高压加热器入口三通阀的设计

1 概述
    在火力发电系统中，为了提高系统的效率，将汽轮机中完成热能交换的部分蒸汽抽出并送到高压加热器（简称高加，下同），通过热交换把流经高加的给水加热，提高锅炉给水温度，从而降低锅炉能源消耗，提高火电系统的效率。在高加入口的给水管路上安装了三通阀。当高加发生故障或其他原因需要断开时，可通过快速关闭三通阀主通路切断高加给水，将高加与系统断开，以保护高加。此时，流经高加的给水通过三通阀的旁路流入锅炉，不影响机组的正常运行。
 2 工作原理
    高加入口三通阀（图1）有两个通路，其中主通路流向高加，旁通路直接流向锅炉。当电厂正常工作时，三通阀阀瓣上部密封面与上阀座密封面接触（图2），旁通路处于关闭状态，主通路处于开启状态，给水从主通路流入高加，经抽汽系统进入高加的蒸汽加热后流入出口阀再到锅炉继续加热形成蒸汽。当高加发生故障需要紧急断开时，三通阀上的快速电动执行机构接到指令将阀瓣向下运行，阀瓣

图1 三通阀安装位置
    下密封面与下阀座密封面接触，将三通阀主通路关闭，旁通路开启，给水从旁通路流出，经出口阀直接进入锅炉，确保电厂不停机，此时电厂可对高加进行紧急检修。当高加检修后需要重新投入运行时，由高加注水系统向高加注水。在压力达到规定值时，电动执行机构接到指令将阀瓣向上提起，关闭三通阀的旁通路，整个系统恢复正常工作状态。

 
1.阀体 2.下阀座 3.阀瓣 4.阀杆 5.上阀座 6、7.密封环 8.四开环 9.填料 10.支架
11.电动执行机构 12.轴承 13.活节螺栓 14.预紧螺栓
图2 三通阀主通路开启
 
图3 三通阀旁通路开启
    3 设计
    3.1 结构
    三通阀阀体为三通路结构，阀瓣类似于截止阀阀瓣。阀瓣具有上下2个密封面并保持平行。上阀座采用自密封结构固定在阀体上，预紧螺栓将上阀座提起，压紧密封环，从而确保旁路关闭时，给水不会从上阀座的外面流入旁路。预紧螺栓下设有3组弹簧垫片，能给密封力以补偿，同时胀紧螺栓，使螺栓不会脱落。阀体中腔采用自密封结构，非旋转阀杆带动阀瓣上下运动，延长填料的使用寿命。阀杆采用电动执行机构操作。由于高加发生故障时需要紧急切断阀门，因此电动执行机构需采用快速驱动型，同时阀杆采用双头梯形螺纹，加快启闭速度。
    3.2 阀体壁厚
    阀体壁厚t为
     
    式中
    t———阀体壁厚计算值，mm
    Pc———额定压力级，MPa
    D———内径，mm
    S———应力系数（S=7000），psi
    C———铸造偏差和腐蚀余量，mm
    阀体实际选用的壁厚应大于等于计算值t。阀体壁厚t也可以在相关资料中获得。
    3.3 阀瓣厚度
    阀瓣厚度Sb'为
     
    式中
    K———壁厚系数（PN=2.0MPa，K=0.8；PN=5.0MPa，K=0.65；PN=10.0MPa，K=0.5）
    DMP———密封面平均直径，mm
    ［σW］———材料许用弯曲应力，MPa
    3.3  阀杆操作力
    高加出现故障需要紧急断开时，电动执行机构驱动阀杆下降将三通阀主通路关闭，阀杆主要受填料的摩擦力Ftl、阀前压力P1产生的作用力Ffq、阀后压力P2产生的作用力Ffh以及密封面上的密封力Fmf的影响，其操作力为F。高加故障修复后，需要重新运行时，电动执行机构驱动阀杆上升，将三通阀旁通路关闭，阀杆主要受填料的摩擦力Ftl、阀前压力P1产生的作用力Ffq、高加侧压力P3产生的作用力Fgj以及阀前压力P1作用在阀杆上的作用力Ffg的影响，其操作力为F'。
    F=Ftl+Fmf+Ffq－Ffh
    F'=Ftl+Ffq－Fgj－Ffg
    Ftl=ψdfbtP1
    Fmf=0.785（d02－d2）k（P1－P2）
    Ffq=0.785d2P1
    Ffh=0.785（d02－df2）P2
    Fgj=0.785（d'+dm）2P3
    Ffg=0.785df2P1
    式中  
    Ftl———填料对阀杆的摩擦力，N
    ψ———系数（由填料深度/填料宽度确定）
    df———阀杆直径，mm
    bt———填料宽度，mm
    P1———阀前压力，MPa
    Ffq———阀前压力P1产生的作用力，N
    d———上阀座密封面内径，mm
    Fmf———密封面上的密封力，N
    d0———上阀座密封面外径，mm
    k———系数
    P2———阀后压力，MPa
    Ffh———阀后压力P2产生的作用力，N
    P3———高加侧压力，MPa
    Fgj———高加侧压力P3产生的作用力，N
    d'———下阀座密封面内径，mm
    dm———密封面宽度，mm
    Ffg———阀前压力P1作用在阀杆上的作用力，N
    4 高加入口保护阀类型
    在国内根据不同的机组及系统要求，除了电动高加三通阀外，还有全液动自动控制高加三通保护阀、液动控制高加四通保护阀和三台闸阀组合系统。
    4.1 全液动自动控制高加三通保护阀
    阀门为三通结构，内部设有液压缸，当高加系统出现故障时，通过快开阀将液压缸内下腔介质快速排空，流经阀体内的介质通过控制针阀补充到液压缸上腔，依靠阀瓣的上下压差推动阀瓣向下运动，从而关闭流向高加的回路，打开流向锅炉的旁通路。该阀门全部依靠流经阀门的介质自动操作，不需要额外的驱动系统，但对阀门的加工精度及控制系统要求较高。
    4.2 液动控制高加四通保护阀
    阀门为四通结构，上部设有液压缸，液压缸内设有弹簧，当高加系统出现故障需要关闭高加时，液压源流入液压缸上腔，推动阀杆向下动作，从而使阀门关闭主通路，给水流向旁通路。该阀门需要电厂配备额外的液压源，但阀门关闭的速度快，几秒钟内就能切断高加。
    4.3 三台闸阀组合
    在高加前后及旁路上各配有一台高温高压电动楔式单闸板阀门，三台阀门一起组成高加保护系统。系统正常工作时，高加进口前的闸阀和高加出口后的闸阀开启，高加旁路上的闸阀关闭，给水经高加至锅炉。当高加系统出现故障时，高加前和高加后的闸阀同时关闭，高加旁路上的闸阀打开，给水经旁路流至锅炉。这种三台电动闸阀组合作为高加保护阀的系统，由于采用了全通径的闸阀，流体特性较好，但是动作时间较长，系统的造价较高。
    5 结语
    三通阀在电厂对高加起着重要的保护作用。目前，国内高加入口三通阀有液动和电动两种形式。液动三通阀需要提供液压缸和压力介质，关闭速度快。电动通阀关闭速度比液动三通阀慢，但性能比液动三通阀可靠。