基于新型中壓調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)的供熱調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)

王 瑞

（重慶川儀調(diào)節(jié)閥有限公司，重慶 400707）

0 引言

4.0MPa左右的中壓蒸汽廣泛應(yīng)用于化工工藝中，高效中壓汽輪機(jī)可通過與供熱控制相連的中壓控制閥向加熱段輸送大量中壓蒸汽。這種供熱改造項(xiàng)目的優(yōu)點(diǎn)是投資少，施工時(shí)間短，利潤高，市場前景好，推廣價(jià)值大。后加熱段供熱改造的關(guān)鍵在于如何提高汽輪機(jī)中壓調(diào)節(jié)閥的控制能力，以及如何確保供汽質(zhì)量和可靠性[1]。

在現(xiàn)有的再熱汽輪機(jī)中，除個(gè)別機(jī)組的中壓控制閥設(shè)計(jì)為參與熱量輸入外，大部分機(jī)組的中壓控制閥在運(yùn)行過程中并不獨(dú)立參與負(fù)荷控制，其控制特性相對(duì)較差。在中壓控制閥參與熱輸入控制的情況下，由于必須對(duì)閥板進(jìn)行調(diào)節(jié)以控制熱輸入流量和壓力，因而閥門通常位于閥板上下游壓差較大的小型或中型孔板上[2]。如果使用傳統(tǒng)閥門來控制供熱量，在供熱條件下，閥桿有可能過度振動(dòng)。如果大量改造項(xiàng)目在熱泵過熱段進(jìn)行泵送，則必須更換特殊的控制閥。本文提出了一種主要可用于此類供熱的新型閥門設(shè)計(jì)方法，并對(duì)典型供熱條件下的流場進(jìn)行了分析。

1 中壓調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)方案概述

常見的渦輪控制閥設(shè)計(jì)包括幾種主要類型，如圖1所示。圖1（a）所示的球閥具有高流量系數(shù)和低阻力；圖1（b）所示的圓盤閥擴(kuò)散角略小，由單個(gè)圓弧連接；圖1（c）所示的平底笛形閥的設(shè)計(jì)使碟形閥的底部減少了對(duì)喉部蒸汽流動(dòng)的影響。連接圓頂管線下方的尾部被完全阻斷，閥板形成錐體的一部分[3]。試驗(yàn)表明，這種管路具有出色的抗振性、低脈動(dòng)力和良好的穩(wěn)定性，但阻力系數(shù)略高。圖1（d）顯示的是缺口閥“G1”型，其特點(diǎn)是這種執(zhí)行機(jī)構(gòu)將接觸線部分從球面圓盤頭上切斷，并將其沿錐體部分固定，因此蒸汽流的脈動(dòng)力介于圖1（b）和圖1（c）之間。

圖1 幾種典型的閥碟與閥座型線Fig.1 Several typical valve disc and seat profiles

大量流體力學(xué)和運(yùn)行研究的數(shù)值結(jié)果表明，在上述類型的中小孔徑調(diào)節(jié)閥中，閥板受到碰撞，出現(xiàn)滯流現(xiàn)象，閥座下出現(xiàn)圖2所示的“氣蝕區(qū)”，蒸汽流從閥板形成的環(huán)形流道匯聚到閥板上，空化區(qū)由此形成。在粘性作用下，空腔區(qū)的蒸汽繼續(xù)被下游蒸汽流排出，而周圍的蒸汽流繼續(xù)滲透，充滿空腔，形成非靜止流。隨著閥門沖程的增大，空化區(qū)減小，流場分布趨于均勻，波動(dòng)流逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎硿鳌?/p>

圖2 空穴區(qū)域示意圖Fig.2 Schematic diagram of hole area

2 參與供熱控制的中壓調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)新方案

閥瓣下“空腔”區(qū)域的不穩(wěn)定氣流是造成喉管附近流體參數(shù)分布不均的主要原因，從而引起閥瓣和閥桿的振動(dòng)。在中小孔徑調(diào)節(jié)閥的運(yùn)行過程中，空腔區(qū)域氣流長時(shí)間的突然變化是衡量設(shè)計(jì)是否合適的重要標(biāo)準(zhǔn)。由于調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)尺寸較小，由氣流力引起的閥瓣和閥桿的表面積也相應(yīng)較小，因而閥桿振動(dòng)問題可能并不明顯。隨著設(shè)計(jì)尺寸的增大，由氣流激振力引起的閥瓣和閥桿表面積也相應(yīng)增大，中壓控制閥的大尺寸設(shè)計(jì)會(huì)顯著增加振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，這是因?yàn)槔淠髟贌峥刂崎y僅相對(duì)于主蒸汽控制閥開啟，用于兩級(jí)串聯(lián)旁路的斜率控制，或有時(shí)參與低負(fù)荷控制（通常小于30%的負(fù)荷）[4]。低負(fù)荷時(shí)，再熱調(diào)節(jié)閥內(nèi)壓力低，閥板上下游壓差小，蒸汽容積流量大，閥門開度相應(yīng)大，流場分布趨于均勻，閥板和閥桿因蒸汽流動(dòng)而產(chǎn)生的流量小。對(duì)于大流量熱泵機(jī)組的熱力部分，中壓控制閥往往需要用中壓孔板控制熱流量和壓力。再熱部分的蒸汽排氣會(huì)導(dǎo)致低壓和中壓氣缸中的蒸汽流量減少，從而降低中壓控制閥下游的壓力，通常會(huì)增大閥門上的壓差[5]。向加熱裝置供應(yīng)蒸汽的過熱器部分的中壓控制閥的運(yùn)行條件，可以概括為與單獨(dú)的凝汽式汽輪機(jī)的運(yùn)行條件明顯不同。如果在清潔凝汽式機(jī)組中繼續(xù)使用常用的中壓控制閥，尺寸較大的閥板將顯著增加“空腔區(qū)域”中不確定流動(dòng)所產(chǎn)生的力，并極有可能導(dǎo)致閥桿振動(dòng)等問題。下文將提出一種新的中壓控制閥設(shè)計(jì)方案，主要通過根據(jù)再熱段的加熱條件改變流量特性，提高中小孔徑閥門的運(yùn)行安全性和可靠性以及控制性能。

這項(xiàng)工作主要從3個(gè)方面入手，提出了一種與熱流控制方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)的新型中壓控制閥。

1）中、小沖程長度的離心式壓力控制閥，喉部由閥板下端和閥座通道上端組成。在上扇區(qū)設(shè)計(jì)閥板導(dǎo)向和閥座，以提供具有縫合開口幅度的通道喉區(qū)，從而改善調(diào)節(jié)器。

調(diào)節(jié)閥可精確控制熱流量和壓力。同時(shí)，參與加熱控制過程的閥門行程變化幅度也相應(yīng)較小，提高了液壓執(zhí)行器運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2）對(duì)閥板、閥座和閥殼進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，可以改變流道的形狀和截面，更好地滿足蒸汽膨脹的需要，防止在中小孔道中閥板底部形成空腔，降低閥板中蒸汽流動(dòng)的激振力，提高閥門運(yùn)行的穩(wěn)定性[6]。

3）優(yōu)化自由起動(dòng)閥的設(shè)計(jì)，利用未加載腔流出的蒸汽，改善閥盤下的流場分布。獨(dú)立設(shè)計(jì)，中壓調(diào)節(jié)閥和主蒸汽閥采用閥桿、閥板、閥座等部件獨(dú)立設(shè)置，閥體和閥座共用的閥門方式，主蒸汽閥水平布置，調(diào)節(jié)閥垂直布置，無主蒸汽閥和調(diào)節(jié)閥時(shí)采用焊接對(duì)應(yīng)閥殼，整體幾何形狀如圖3所示。

圖3 中壓主汽調(diào)節(jié)閥總體布置圖Fig.3 General layout of medium pressure main steam regulating valve

如圖4所示，在控制閥閥盤和閥蓋延伸部分之間安裝了一個(gè)導(dǎo)向銷，以防止閥盤在蒸汽流動(dòng)過程中旋轉(zhuǎn)，控制閥采用自由啟動(dòng)閥結(jié)構(gòu)。自由啟動(dòng)閥盤和閥桿為一體化結(jié)構(gòu)，自由啟動(dòng)閥座集成在控制閥閥盤內(nèi)部，中海與東洋660MW：超高壓二次加熱調(diào)節(jié)閥預(yù)啟動(dòng)閥的設(shè)計(jì)與不帶預(yù)啟動(dòng)閥的空載腔氣壓性能對(duì)比分析。結(jié)合預(yù)啟動(dòng)閥，閥門下的流場更加對(duì)稱，閥門在閥桿噪聲和振動(dòng)方面也表現(xiàn)得更好[7]。究其原因是因?yàn)樵诳涨粎^(qū)域，從干排放腔流出的滯留流體的粘性效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致部分蒸汽逸出。因此，新設(shè)計(jì)的自由啟動(dòng)閥的中壓調(diào)節(jié)閥，旨在優(yōu)化排出室流區(qū)的合理結(jié)構(gòu)。當(dāng)蒸汽流經(jīng)排出室流區(qū)時(shí)，足以將空腔區(qū)的部分蒸汽阻力降至板面以下，同時(shí)將提升力控制在合理范圍內(nèi)，減小空腔區(qū)的尺寸。

圖4 新型中壓調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4 Structure diagram of the new medium pressure regulating valve

調(diào)節(jié)閥的流場結(jié)構(gòu)主要分為閥體腔、閥板底部和閥座三部分，而閥座中的環(huán)形通道和延伸通道[3]根據(jù)對(duì)調(diào)節(jié)閥流場的多次數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)研究，閥體腔的空間相對(duì)較大。由于尺寸較大，流速降低。當(dāng)蒸汽進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，流速會(huì)降低。氣動(dòng)參數(shù)的微小變化：當(dāng)蒸汽在環(huán)形通道中進(jìn)入閥板和閥座時(shí)，蒸汽的快速膨脹會(huì)導(dǎo)致靜壓在極短的沖程時(shí)間內(nèi)迅速下降，圖5所示為閥瓣開啟流道變化過程示意圖。

圖5 調(diào)節(jié)閥開啟過程流道變化示意圖Fig.5 Schematic diagram of flow channel changes during regulating valve opening process

閥座與孔板、閥喉與圓盤的部分俗稱第一喉。閥座上流量最小的部分通常稱為第二喉管，其流通面積始終相同。隨著閥門的開啟，第一喉管的流通面積逐漸增大，當(dāng)開啟度達(dá)到一定值時(shí)，閥門流量不再隨行程的增加而變化，此時(shí)閥門為干開。中壓控制閥主要參與控制由于初始喉管流量變化而引起的加熱。

圖5顯示了新型閥門結(jié)構(gòu)中閥瓣和閥座的主要參數(shù)。新型中壓調(diào)節(jié)閥的閥瓣采用類似子彈頭的大弧形轉(zhuǎn)子部分作為基本結(jié)構(gòu)，因此閥瓣的流通部分較長，閥座采用錐面。通過改變圓盤和閥座輪廓的相應(yīng)參數(shù)，喉部表面積在開啟過程中的變化率更加適中，中低沖程速率下的踏面形狀變化更能適應(yīng)蒸汽膨脹的需要，以及適應(yīng)衰減體中局部快速自由流和渦流引起的截面尺寸的變化，可以避免踏面形狀的突變[8]。充分考慮蒸汽流動(dòng)的運(yùn)行條件，精心選擇閥板和直徑為D的閥座。通過調(diào)節(jié)閥盤的半徑R和圓弧中心與旋轉(zhuǎn)軸之間的距離，可以改變閥盤和閥座之間的長度，從而根據(jù)開啟速度的變化率有效控制閥門的行程和壓降。通過調(diào)節(jié)閥座錐角和閥體與閥座偏置角，在適度開啟時(shí)，第一孔口面積的變化相對(duì)較小。與傳統(tǒng)調(diào)節(jié)閥相比，第一孔口面積相對(duì)于相對(duì)行程d/H的變化率也較低，從而提高了中等開度時(shí)流量和壓力控制的精度。

由于控制閥腔體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，閥喉座和閥盤接觸區(qū)（第一喉管）部分開放。氣門流通面積是氣門升程高度的函數(shù)，而閥門壓力隨著閥門的開啟和閥門的變化而變化。因此，還必須通過數(shù)值分析或氣動(dòng)測試來獲得流量特性，因?yàn)槔碚撚?jì)算很難獲得準(zhǔn)確的流量結(jié)果。

3 新型調(diào)節(jié)閥的流場分析

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）的進(jìn)步使得計(jì)算結(jié)果能夠滿足工程應(yīng)用的精度要求，通過數(shù)值模擬可以捕捉到調(diào)節(jié)閥工作狀態(tài)下內(nèi)部流場的細(xì)節(jié)，了解其變化規(guī)律。在本案例中，以特定類型的330MW亞臨界蒸汽回收再熱段模型為參考模型，設(shè)計(jì)了一種新型中壓控制閥，并按照上節(jié)所述方法使用Pro/Engineer軟件建立了固定模型，如圖6所示。

圖6 調(diào)節(jié)閥幾何模型Fig.6 Geometric model of regulating valve

數(shù)值模擬分析使用市售的CFX嵌套模擬軟件進(jìn)行，工作流體為蒸汽，湍流模型為K-Epsilon Turbulence。相關(guān)計(jì)算條件根據(jù)上述330MW亞臨界再熱段模型設(shè)定，輸入?yún)?shù)為總壓和溫度，輸出值為靜壓。由于調(diào)節(jié)閥的外壁是絕熱的，因而假定壁面也是絕熱的。由于蒸汽操作閥門的設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，因而使用了專門的ICEM網(wǎng)絡(luò)預(yù)處理軟件來定義閥門的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（四面體網(wǎng)絡(luò)）?？紤]到附著面層的影響，為了更好地捕捉閥壁附近流場的細(xì)節(jié)，對(duì)閥壁附近的表面進(jìn)行了遮蔽處理，最終網(wǎng)格總數(shù)約為850000個(gè)。為了獲得閥門的流動(dòng)特性，通過將相對(duì)開度h/D從全關(guān)到全開增加10%來構(gòu)建模型，并在不同壓力比下通過數(shù)值模擬獲得閥門的臨界流速與關(guān)閉閥門的緊縮因子之間的關(guān)系，從而得到流動(dòng)特性曲線。驗(yàn)證上述閥門設(shè)計(jì)方法在加熱條件下能否達(dá)到預(yù)期效果。在參考模型的一般加熱條件下，對(duì)中壓調(diào)節(jié)閥的流場進(jìn)行了數(shù)值模擬分析[9]。在380h的加熱條件下，加熱壓力為3.6MPa.a（即調(diào)節(jié)器前的壓力），排汽再加熱段的溫度為535℃，根據(jù)蒸汽分布曲線的流動(dòng)特性，閥門的h/D比為19.8%。根據(jù)獲得的閥門開度變化分析，速度矢量圖以及壓力分布圖顯示，調(diào)節(jié)閥可以有效限制空腔對(duì)加熱工況下閥門穩(wěn)定流動(dòng)的負(fù)面影響[10]，可以證實(shí)優(yōu)化方向和措施是有效的。

4 結(jié)束語

本文提出了一種新的中壓控制閥設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用于備用加熱段熱輸入的控制。該設(shè)計(jì)主要探討了流量控制特性的中小間隙，優(yōu)化了閥瓣、閥座的輪廓，開閥前閥瓣結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)使閥瓣的流場分布更加均勻，促進(jìn)了傳熱控制，有助于從根本上解決與傳熱相關(guān)的閥桿振動(dòng)問題。新型中壓控制閥以傳統(tǒng)閥門的高效控制作用為基礎(chǔ)，當(dāng)閥門打開時(shí)，流場會(huì)略微增加，從而在一定程度上減緩了變化率，提高了控制精度。