运用多级节流降压技术改造凝结水流量调节阀

一、概述

    华能南通电厂装有4台350MW亚临界压力燃煤发电机组，汽轮机由美国通用电气公司(GE)生产，为八级抽汽，压力由低到高，分别供1#～4#低加、除氧器和3台高加用汽。在4#低加出口和除氧器之间设有并列布置的两只凝结水流量调节阀，依通流量和开启顺序，分别为凝水30%和100%流量调节阀。两只调节阀采用分程调节，低负荷时，先由30%调节阀调节，待其开足后，再由100%调节阀进行调节。

    凝水30%和100%调节阀原设计为美国FISHER公司的套筒(笼式)结构调节阀，为一级节流型式，30%调节阀的通径为3英寸(76mm)。

    机组投产后，30%调节阀在低负荷时噪声很大，且阀体和前后管道振动强烈。因振动大，易使管道支架松动和焊缝产生裂纹，并多次在低负荷运行中因调节阀反馈连杆松脱引起调节阀全关，致使凝结水流量中断影响机组运行。调节阀阀芯和阀座也因磨损、冲蚀过大，容易产生裂纹，使节流件更换周期缩短。  

    为消除上述现象，对30%调节阀在低负荷时产生振动和噪声的原因进行了分析，并制定了调节阀改造方案。

    二、调节阀气蚀原因分析

    在检修时对调节阀进行解体检查和对运行工况及特性进行分析，确认30%凝水流量调节阀在低负荷时产生振动和噪声的原因是由气蚀引起的。

    1.调节阀运行中气蚀产生机理

    如图1所示，调节阀阀座相当于节流孔板，高压流体流经节流孔时，静压能与动压能相互转换，流速增加导致压力降低。当最小节流口的压力P_vc降至等于或低于该流体在入口温度下的气化压力P_v时，液体中的气核即膨胀而形成气泡，带有气泡的液体在宽敞的下游流道中流速下降，压力回升。当压力回升至等于或高于P_v时，汽泡破裂，恢复液相，这即是空化过程。气泡破裂时，释放出巨大的能量，发生强烈的振动和噪声，对阀芯、阀座等节流元件产生破坏，此即为气蚀现象。

    气蚀的产生与否和压差有关，当阀门的实际压差ΔP大于产生空化的临界压差ΔP_c，并在出口压力P₂等于或高于P_v时，就产生气蚀。

图1 调节阀气蚀产生机理

    2.凝水30%流量调节阀在低负荷时产生气蚀的机理

    30%调节阀的设计运行工况如表1所示。由于30%调节阀布置于4#低加出口，温度接近于饱和温度，在低负荷时，虽t₁有所下降，使P_v也有所下降，但由于阀后压力P₂降低较多，致使阀门压差增大。

表1 凝水30%流量调节阀在机组不同负荷时的运行参数

    节流件出口处的流速v_c与前后压差的平方根成正比，即

    调节阀的通径、构造与流经调节阀的介质流量、压力、温度等参数，共同决定了v_c的大小。由于30%凝水调节阀原选用的通径为3英寸(76mm)，该通径相对偏小，使介质在阀体中流速偏快。在低负荷时，由于阀门始终处于全流量运行状态，加上P₂的下降，使介质在节流件中的流速v_c比高负荷时更快，造成P_vc的下降大于P_v的下降，从而P_vc便低于P_v，使液体在流经节流件时，产生空化，并在出口压力P₂高于P_v时，发生气蚀。

    调节阀在运行中产生气蚀后，若阀门的材料、构造和工艺质量不能充分抵御气蚀所产生的破坏，则使用寿命和调节性能将迅速下降，造成部件失效。

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  三、调节阀多级节流降压原理

    防止调节阀产生气蚀和冲刷破坏，一方面可以从阀门的材防止调节阀产生气蚀和冲刷破坏，一方面可以从阀门的材料、流通截面积选择和节流件结构以及制造安装工艺等方面加以改进。但对于运行在高压力、大压差、高流速、频繁调节和接近饱和温度及多相流工况下的调节阀，根本的改进方法，是采用多级节流降压技术进行阀门设计和制造，可从运行机理上防止气蚀现象发生。

    调节阀多级节流降压的原理见图2和图3所示，通过在阀体内的流道中设置若干节流级，在每一节流级的最小断面处，流速被加速到最大，压力相应大幅度降低，但仍高于液体的气化压力。在这一级的末端，阀芯流道骤开，这样即使有轻微的气蚀发生，也可以巧妙地避开气泡破裂对阀杆及阀座的破坏。同样，经过每一节流级时，压力都有不同程度的降低，最后流体流经阀口时，由于其流通面积远大于相应的前一级的流通面积，流速已相对很小，所以压力只有轻微降低，因而阀口几乎不受冲刷。通过将阀门的总压差用分级降压的办法，使每一级压差ΔP_i<ΔP_c，使每级出口压力均高于液体的气化压力，从而避免气蚀现象发生。

图2 多级节流阀降压原理

图3 三级节流形式

    四、多级节流降压调节阀的典型结构分析和改造选型

    基于多级节流降压原理，国内外不同制造商通过不断优化设计，开发出不同结构类型的调节阀，各具特点和优点，为此在实施凝水30%流量调节阀改造时，进行了选型研究。

    1.套筒(笼式)多级调节阀

    典型的套筒结构调节阀具有阀门流阻小、流通能力大、可调比大、线性度好、运行平稳、阀门体积小等优点。但单级节流的套筒式调节阀，抗气蚀性能差。作为改进，一些厂家开发出了二级节流套筒式调节阀，如图4所示。
 

图4 二级节流形式

    但套筒式调节阀只宜做成二级节流，难以做成更多级节流结构。根据计算，此处30%凝水流量调节阀，在二级节流方式下，当负荷低于50%时，还不能完全避免气蚀现象。

    2.迷宫节流件套筒式调节阀

    国外一些厂家通过研制特殊型式的节流件，对普通的窗式套筒结构进行了改进，以尺寸稍厚的迷宫型流道，替代原普通单孔式流道，使液体在流道中曲折流动，从而降低流速，改善气蚀性能。

    如图5所示，假设迷宫型流道有N道转折，则流体出口速度

    流速与N的平方根成反比，流速的降低是防止阀门气蚀的决定性因素。

    这种类型调节阀的节流件设计和加工制造比较复杂，作为进口阀门，价格相对较高，安装使用后节流件的备品更换也同样需要进口。

图5 迷宫节流件套筒式调节阀

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3.叠板集成块式节流组件调节阀

    国内厂家经过研究，开发出叠板集成块式多级节流组件调节阀，如图6所示。它是将阀门的全开度分为若干组相互独立的空间，每个独立空间都设有径向流道、节流孔和缓冲室，并按一定规律分布于若干块圆板上，经加工成型后，叠装在一起，采用特定工艺将其集成为一个不可分割的整体——集成块式节流组件。各开度的高压流体在各自独立的空间内进行多次节流、膨胀和转折，它们彼此各行其道，互不干扰。因此，各开度的高压流体从节流组件入口到出口，其压力和压差均按一定规律逐步降低，从而有效地防止空化。这种阀门的基本原理与迷宫节流件套筒式调节阀相似，都是通过改进节流件设计，使流体在流道中均匀、低速流动，减轻冲刷和气蚀。

图6 多级节流组件调节阀

    上述3种类型的调节阀，都属于套筒接触型阀门，虽通过对节流件进行改进，利用曲折流道增加流阻、降低单级压差，但由于整个节流件都处于流质冲刷之下，节流件级间膨胀空间较小，且必须考虑间隙膨胀因素，因此难以适合大压差工况，关断密封性能也受到影响。

    4.多级串联涡流降压结构调节阀

    这种结构的调节阀如图3所示，与上述3种带有一定的并联降压流道的阀门结构不同，这种类型的调节阀为完全串联降压式流道设计，每一级节流件后均有较大的缓冲空间，即使有轻微气蚀发生，也可避开气泡破裂对阀杆及阀座的撞击。通过阀芯的专门设计，保证了介质的流线及阀内各级压降的精确控制。由于阀芯与阀座可以做到无间隙接触，相对于上述3种套筒接触型阀门，具有良好的关断密封性，且流体对节流件的冲刷面积较小，特别适合于大压降工况下的调节。但相比而言，这种结构的调节阀，阀体尺寸较大。

    五、凝水30%流量调节阀的改造实施

    根据上述分析，最终选择了多级串联涡流降压结构的调节阀，对凝水30%流量调节阀进行换型改造。

    1.凝水30%调节阀节流级数的选择

    凝结水30%流量调节阀，虽前后压差相对于给泵最小流量阀要小，但由于它在机组调峰范围内都运行在满流量状态，流量达267.5t/h，由此造成阀体内介质流速较快，因而在低负荷时，抗气蚀性能差。经过计算，使用两级节流方式时，当机组负荷低于50%额定负荷时，仍无法避免气蚀发生。为降低介质流速，选型时将阀门通径放大，选用了某厂生产的DN150、PN4.0MPa，TAP1343SS1型三级节流调节阀，阀塞通径为Φ100mm。在选型时，对调节阀的特性进行了设计计算，现就机组在25%负荷下的气蚀裕度计算如下。

    气蚀条件：当ΔP=P₁-P₂≥F_L²(P₁-F_F×_Pv)时，发生阻塞流，即气蚀。

    机组在25%负荷下的有关参数为：P1=2.2MPa，t1=101.4℃(表1)，入口温度下的气化压力Pv=0.107MPa，Pc=22.1MPa，F_L=0.85(根据阀门结构确定的系数)。

    第一级节流时，P₁=2.2MPa，P₂=1.2MPa，F_L(P₁-F_F×Pv)=0.85(22.2-0.94×0.107)=1.52MPa。发生气蚀时的压力=P₁-1.52=0.68MPa，因P₂=1.2MPa>0.68MPa，所以不会发生气蚀。

    第二级节流时，P₁=1.2MPa，P₂=0.6MPa，F_L(P₁-F_F×Pv)=0.85(21.2-0.94×0.107)=0.79MPa，发生汽蚀时的压力=P₁-0.79=

0.41MPa，因P₂=0.6MPa>0.41MPa，所以不会发生气蚀。

    第三级节流时，P₁=0.6MPa，P₂=0.24MPa，F_L(P₁-F_F×Pv)=0.85(20.6-0.94×0.107)=0.3.6MPa，发生气蚀时的压力=P₁-0.36=0.24MPa，因P₂=0.243MPa>0.24MPa，所以不会发生气蚀。

    由以上气蚀裕度计算可知，当采用三级节流时，在25%工况下，调节阀已运行在临界气蚀点。

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    2.调节阀阀塞通径的选择

    在进行初始选型时，制造厂家推荐的调节阀阀塞通径为Φ100mm，但因多级节流阀门本身流阻较大，使阀门的流通能力受限。在阀门出厂前做流量系数试验时，发现流量达不到设计要求，后经多次内件通道扩容，一共做了4次流量试验，才满足设计要求。其结果是：流通面积加大了，但阀塞的支撑面变得少而窄，当阀杆有轻微振动时，阀塞表面很容易受损。在该阀门安装投运后，尽管振动问题解决了，但运行两个月后，阀门发生了卡涩，解体后发现正是由于阀塞表面有较深的划痕，导致了卡涩。

    鉴于此，制造厂又对阀门作了改进，将阀塞通径由Φ100mm扩为Φ150mm，这样，通流面积大幅度加大，阀塞与阀座的接触面积也大大增加，流速的减缓进一步减轻了气蚀现象，阀门再次投运后，上述缺陷得到消除。

    3.改造效果

    经选用国产三级串联涡流降压调节阀对凝结水30%流量调节阀进行换型，并加大了阀门通径，改造后，调节阀原先在低负荷工况下发生强烈振动和噪声的缺陷得到根除，调节性能亦得到改善。

    六、结束语

    将多级节流降压技术运用于调节阀设计制造，是解决诸如泵最小流量调节阀、锅炉减温水调节阀、汽包连排调节阀、凝结水流量调节阀等恶劣工况调节阀气蚀破坏问题的有效办法。多级节流降压调节阀具有多种结构型式和设计特点，要根据设备的具体运行参数和阀门的技术特性并兼顾性价比，进行分析计算和选型论证，选用合适的阀门，以提升设备运行的可靠性和经济性。