闡述了火力發(fā)電設(shè)備運行過程中產(chǎn)生的渦流或汽蝕等現(xiàn)象。分析了高壓差調(diào)節(jié)閥中介質(zhì)流動的狀態(tài)及其振動、噪聲和對閥座磨損的問題。給出了閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計的改進措施及注意事項。

1、概述

　　在火力發(fā)電設(shè)備中，為了提高蒸汽設(shè)備的效率，通常采用高溫高壓基本負荷設(shè)計的參數(shù)，及中間負荷運行和高度自動化的DSS 控制方式。因為反復(fù)啟停原因產(chǎn)生的高壓差運行狀態(tài)，對調(diào)節(jié)閥提出了更嚴格的要求。目前高壓差調(diào)節(jié)閥設(shè)計主要從振動、噪聲及閥座泄漏等3 個方面考慮。

2、問題分析

　　近幾年來，設(shè)備DSS 運行，鍋爐啟、停頻繁，引起振動和噪聲增加。由于熱膨脹，鍋爐管內(nèi)的污垢，冷卻剝離下來的固體粒子，流進閥門損傷閥座，致使閥座泄漏，加快內(nèi)件和閥體的磨損。

　　2.1、機械振動

　　導向間隙不同心引起的振動會引起機械應(yīng)力，隨著機械應(yīng)力的增加，產(chǎn)生疲勞破壞的危險。由于閥桿頭的不穩(wěn)定產(chǎn)生不穩(wěn)定的開度，因此在閥桿上產(chǎn)生不平衡的上下方向的力，以及由于閥內(nèi)部零件配合的間隙，致使導向偏心，同時由于在執(zhí)行器剛性不足的場合下產(chǎn)生縱向的振動。這種振動能夠產(chǎn)生噪聲，閥門已經(jīng)處在有破壞的危險狀態(tài)。

　　2.2、水動力學問題

　　使用液體的工況，其問題是紊流、氣蝕和閃蒸帶來的振動及噪聲。紊流不至于帶來破壞，但其將成為機械振動源。氣蝕引起物理的破壞，例子很多，但振動噪聲的問題是不太可能發(fā)生。可采用逆流角形閥解決由閃蒸產(chǎn)生的振動和噪聲，但閃蒸噴流產(chǎn)生的腐蝕沖刷對內(nèi)件和閥體有極大的破壞。

　　2.3、氣體動力學

　　用于氣體和蒸汽的調(diào)節(jié)閥振動噪聲是最主要問題。雖然其介質(zhì)流動的速度為亞音速，但容量大時噴射部高的紊流區(qū)則產(chǎn)生過度的噪聲，最大的噪聲是通過節(jié)流口發(fā)生的沖擊波，在噴嘴下部作為沖擊波轉(zhuǎn)換成噪聲和振動。節(jié)流噪聲與閥的流動形式、壓降、流體種類及閥門開度有關(guān)。

　　2.4、固體粒子磨損

　　固體粒子是鍋爐、過熱器、再熱器或主蒸汽等管內(nèi)壁上掉下來的微小氧化物，密封面上粘附了固體粒子，在小縫隙中漏量，發(fā)生氣蝕。

3、介質(zhì)流動性質(zhì)

　　3.1、流體的分類

　　流過的流體大致可分為水或油等不可壓縮流體和可壓縮的空氣、煤氣及蒸汽等。按照熱力學的原理，由于在節(jié)流過程中，介質(zhì)沒有與外界的熱交換，因此可以看作是絕熱節(jié)流。隨著出口側(cè)流體壓力的降低，比容增加，溫度降低，焓不變，在節(jié)流擴容的狀態(tài)下，出口側(cè)液體開始閃蒸形成汽或液兩相流動。由于液體和氣體性質(zhì)完全不同，所以設(shè)計調(diào)節(jié)閥時必須充分理解其性質(zhì)。

　　3.2、液體流動性質(zhì)

　　(1) 通過閥門的壓力梯度

　　通過調(diào)節(jié)閥的流體流動是根據(jù)流體力學公式所示的能量守恒定律。閥門的流動是通過節(jié)流噴嘴時加速，由于加速度的能量是在流體壓力或靜水壓頭取得，通過節(jié)流部位后重新穩(wěn)定，壓力不能恢復(fù)的部份中，由于閥門內(nèi)件的摩擦，內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換成振動噪聲能，散發(fā)到外部。如圖1 所示根據(jù)出口側(cè)壓力狀態(tài)表示節(jié)流部前后壓力情況。

圖1 通過閥門的壓力狀態(tài)

　　狀態(tài)1 是非收縮區(qū)壓力( PCV) 以及出口側(cè)壓力P2比入口側(cè)液體飽和溫度壓力( PV) 高，不屬于氣蝕狀態(tài)。

　　狀態(tài)2 是非收縮區(qū)壓力在飽和蒸氣線以下，但出口側(cè)壓力達不到飽和蒸氣壓力，表示氣蝕狀態(tài)。狀態(tài)3 是非收縮區(qū)壓力以及P2出口側(cè)壓力在飽和線以下稱做閃蒸。

　　4.5、磨損

　　磨損有氣蝕和閃蒸損壞，水動力學磨損和由于固體粒子的機械磨損等磨損，根據(jù)不同的磨損機理，采取不同的處理方法。

　　(1) 氣蝕

　　氣泡沖擊在固體表面爆破時，發(fā)生很高的壓力，即使是CoCrW No. 6 或No12 材料也要遭到破壞。為降低氣蝕產(chǎn)生的破壞，可以注入氮氣進入氣蝕發(fā)生的節(jié)流部后邊，在流體中溶解氣體，以減少氣蝕。同時，應(yīng)避免氣泡直接沖擊在固體表面上。

　　(2) 閃蒸

　　帶有閃蒸的流體體積，因含有蒸汽時比容急劇增大，所以節(jié)流部下側(cè)二相流速度很高。液體沖刷與噴砂效果一樣，使金屬材料變形。閃蒸流體流動在調(diào)節(jié)閥的物理損傷上出現(xiàn)在節(jié)流噴嘴下部，所以，流體在閥門進口接近飽和狀態(tài)時，閃蒸在下游側(cè)部分開始，閥瓣頭部的密封面和下部周圍損傷。大部分閃蒸損傷可用適當?shù)拈y門結(jié)構(gòu)和在材料選擇上解決。閥門選擇耐閃蒸磨損強的材料，如Cr 合金鋼WC6，WC9，C5 較好。閥瓣頭部以及閥座節(jié)流密封面實施CoCrW No. 6 表面硬化處理。

　　(3) 固體粒子磨損

　　為防止鍋爐主蒸氣管內(nèi)固體粒子的磨損，采用防固體粒子損傷結(jié)構(gòu)和防固體粒子沖擊結(jié)構(gòu)( 圖7) 。防止固體粒子損傷結(jié)構(gòu)是利用節(jié)流套導向結(jié)構(gòu)，關(guān)閉時固體粒子不能流動，能閉塞節(jié)流孔。防止噴流直接沖擊在閥瓣密封面上，閥桿頭上帶有導流結(jié)構(gòu)，并在密封面上設(shè)有臺階。

圖7 防固體粒子磨損結(jié)構(gòu)

5、結(jié)語

　　針對閥門的振動、閥桿頭不穩(wěn)定及流體產(chǎn)生的渦流及汽蝕等現(xiàn)象，采用水動力學分析和噪聲處理方法，適應(yīng)高壓差調(diào)節(jié)閥設(shè)計要求。閥門采用節(jié)流罩結(jié)構(gòu)，將導向間隙由原來的0.8 ～ 0.9mm 縮小到0.45 ～ 0.5mm，并且更換材料以保證閥桿頭部的剛度。對于氣蝕流動和噪聲，采用多級小孔節(jié)流方法。為防止閃蒸和固體粒子對閥座的磨損，采用圓錐型的節(jié)流副，閥座口徑小于出口，使介質(zhì)的流動順圓錐面流動，固體粒子不能沖擊到金屬的表面。通過對調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)的改進，收到了良好的效果，使產(chǎn)品質(zhì)量得到了提升。