迷宫式调节阀技术在汽轮机高压旁路阀改造中的应用

    0 引言

    汽轮机旁路系统是与汽轮机并联的蒸汽减温减压系统，一般都是由减温减压阀、减温水调节阀、管道及控制装置所组成。高压旁路阀，可使多余蒸汽不进入汽轮机高压缸而直接进入再热器，蒸汽的压力和温度通过减温减压装置（即旁路阀）使蒸汽参数降至再热器人口处的蒸汽参数。

    机组负荷变化时，旁路系统具有良好的调节作用，即使锅炉、汽轮机负荷匹配。旁路系统能适应机组定压运行和变压运行两种工况。同时当电网突然故障，旁路系统能在2～4s内自动开启投入运行。机组带厂用电负荷运行，待故障消除后立即向电网供电，即带厂用电运行工况；当汽轮机跳闸时锅炉降负荷至最低稳压负荷下继续连续运行，即停机不停炉工况；汽轮机旁路阀都发挥了重要的作用。

    1 高压旁路阀普遍存在的问题

    由于汽轮机高压旁路阀是在恶劣工况下运行的阀门，其前后压差相当大。以600MW机组的二级旁路系统为例（如图1所示），高压旁路阀门进口压力是主蒸汽压力，额定工况时为16.67MPa，阀门出口压力是再热器进口压力，额定工况时为2.41MPa，所以调节阀在额定工况下阀门前后的压力差为14.26MPa。调节阀中的流体在高压力差下必然会成为高速流体，而阀门内产生汽蚀、闪蒸、振动和噪音的主要原因就是高速流体的存在。所以目前大多数电厂的高压旁路阀因高速流体的影响，普遍存在：阀门密封面因侵蚀引起泄漏；机组运行期间管道产生高噪音、高振动；阀内件发生严重损坏等问题。

图1 汽轮机旁路系统

    2 高压旁路阀产生泄漏原因分析

    当压力为P₁的高速介质通过高压旁路阀时，介质首先通过阀筒流动到阀芯位置，由于旁路阀中的阀芯和阀座之间具有能产生颈缩现象的节流，使介质压力降低到P₂，当介质压力P₂低于该介质的饱和蒸汽压力Pv时，介质就会在阀芯位置产生汽化现象形成气泡。当介质通过阀芯和阀座形成的颈缩位置后，介质压力会由P2提高到P₃，并大于介质的饱和蒸汽压力Pv，这时之前形成的气泡就会发生破裂，在阀门中产生极大的局部压力。阀门中的节流元件都会受到局部压力的变化而发生严重的破坏，这既是所谓的汽蚀现象。[2]这种巨大的能量变化是造成阀门的损坏的主要原因，使得阀门发生内漏和外漏，导致阀门运行中的高噪音及管道的振动，从而影响整个系统的安全性和运行效率。

    因此，高压旁路阀在恶劣工况下产生泄漏的原因就是阀内件受到汽蚀所致，即阀门受到来源于高速流体流过阀芯，产生巨大的能量变化。

    3 迷宫式调节阀

    迷宫式调节阀是目前新一代的、具有较高技术含量的、能够适应高温高压等恶劣环境下的调节型阀门。迷宫式调节阀与普通调节阀所不同的是具有多层迷宫式芯包，其利用迷宫式芯包多级降压的原理，无论阀门前后压力差的大小，经过芯包后介质流速就会受到限制，使介质压力一直保持在在汽化压力Pv之上，从而避免阀门内件产生汽蚀现象，因此能够解决普通调节阀所发生的阀内件汽蚀、运行时高噪音、管道震动、阀门调节灵敏度低等普遍问题。迷宫式调节阀主要运用在高温高压条件下所需阀门中，目前在电厂锅炉减温水调节阀、给水泵最小流量控制阀、连续排污调节阀、主蒸汽调节阀以及轴封蒸汽调节阀中都有广泛应用。

    迷宫式调节阀主要由阀体、包括芯包在内的阀内件、阀盖、阀座、阀杆、密封填料及执行器组成。其核心技术是阀门内具有多层迷宫盘片层叠形成的芯包，所有迷宫盘片都是用无电解镍钎焊材料，经过加压，放入真空电炉加温烧结而成。所以整个迷宫盘片层叠的芯包本身就相当于一张滤网，把高压旁路阀系统中的一些固体杂质挡在芯包之前，从而保护阀芯和阀座不被划伤，实现阀内件不受汽蚀等问题，如图2所示。

图2 迷宫式阀门芯包

    4 应用实例

    下面以哈尔滨第三发电厂600MW机组3号机高压旁路阀为例，采用迷宫式调节阀技术进行改造。3号机组高压旁路阀主要参数：额定流量为600t/h，进/出口压力为16.67MPa/2.41MPa，进/出口温度为537℃/282.5℃，调节特性为线性，执行机构形式为电-液式。

    4.1 高压旁路阀损坏情况

    从现场了解和调查的情况来看阀体完好，但阀内件损坏的情况是严重的。其损坏情况如图3、图4所示。

图3 阀芯损坏情况照片

图4 阀内件内套筒损坏情况照片

    4.2 利用迷宫式阀内件改造

    哈尔滨第三发电厂600MW机组3号机高压旁路阀的进口压力为16.67MPa，出口压力为2.41MPa，压差为14.26MPa。迷宫型叠片式阀内件，其最大压差可达34MPa左右，可调比可达到800∶1，所以能够充分地满足3号机高压旁路阀压差和调节功能的的要求。迷宫式阀内件是把一连串单独的圆片叠加在一起，并将其整合成一个套筒，籍以达到降低流速的目的。每一个圆片都有经过精心调控的小孔和表面蚀刻带有许多尖锐转角的通道，并构成一定的图形。当阀芯在套筒内位移时，流体受到节流并迫使其流过极其曲折的途径，而每个转角就起一级降压的作用。由于众多狭窄流道（每个都具有许多尖锐转角和连续扩张的流径）的组合效应，在逐级膨胀的过程中减少了流体的动能，降低了压力，因而避免了噪声的来源。

    在原3号机高压旁路阀的阀体上安装新的迷宫型阀内件。其改造过程利用下面图示进行阐述：先安装阀座及密封环，如图5所示；再安装迷宫式阀芯，如图6所示；之后安装阀杆，如图7所示；再安装导向装置、阀盖及填料等阀内件，如图8所示。

图5 安装阀座及密封环

图6 安装迷宫型阀芯

图7 安装阀杆

图8 安装导向装置、阀盖及填料等阀内件

    4 结语

    经改造后的高压旁路调节阀能很好地维持电厂汽轮机组安全经济运行，在电厂多次大修小修过程中对高压旁路阀进行解体检验，均未发现阀门内部有任何冲刷和损坏现象。迷宫式改造技术能够有效地控制高速流体的产生，能成功解决高温高压阀门所遇到的汽蚀、高噪音、震动、闪蒸等普遍问题，并能够提供流量的准确控制和阀门良好的关闭特性，保证了机组安全、经济、稳定地运行，提高机组运行的经济效率并延长了维修周期。