因數(shù)低等特點(diǎn)，配合特殊切口設(shè)計(jì)可以完全消除閥芯卡澀、振動(dòng)等問(wèn)題。通過(guò)導(dǎo)向環(huán)和硬化處理的閥籠導(dǎo)向內(nèi)壁相互配合，可以消除閥芯部件因高溫膨脹而加大的配合間隙，降低了閥芯部件的振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，提高了危急工況疏水調(diào)節(jié)閥在苛刻工況下運(yùn)行的可靠性。

如圖2所示，通過(guò)高溫?zé)釕B(tài)性能試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的危急疏水閥在高溫?zé)釕B(tài)性能試驗(yàn)過(guò)程中動(dòng)作順暢、無(wú)卡頓，死區(qū)、回差等技術(shù)指標(biāo)大大低于設(shè)計(jì)大綱要求。

圖2 危急疏水調(diào)節(jié)閥高溫?zé)釕B(tài)性能試驗(yàn)

1.2 均壓閥籠保護(hù)設(shè)計(jì)

從現(xiàn)役閥門(mén)的實(shí)際使用情況發(fā)現(xiàn)，由于管道雜質(zhì)隨介質(zhì)流入閥芯、閥籠之間的間隙，造成閥芯卡澀，更有甚者一些硬質(zhì)顆粒隨閥芯動(dòng)作劃傷閥籠導(dǎo)向內(nèi)壁，導(dǎo)致導(dǎo)向失效并引起閥芯部件振動(dòng)。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)（如圖3），在閥籠外設(shè)置1個(gè)帶有細(xì)小出液孔的均壓閥籠，通過(guò)均壓閥籠過(guò)濾掉介質(zhì)中的雜質(zhì)和硬質(zhì)顆粒，防止雜質(zhì)、硬質(zhì)顆粒進(jìn)入配合間隙造成閥芯卡澀和閥座密封面沖刷，同時(shí)均壓閥籠還會(huì)起到一定的穩(wěn)流作用，避免高壓介質(zhì)直接沖擊閥籠。

圖3 均壓閥籠保護(hù)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)后的危急疏水調(diào)節(jié)閥解體，發(fā)現(xiàn)閥腔內(nèi)有大量焊渣、銹渣等硬質(zhì)顆粒等（如圖4），通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)均壓閥籠將管道內(nèi)的大量雜質(zhì)過(guò)濾在了閥籠外，起到了過(guò)濾保護(hù)作用，達(dá)到了此次優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求。

圖4 閥腔內(nèi)過(guò)濾出的硬質(zhì)顆粒

2 閥芯部件可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)

目前使用的同類產(chǎn)品大都采用了限位壓蓋、螺栓等機(jī)械連接方式將主閥芯和預(yù)啟閥芯連接為一個(gè)整體，由于高壓差工況下介質(zhì)的流態(tài)為典型的高速喘流，流體產(chǎn)生劇烈的壓力脈動(dòng)和漩渦，誘發(fā)流體激振[5]，流體激振等原因會(huì)導(dǎo)致上述連接方式失效，造成主閥芯與輔助閥芯分離，閥門(mén)無(wú)動(dòng)作。如圖5所示，優(yōu)化結(jié)構(gòu)后的閥芯部件由主閥芯、預(yù)啟閥芯、高能蓄力彈簧及重載軸向擋圈幾個(gè)零件構(gòu)成，閥芯部件零件數(shù)量少、質(zhì)量輕、連接可靠，重載彈簧擋圈卡在主閥芯凹槽內(nèi)，無(wú)需其他的機(jī)械方式固定，不會(huì)因?yàn)檎駝?dòng)等原因造成螺紋松動(dòng)、連接失效等致命故障的出現(xiàn)，并且彈簧擋圈選用高強(qiáng)度的鎳基合金材料，抗剪強(qiáng)度高，可承受交變載荷沖擊，大大增加了閥芯組件各零件之間連接的可靠性，并且擋圈安裝簡(jiǎn)便，拆裝容易。優(yōu)化后的閥芯組件結(jié)構(gòu)緊湊，體積和常規(guī)閥芯相同，可以完美互換，通用性強(qiáng)。當(dāng)閥門(mén)動(dòng)作時(shí)，預(yù)啟閥芯打開(kāi)一個(gè)小開(kāi)度時(shí)，彈簧的預(yù)緊力將主閥芯和預(yù)啟閥芯連接為一個(gè)可靠整體隨執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)來(lái)改變流量孔的面積來(lái)調(diào)節(jié)流量的大小。

圖5 閥芯部件可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)

3 閥體免介質(zhì)直接沖蝕設(shè)計(jì)

從目前使用的情況發(fā)現(xiàn)，閥體經(jīng)常過(guò)早出現(xiàn)穿孔、滲漏等致命問(wèn)題，無(wú)法滿足機(jī)組60 a壽命的使用要求。因?yàn)槲＜惫r疏水調(diào)節(jié)閥是在正常疏水閥不能及時(shí)將疏水排出的情況下，高壓加熱器處于高水位時(shí)，閥門(mén)需要快速打開(kāi)將疏水排出的一個(gè)使用工況[1]，由于高壓差，疏水通過(guò)閥座節(jié)流孔時(shí)流速急劇增加，同時(shí)靜壓力的驟然下降，部分介質(zhì)汽化形成氣體，出現(xiàn)一個(gè)氣液共存的閃蒸現(xiàn)象，隨著閥后壓力的逐步恢復(fù)，氣泡破裂而出現(xiàn)空化現(xiàn)象，由于氣泡的爆裂，所有的能量集中在破裂點(diǎn)上，產(chǎn)生極大的沖擊力會(huì)對(duì)閥體造成爆裂式的沖擊破壞[6]，造成材料晶粒的不斷剝離，閥體壁厚減薄，直至穿孔，同時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)、噪聲等危害，引起管道、支吊架、管件產(chǎn)生疲勞破壞，甚至破裂，直接影響整套機(jī)組的運(yùn)行安全[1]。為此優(yōu)化了閥座結(jié)構(gòu)（如圖6），采用了多孔降噪、底部完全封閉，且內(nèi)壁經(jīng)過(guò)特殊硬化處理的防介質(zhì)直接沖擊的閥座結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后的閥座相當(dāng)于一個(gè)多孔阻尼裝置，介質(zhì)進(jìn)入閥座后壓力有所提高，從而大大減少了閃蒸量，有效地降低了流速，介質(zhì)通過(guò)閥座側(cè)壁的降噪孔流出，避免高速流體直接沖擊閥體內(nèi)壁，完全避免了高速介質(zhì)對(duì)閥體的直接沖擊，能夠大大延長(zhǎng)閥體壽命。

圖6 閥體免介質(zhì)直接沖擊設(shè)計(jì)

4 結(jié)語(yǔ)

預(yù)啟式籠式導(dǎo)向危急疏水調(diào)節(jié)閥，具有典型的耐高溫、密封等級(jí)高、開(kāi)關(guān)響應(yīng)時(shí)間短等特點(diǎn)，優(yōu)化的降噪防沖刷閥座能有效保護(hù)閥體受高速介質(zhì)的直接沖擊，很大程度上延長(zhǎng)了閥門(mén)使用壽命，提高了機(jī)組的運(yùn)行效率。通過(guò)熱態(tài)循環(huán)等相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證了此次優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性，希望在后續(xù)大量的實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)一步去檢驗(yàn)相關(guān)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化能否解決危急疏水閥在苛刻工況下出現(xiàn)的相關(guān)問(wèn)題。