于海波，國(guó)金蓮

（哈爾濱鍋爐廠容器工程公司，黑龍江 哈爾濱 150046）

0 概 述

我國(guó)的主要能源是煤炭，常規(guī)火電占總電力裝機(jī)容量的70%以上。根據(jù)國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策，超超臨界機(jī)組已成為火電的主流機(jī)組，到2020年，將占火電機(jī)組總裝機(jī)容量的70%。

疏水閥作為火電機(jī)組的常用閥門(mén)，在超超臨界機(jī)組配套工程中的需求量很大。疏水閥工作在較惡劣的工況下，閥座等內(nèi)部零件易被沖刷損壞，產(chǎn)生磨痕或深溝，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐砷y桿的斷裂，嚴(yán)重影響了閥門(mén)的正常使用，降低了閥門(mén)的使用壽命。

1 防沖刷和閃蒸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

閥門(mén)的工作介質(zhì)是汽水混合物，出口端的壓力較低，介質(zhì)會(huì)對(duì)閥門(mén)產(chǎn)生很大的沖刷與熱沖擊。同樣，在疏水閥內(nèi)及其出口管道內(nèi)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的閃蒸。伴隨著管道的擴(kuò)容，還有可能產(chǎn)生一定程度的氣蝕。在這種惡劣的工況下，如何防止沖刷、閃蒸對(duì)疏水閥內(nèi)部件的破壞，是閥門(mén)設(shè)計(jì)過(guò)程中較大的技術(shù)難題。

閥體中流道與節(jié)流套，如圖1所示。為防止因沖刷和閃蒸對(duì)閥門(mén)關(guān)鍵部位的損壞，特別是對(duì)密封面的影響，可從幾個(gè)方面考慮防止沖刷與閃蒸的方法。

圖1 閥體部分與節(jié)流套部分

（1）采用雙密封副結(jié)構(gòu)。在閥門(mén)小開(kāi)度的情況下，采用犧牲副密封的方法，以確保主密封面不被沖刷。

（2）在閥門(mén)大開(kāi)度情況下，合理分配介質(zhì)的壓降。采用流阻較小的Y形截止閥結(jié)構(gòu)，減小閥門(mén)本體內(nèi)流阻，從而減小介質(zhì)在閥門(mén)本體內(nèi)的壓降，降低閥門(mén)本體內(nèi)的閃蒸與沖刷。

在閥門(mén)的進(jìn)出口處，加裝節(jié)流孔板裝置，使閥門(mén)流道內(nèi)的壓降，分級(jí)分?jǐn)偟礁鞴?jié)流部件上，使閃蒸與沖刷遠(yuǎn)離密封面，以確保密封面不會(huì)被損壞。

在飽和度低、壓差高的工況下，可采用多級(jí)節(jié)流，以防止氣蝕的產(chǎn)生。

節(jié)流孔板的設(shè)計(jì)需通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治雠c計(jì)算，確保其流通能力滿足系統(tǒng)的需求，同時(shí)采用多級(jí)節(jié)流，控制每一級(jí)的壓降都在臨界壓力比以下。節(jié)流孔板的形狀，布孔位置、每級(jí)間距經(jīng)計(jì)算后確定，可限制每級(jí)節(jié)流過(guò)程中氣蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生。

當(dāng)閥門(mén)受幾何尺寸或管道口徑限制時(shí)，不宜進(jìn)行多級(jí)節(jié)流，可采用二級(jí)節(jié)流，并采用耐沖刷和氣蝕的材料，設(shè)計(jì)成方便更換的閥門(mén)內(nèi)件結(jié)構(gòu)，以確保閥門(mén)本體安全，降低檢修周期，延長(zhǎng)閥冂的使用壽命。對(duì)于工作在嚴(yán)酷工況下的疏水閥，閥門(mén)內(nèi)件的材料選擇尤為重要。

（3）采用以經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)為輔，以流體動(dòng)力學(xué)的理論分析為基礎(chǔ)，用兩相流與相變分析為主的設(shè)計(jì)方法，確保閥門(mén)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能滿足系統(tǒng)設(shè)定目標(biāo)。

2 流動(dòng)特性分析

圖2為介質(zhì)的速度流線圖、圖3為局部速度流線圖、圖4為壓力變化圖。從圖2～圖4可知：

（1）介質(zhì)在閥體內(nèi)的流道特性十分好，基本呈直線流動(dòng)，沒(méi)有較大角度的流道變形，介質(zhì)也沒(méi)有出現(xiàn)明顯的流速變化。

（2）介質(zhì)在節(jié)流套內(nèi)會(huì)有明顯的流速變化，其中的最大流速屬于正常流速：R＝23.71／2.21442＝10.707倍，這個(gè)流速變化會(huì)對(duì)節(jié)流套內(nèi)小孔（圖3中的深色部位）產(chǎn)生很大的沖刷。但不會(huì)對(duì)閥門(mén)的性能產(chǎn)生影響。

（3）除了在閥體中腔以及出口支管下端會(huì)產(chǎn)生渦流外，在節(jié)流套內(nèi)及節(jié)流后的壓力恢復(fù)區(qū)也會(huì)產(chǎn)生渦流。從圖2所示的流線上可知，節(jié)流套內(nèi)的渦流強(qiáng)度明顯高于閥體內(nèi)的渦流強(qiáng)度。

3 局部沖刷與閃蒸分析

從圖5可知，按分析所得的入口平均流速3.452 34，該閥門(mén)的沖刷速度比率（最大速度與平均速度比）為：，最大速度出現(xiàn)在第二級(jí)節(jié)流孔位置。但第一級(jí)與第三級(jí)的孔內(nèi)流速與第二級(jí)孔內(nèi)流速相當(dāng)，所以，沖刷強(qiáng)度也相當(dāng)。

圖5 局部速度流線圖

圖6為飽和蒸汽含量的等比例線，其中線密集的部位將反應(yīng)出閃蒸的大小。從圖6可知，節(jié)流孔內(nèi)的閃蒸最為強(qiáng)烈。

圖6 第二級(jí)節(jié)流孔位置蒸汽含量變化圖

從圖7可以得到第二級(jí)節(jié)流孔位置的蒸汽比例曲線，曲線梯度大小反映了閃蒸的大小。根據(jù)其斜率，每cm大約有（質(zhì)量分量）的飽和水汽化，閃蒸強(qiáng)度很高。

圖7 蒸汽含量等比例線

圖8為節(jié)流套內(nèi)的平均氣化比例。從最后一級(jí)擴(kuò)容位置到出口處，蒸汽比例降低，由7.468%下降至7.346%。將相應(yīng)產(chǎn)生較少量的氣蝕現(xiàn)象。

通過(guò)嚴(yán)格的仿真分析，該閥在大開(kāi)度的情況下，所有閃蒸與沖刷均發(fā)生在節(jié)流裝置上，這樣就可保護(hù)閥體內(nèi)關(guān)鍵部位不被沖刷。經(jīng)仿真分析，在閥門(mén)全開(kāi)的狀態(tài)下，閥門(mén)出口處將有約45%的飽和水轉(zhuǎn)化為蒸汽，但在閥體內(nèi)僅有不到1%的閃蒸發(fā)生。

圖8 節(jié)流套內(nèi)蒸汽比例圖

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)計(jì)算分析，疏水閥受介質(zhì)沖刷和閃蒸的影響很嚴(yán)重，也是不可避免的，但可在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行預(yù)防。因此，在設(shè)計(jì)疏水閥過(guò)程中，采用合理的結(jié)構(gòu)形式，合適的部件材料，有效地分配壓差，就可有效減小沖刷和閃蒸現(xiàn)象的產(chǎn)生，改善疏水閥的使用性能和提高使用壽命。