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关于运用多级节流降压技术改造凝结水流量调节阀

我国的华能南通电厂装有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。

一、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Pvc降至等于或低于该流体在入口温度下的气化压力Pv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Pv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,当调节阀的实际压差ΔP大于产生空化的临界压差ΔPc,并在出口压力P2等于或高于Pv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Pv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vc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vc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vc比高负荷时更快,造成Pvc的下降大于Pv的下降,从而Pvc便低于Pv,使液体在流经节流件时,产生空化,并在出口压力P2高于Pv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。

二、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ΔPi<ΔPc,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

三、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

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。

四、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≥FL2(P1-FF×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,FL=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,FL(P1-FF×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,FL(P1-FF×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,FL(P1-FF×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。

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。

五、结束语

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。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。