蔣永兵 王 燕 郝嬌山

(重慶川儀調(diào)節(jié)閥有限公司)

二級(jí)減溫水調(diào)節(jié)閥故障原因分析與處理方案*

蔣永兵 王 燕 郝嬌山

(重慶川儀調(diào)節(jié)閥有限公司)

對(duì)減溫減壓裝置中二級(jí)減溫水調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)的故障進(jìn)行了分析，確定了故障原因，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)推算出閥后介質(zhì)的實(shí)際壓力，進(jìn)而確定閥門(mén)設(shè)計(jì)參數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際參數(shù)存在誤差。采用CFD流體分析軟件對(duì)閥內(nèi)件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。為保證新結(jié)構(gòu)內(nèi)件的實(shí)際使用效果，在現(xiàn)場(chǎng)重新測(cè)試流量，測(cè)得結(jié)果與理論數(shù)據(jù)近似，滿足工況要求，閥門(mén)故障得以解決。

二級(jí)減溫水調(diào)節(jié)閥 故障原因分析 處理方案 流量特性 CFD

某火力發(fā)電企業(yè)配有兩臺(tái)500t/d的廢棄物焚燒鍋爐，為防止過(guò)熱器系統(tǒng)管道超溫，在后段配有兩套分離式(減壓和減溫分離)二級(jí)減溫減壓裝置，其中每臺(tái)減溫裝置都配有4臺(tái)DN25mm的調(diào)節(jié)閥作為減溫水供給。由于減溫水調(diào)節(jié)閥起著調(diào)節(jié)介質(zhì)壓力和流量的作用，并且管道中蒸汽溫度的調(diào)節(jié)也取決于減溫水量的控制。因此，減溫水調(diào)節(jié)閥的穩(wěn)定性對(duì)于整個(gè)裝置極為重要。

該減溫裝置在上次大檢修時(shí)更換了4臺(tái)同型號(hào)同規(guī)格的減溫水調(diào)節(jié)閥，但在試車時(shí)發(fā)現(xiàn)閥門(mén)無(wú)法正常調(diào)節(jié)流量，其中兩臺(tái)還伴有振動(dòng)。為此，需及時(shí)對(duì)故障閥門(mén)進(jìn)行處理。

1 閥門(mén)故障情況說(shuō)明

1.1閥門(mén)設(shè)計(jì)參數(shù)

閥門(mén)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

介質(zhì) 130℃的水

閥前壓力p16.0MPa

閥后壓力p24.2MPa

設(shè)計(jì)最大流量 5.0t/h

設(shè)計(jì)正常流量 2.2t/h

流量系數(shù)Cv2.5

流量特性 百分比

最大流量時(shí)開(kāi)度 82.5%

正常開(kāi)度 58.4%

1.2故障情況說(shuō)明

在試車時(shí)，控制室通過(guò)信號(hào)調(diào)節(jié)將閥門(mén)打開(kāi)到5%左右時(shí)，發(fā)現(xiàn)流量已增加到1.05t/h，其中兩臺(tái)還伴有振動(dòng)；當(dāng)閥門(mén)繼續(xù)打開(kāi)時(shí)，振動(dòng)消失；但在10%開(kāi)度時(shí)，流量已達(dá)到設(shè)計(jì)時(shí)的正常流量2.2t/h；32%開(kāi)度時(shí)，達(dá)到設(shè)計(jì)時(shí)的最大流量5.0t/h；其他開(kāi)度的閥門(mén)流量見(jiàn)表1。由于減溫水調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)異常，故而無(wú)法滿足預(yù)期的減溫效果。閥門(mén)故障后，現(xiàn)場(chǎng)儀表維護(hù)工程師將旁路打開(kāi)，并關(guān)閉故障閥門(mén)。

表1 故障閥門(mén)流量測(cè)試結(jié)果

2 故障原因分析

2.1流量調(diào)節(jié)問(wèn)題

根據(jù)流體力學(xué)理論，介質(zhì)流量與其流通面積成正比關(guān)系，因此在線對(duì)閥門(mén)進(jìn)行拆卸檢查，發(fā)現(xiàn)閥內(nèi)件表面完好，無(wú)任何損傷痕跡，但在套筒的非導(dǎo)向部分加工有一個(gè)和導(dǎo)向孔同軸的臺(tái)階孔(圖1)，單邊深度0.5mm，而該臺(tái)階孔僅作為套筒加工時(shí)的工藝尺寸，卻不起導(dǎo)向作用。經(jīng)過(guò)分析，當(dāng)閥門(mén)處于小開(kāi)度時(shí)，流體會(huì)從該間隙向上流動(dòng)，使得套筒的實(shí)際流通面積遠(yuǎn)大于理論設(shè)計(jì)值?？梢詳喽?，該臺(tái)階孔是導(dǎo)致低開(kāi)度流量偏大的主要原因[1]。

圖1 故障閥門(mén)內(nèi)件結(jié)構(gòu)

2.2設(shè)計(jì)參數(shù)問(wèn)題

二級(jí)減溫水調(diào)節(jié)閥閥前實(shí)際壓力為5.6MPa，而閥后未安裝壓力監(jiān)測(cè)表。另外，鍋爐后段的減溫減壓裝置和二級(jí)減溫水調(diào)節(jié)閥并不是安裝在同一樓層平面，而是位于減溫水調(diào)節(jié)閥所在樓層上方約40m高處，理論上這段落差會(huì)在垂直方向上產(chǎn)生至少0.4MPa的壓力損失，并且管道在沿途經(jīng)過(guò)多次直角轉(zhuǎn)彎，壓力也多次損耗。對(duì)閥門(mén)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行核實(shí)后可以確定，在設(shè)計(jì)減溫減壓裝置時(shí)，減溫水調(diào)節(jié)閥的閥后壓力是指霧化噴嘴處的壓力。因此，該裝置在原始設(shè)計(jì)時(shí)忽略了由于管道布置產(chǎn)生的壓力損耗，而閥后的實(shí)際壓力應(yīng)大于4.2MPa。

為證實(shí)該推斷的正確性，將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的壓力和流量作為實(shí)驗(yàn)條件，通過(guò)仿真模擬方法進(jìn)行了驗(yàn)證，確定閥后實(shí)際壓力應(yīng)為4.8MPa，實(shí)際壓差為0.8MPa，而客戶端提供的原始閥門(mén)壓差為1.8MPa。

Cv值的計(jì)算式為：

(1)

式中Fp——管道幾何形狀系數(shù)，無(wú)變徑管時(shí)Fp的值為1；

Q——體積流量，m3/h；

Δp——閥門(mén)壓差，Δp=p1-p2，bar(1bar=100kPa)；

ρ1/ρ2——相對(duì)密度，介質(zhì)為水時(shí)ρ1/ρ2=1。

從式(1)可以看出，在流量一定的情況下，壓差越大，Cv值越小。因此，原始的Cv=2.5小于實(shí)際需要。

2.3閥門(mén)振動(dòng)問(wèn)題

根據(jù)誘發(fā)因素不同，閥門(mén)振動(dòng)可大致分為汽蝕振動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)及共振等。該閥門(mén)工況為130℃的水(排除空氣動(dòng)力振動(dòng))，其飽和蒸汽壓為0.27MPa，實(shí)際閥后壓力為4.8MPa，依據(jù)GB/T 17213.9-2005[2]中關(guān)于阻塞流的判斷方法：

式中FF—— 臨界壓力比系數(shù)；

FL——閥門(mén)壓力恢復(fù)系數(shù)；

pv——飽和蒸汽壓。

可以確定，該工況下閥門(mén)不會(huì)發(fā)生閃蒸與空化，因此排除汽蝕振動(dòng)。

機(jī)械振動(dòng)往往與零部件的間隙有關(guān)，根源在于閥塞相對(duì)于導(dǎo)向套筒表面發(fā)生偏移，形成連續(xù)碰撞。通過(guò)測(cè)量尺寸，確定閥塞與套筒導(dǎo)向部分的單邊間隙尺寸為0.2mm，即使在同軸度較好的情況下，該間隙也可能導(dǎo)致振動(dòng)。

共振往往是整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)同振動(dòng)。共振的消除主要是避開(kāi)裝置的固有振動(dòng)頻率(與系統(tǒng)的重量、材料的彈性模量等有關(guān))，可通過(guò)更改閥門(mén)內(nèi)件結(jié)構(gòu)、提高閥門(mén)開(kāi)度及管道外部增加阻尼支撐等方法進(jìn)行消除[3]。而根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，該閥門(mén)未發(fā)生共振現(xiàn)象。

3 處理方案與仿真驗(yàn)證

3.1新結(jié)構(gòu)

按新的壓力參數(shù)重新計(jì)算，將原閥門(mén)流量系數(shù)Cv增加到3.6即可滿足實(shí)際流量要求。在該值下，閥門(mén)最大流量對(duì)應(yīng)的開(kāi)度為86.3%，正常流量對(duì)應(yīng)的開(kāi)度為53.4%。

內(nèi)件結(jié)構(gòu)方面，首先考慮流量調(diào)節(jié)。由于柱塞式閥芯具有高可調(diào)比的優(yōu)點(diǎn)(當(dāng)閥芯相對(duì)于閥座上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，不斷改變節(jié)流間隙，從而實(shí)現(xiàn)流量的精確調(diào)節(jié))，而孔型套筒具有降壓、消聲和梳流的作用。因此，通過(guò)結(jié)構(gòu)上的“串聯(lián)”來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)上的“疊加”，進(jìn)而設(shè)計(jì)出一種結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高的新閥內(nèi)件，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。另外，由于該結(jié)構(gòu)中采用的柱塞式閥芯為壓力非平衡結(jié)構(gòu)，因此取消了彈簧蓄能密封圈，并將閥門(mén)的流向由“高-低”調(diào)整為“低-高”。為保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力能實(shí)現(xiàn)嚴(yán)密密封，對(duì)閥座的流通直徑與密封比壓進(jìn)行了校核計(jì)算。同時(shí)，在設(shè)計(jì)套筒時(shí)，將節(jié)流孔設(shè)計(jì)成近似對(duì)數(shù)排布，進(jìn)而降低流阻，提高閥門(mén)的流通能力[4]。

圖2 新結(jié)構(gòu)方案

為避免閥門(mén)再次出現(xiàn)機(jī)械振動(dòng)，重新設(shè)計(jì)閥塞與套筒間的配合公差，并增加兩者間的導(dǎo)向長(zhǎng)度。閥內(nèi)件結(jié)構(gòu)的更改，實(shí)質(zhì)就是對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)固有頻率的改變，特別是介質(zhì)經(jīng)過(guò)套筒梳流后，消耗湍動(dòng)能，使得流場(chǎng)更加平穩(wěn)。

3.2仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為提高產(chǎn)品可靠性與設(shè)計(jì)效率，借助專用CFD仿真軟件對(duì)閥門(mén)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，進(jìn)而確定閥芯與套筒的結(jié)構(gòu)尺寸，保證其流量特性。

3.2.1邊界條件設(shè)置

介質(zhì)選擇水；閥門(mén)進(jìn)、出口均設(shè)置為壓力邊界條件，p1=5.6MPa，p2=4.8MPa；假設(shè)介質(zhì)流動(dòng)中無(wú)熱量損耗，因此不考慮能量方程；選用Standardk-ε湍流模型；近壁面采用Standard Wall Functions[5]。

3.2.2計(jì)算結(jié)果

分別建立10%、20%、…、100%開(kāi)度的三維模型，并進(jìn)行幾何清理、網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置和迭代求解，最終獲得計(jì)算結(jié)果[6]。如圖3所示，介質(zhì)在流過(guò)閥芯與閥座節(jié)流間隙后發(fā)生了明顯的壓降，約占總壓降的65%；在流經(jīng)套筒節(jié)流孔后發(fā)生了二次壓降，約占總壓降的25%。另外，從圖4可以看出，介質(zhì)從套筒節(jié)流孔流出后形成“淹沒(méi)射流”，由于介質(zhì)的粘性作用，射流柱動(dòng)能在閥體內(nèi)腔區(qū)域得以消耗，壓力降低，并且在套筒梳流的作用下，腔體內(nèi)未形成大渦流。

圖3 z=0平面80%開(kāi)度的壓力分布云圖

圖4 z=0平面80%開(kāi)度的速度矢量圖

3.3現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

為進(jìn)一步保證新更換的閥內(nèi)件能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)工況要求，在全開(kāi)度內(nèi)進(jìn)行20組流量測(cè)試(表2)。在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，閥門(mén)未出現(xiàn)振動(dòng)且運(yùn)行平穩(wěn)。

表2 改進(jìn)后閥門(mén)流量測(cè)試結(jié)果

將數(shù)據(jù)擬合成特性曲線，如圖5所示?？梢钥闯?，當(dāng)閥門(mén)開(kāi)度在0～80%時(shí)，實(shí)際流量與理論流量近似；當(dāng)開(kāi)度在80%～100%時(shí)，隨著開(kāi)度的增加，流量增量逐漸降低，曲線近似平緩。這是因?yàn)椋涸陂y前壓力不變的情況下，隨著開(kāi)度的增加，閥門(mén)流量系數(shù)與流量以對(duì)數(shù)形式逐漸增大；當(dāng)增加到一定開(kāi)度時(shí)，介質(zhì)在垂直管道內(nèi)將消耗更多的動(dòng)壓，閥門(mén)實(shí)際壓差降低；當(dāng)壓力損耗量大于流量增量時(shí)，流量穩(wěn)定，增量趨近于零。

圖5 流量特性擬合曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者分別從流量調(diào)節(jié)、設(shè)計(jì)參數(shù)和閥門(mén)振動(dòng)3個(gè)方面對(duì)減溫減壓裝置中二級(jí)減溫水調(diào)節(jié)閥的故障原因進(jìn)行了分析，并確定了故障原因。結(jié)合柱塞式調(diào)節(jié)閥和套筒閥各自的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一組結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、能滿足現(xiàn)場(chǎng)工況的新型閥內(nèi)件。采用CFD仿真軟件對(duì)新結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確定最終結(jié)構(gòu)尺寸，并在更換新結(jié)構(gòu)閥內(nèi)件后再次進(jìn)行了流量測(cè)試，測(cè)試結(jié)果滿足實(shí)際工況要求，閥門(mén)故障得以解決。

[1] 吳國(guó)熙.調(diào)節(jié)閥使用與維修[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

[2] GB/T 17213.9-2005,工業(yè)過(guò)程控制閥(第2～3部分:流通能力 試驗(yàn)程序)[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2005.

[3] 馬巧春,楊建明.鍋爐再熱器減溫水調(diào)節(jié)閥振動(dòng)原因分析與治理[J].閥門(mén),2003,(6):26～29.

[4] 李樹(shù)勛,張興,王燕,等.多級(jí)套筒式調(diào)節(jié)閥的空氣動(dòng)力噪聲預(yù)測(cè)研究[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2013,(1):32～33.

[5] 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[6] 王燕,徐曉剛,胡建,等.多級(jí)套筒調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)數(shù)值模擬與流量特性研究[J].石油化工自動(dòng)化,2013,49(1):50～53.

蔣永兵(1969-)，高級(jí)工程師，從事閥門(mén)技術(shù)的開(kāi)發(fā)工作。

聯(lián)系人郝嬌山(1986-)，工程師，從事控制閥仿真實(shí)驗(yàn)與理論的研究，siccv_hjs@126.com。

TH137.52+2

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1000-3932(2017)10-0984-04

2017-06-02)