超臨界機組主蒸汽氣動疏水截止閥的分析與選型

超臨界機組主蒸汽氣動疏水截止閥的分析與選型分析了600MW超臨界機組中，主蒸汽疏水系統(tǒng)用氣動疏水截止閥出現(xiàn)內(nèi)漏的原因，介紹了既能保證充分疏水，又能防止運行過程中內(nèi)漏的小閥瓣氣動疏水截止閥的構(gòu)造、設(shè)計和選型。1、概述

國內(nèi)電廠超臨界600MW機組中，主蒸汽疏水系統(tǒng)由于壓力和溫度高，疏水閥的前后壓差大，氣動疏水閥多項選擇用截止閥。但由于氣動截止閥在實際的使用中，經(jīng)過幾次開關(guān)后容易出現(xiàn)閥門關(guān)閉不到位導(dǎo)致的內(nèi)漏或閥瓣部位直接出現(xiàn)內(nèi)漏，造成機組運行期間高能蒸汽的浪費。2、系統(tǒng)配置

目前，國內(nèi)超臨界機組高溫蒸汽系統(tǒng)疏水管路布置主要采用手動疏水截止閥+氣動疏水截止閥+疏水節(jié)流孔的形式(圖1)。手動疏水截止閥的作用主要是便于在氣動疏水截止閥出現(xiàn)問題后可以開展有效隔離，疏水節(jié)流孔的主要作用是在疏水閥打開時減小閥門前后壓差，減輕疏水對閥瓣部位的沖刷。疏水節(jié)流孔的孔徑一般約為閥瓣通徑的1/2，即節(jié)流孔面積相當(dāng)于閥瓣面積的1/4。疏水系統(tǒng)設(shè)置節(jié)流孔既能滿足正常疏水能力要求，又能在疏水時降低閥門前后壓差，降低閥瓣部位的汽水兩相流沖刷。

1.手動截止閥2.氣動截止閥3.疏水節(jié)流孔

圖1疏水系統(tǒng)布置方式

圖2閥瓣部位的沖刷溝痕3、常見問題

在實際運行中，疏水截止閥經(jīng)過一段時間的使用后，閥門雖然關(guān)閉，但閥門后的溫度仍然很高，接近于主蒸汽溫度。在拆解檢查時發(fā)現(xiàn)，閥瓣密封部位出現(xiàn)明顯的溝狀沖刷痕跡，密封面不能完好密封(圖2)。由于疏水截止閥閥瓣組件檢修處理時無法更換或重新加工，在閥門內(nèi)漏后只能采取更換的措施。而現(xiàn)場實際使用的手動疏水截止閥雖然經(jīng)過開關(guān)操作，極少出現(xiàn)內(nèi)漏現(xiàn)象，且在手動疏水截止閥關(guān)閉后可以做到完好的隔離。經(jīng)過分析，氣動疏水截止閥內(nèi)漏與關(guān)斷壓力缺陷和關(guān)斷剛度缺陷等原因有關(guān)。4、原因分析

4.1、通流面積

在600MW超臨界機組中，高溫蒸汽疏水管路的布置方式存在疏水截止閥后的節(jié)流孔面積與閥門通流面積差異大的問題(表1)。

表1疏水系統(tǒng)通流面積

4.2、氣動執(zhí)行機構(gòu)

疏水系統(tǒng)閥門主要采用彈簧氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)，該機構(gòu)價格低，可靠性高，但壓緊力和剛度較小，容易導(dǎo)致疏水截止閥出現(xiàn)因關(guān)斷力矩小閥瓣關(guān)閉不嚴(yán)產(chǎn)生的內(nèi)漏現(xiàn)象。5、設(shè)計

為了在標(biāo)準(zhǔn)的氣動執(zhí)行配置下閥瓣能獲得更大的壓緊力，疏水截止閥設(shè)計時的實際通徑選用公稱通徑的0.7～0.8(通流面積的0.49～0.64倍)倍。

5.1、執(zhí)行機構(gòu)輸出力

有彈簧的氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)輸出力F為

式中F———執(zhí)行機構(gòu)輸出力，N；Ac———執(zhí)行機構(gòu)有效面積，mm2；pF———輸入壓縮空氣壓力，MPa；P———信號壓力，MPa；Pi———彈簧的啟動壓力，MPa；Pr———彈簧作用于薄膜上的壓力變化范圍，MPa；l———閥門的位移量，mm；L———彈簧的全行程變形量，mm。

根據(jù)式(1)分析，如需增加執(zhí)行機構(gòu)的輸出力F，就需要增加pF或增大有效面積Ac。但在實際的使用中，為減少生產(chǎn)成本，經(jīng)常采用提高pF的方法增加F。但由于薄膜的耐壓能力有限，pF的增加也受到一定的限制。

5.2、閥瓣密封面壓緊力

閥瓣密封面部位的壓緊力越大則閥門的關(guān)閉越嚴(yán)密，壓緊力越小則閥門的關(guān)閉嚴(yán)密性受外界影響時越容易出現(xiàn)泄漏。氣動疏水截止閥整體作用于閥瓣密封面的壓緊力F'為

F'=F-Ft-Ff–Fw(2)

式中F'———閥瓣密封面的壓緊力，N；Ft———作用在閥瓣上的不平衡力，N；Ft———閥桿所受的填料摩擦力，N；Fw———閥瓣各部件的質(zhì)量，N。

由于Ft和Fw受到設(shè)計和安裝條件的限制，無法開展調(diào)整，因此提高F'，需要提高F和減小Ft。以DN25主蒸汽閥門為例，計算疏水截止閥工作時的反作用力(表2)。分析表2中數(shù)據(jù)，F(xiàn)t占反作用力總和的83%，因此在實際設(shè)計計算中主要考慮減小閥瓣前后壓差所產(chǎn)生的反作用力Ft是最有效的方法。

表2疏水截止閥工作時的反作用力

5.3、選型

在高壓蒸汽系統(tǒng)疏水截止閥門的選型上，按照較小閥瓣通徑的設(shè)計原則，即閥門的實際通徑取公稱通徑的0.7～0.8倍，可以將閥瓣前后壓差產(chǎn)生的反作用力Ft降低至原設(shè)計的0.49～0.64倍，閥瓣的壓緊力得到明顯的提高。以常規(guī)的超臨界主蒸汽疏水截止閥為例，一般設(shè)計氣動執(zhí)行機構(gòu)的裕度為30%，不改變執(zhí)行機構(gòu)的情況下，閥門通徑更改為原設(shè)計的0.7～0.8倍，則閥瓣的壓緊力為原設(shè)計密封面壓緊力的1.67～2.16倍(表3)。因此將閥門的通徑減小，提高了閥門的性能。①可以滿足設(shè)計疏水流量的要求。②閥瓣壓緊力提高，閥門的關(guān)閉嚴(yán)密性得到提高。③由于閥瓣壓緊力增加，閥門關(guān)閉后的剛度得到提高。④由于閥門閥瓣較小，閥瓣組件可以采取硬質(zhì)合金整體堆焊加工，防止表面堆焊帶來的后續(xù)工藝流程，減少加工成本。

表3改變閥瓣設(shè)計尺寸閥瓣壓緊力的變化6、結(jié)語

在發(fā)電廠高壓蒸汽系統(tǒng)中，由于采用疏水截止閥+節(jié)流孔的設(shè)