李豪

（長沙日豐機(jī)電科技有限公司，湖南 長沙 410007）

高溫蒸汽閥門是用于高溫蒸汽調(diào)節(jié)壓力、流量、切斷流體、改變流向的執(zhí)行器，高溫蒸汽調(diào)節(jié)與控制一直是自動(dòng)控制實(shí)際執(zhí)行中的難點(diǎn)，尤其在高溫和超高溫條件下的切斷難度更大。這點(diǎn)在材料因高溫膨脹而產(chǎn)生卡阻和切斷上有明顯體現(xiàn)。因此，高溫和超高溫的控制始終是國內(nèi)外研究工作長期的工作重點(diǎn)。在流程工業(yè)流體調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，閥是必不可少的重要設(shè)備，是自動(dòng)控制系統(tǒng)中重要的由控制機(jī)構(gòu)和閥門兩部分組成的開關(guān)控制元件。從流體力學(xué)的觀點(diǎn)看，閥是局部阻力可以變化的節(jié)流部件，按照輸入的信號，通過改變閥芯開度的方式，進(jìn)而改變阻力系數(shù)，從而達(dá)到控制流量、壓力等參數(shù)的目的。高溫蒸汽閥要有效可靠運(yùn)行，需要全面了解閥工作中的熱力特性，需研究解決好一系列的熱力學(xué)問題。

1 高溫蒸汽閥門的應(yīng)力問題

高溫蒸汽閥門的應(yīng)力分析包括兩方面的聯(lián)合作用：壓力作用產(chǎn)生的應(yīng)力，熱載荷作用產(chǎn)生的應(yīng)力即閥的內(nèi)部將會(huì)產(chǎn)生一種由溫度變化而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。這兩部分應(yīng)力都必須綜合考慮。

選取適當(dāng)結(jié)構(gòu)的模型建立之后，對于閥體應(yīng)力場的計(jì)算分析，需要建立在溫度場分布規(guī)律已知的基礎(chǔ)上才能進(jìn)行，而溫度場和應(yīng)力場都必須使用美國研發(fā)的ANSYS通用軟件進(jìn)行計(jì)算分析。

不穩(wěn)定傳熱過程會(huì)導(dǎo)致金屬內(nèi)部溫度的分布不均勻，產(chǎn)生熱應(yīng)力造成閥體內(nèi)部膨脹而導(dǎo)致變形，甚至影響到閥體的正常使用年限，因此，此次研究先在穩(wěn)態(tài)工況下對溫度場進(jìn)行建模。邊界條件的設(shè)計(jì)要慎重，在閥體的進(jìn)、出口部分，一般沿徑向溫度變化較大而沿軸向溫度變化不大，高溫蒸汽流可作熱源，視為對流換熱情況的處理。將模型導(dǎo)入ANSYS軟件，即可得出溫度場分布規(guī)律圖。

因?yàn)槌R界主蒸汽閥通常安裝在存有高溫高壓蒸汽流量的工作環(huán)境下，因此對閥門外殼耐壓能力的要求非?？量蹋员仨氝M(jìn)行應(yīng)力計(jì)算分析。溫度不均勻場所引起的梯度越大，熱應(yīng)力也就越大，因約束條件的軸對稱性，將對稱面徑向位移設(shè)為零，以應(yīng)力敏感較遠(yuǎn)的邊界點(diǎn)和表面作為位移約束，計(jì)算構(gòu)件不產(chǎn)生線性及角形變；閥內(nèi)流體內(nèi)壓力產(chǎn)生的壓應(yīng)力，隨徑向尺度增大而增大，計(jì)算壓應(yīng)力時(shí)，約束條件一般設(shè)定為閥體與流體界面壓力。結(jié)合溫度場分布圖，算出熱應(yīng)力場分布圖，由熱應(yīng)力場和壓應(yīng)力場可以得出最后的總應(yīng)力場。

2 高溫蒸汽閥流體流場分析

高溫蒸汽流在流進(jìn)閥門后，閥通流部件的內(nèi)表面將與高溫蒸汽流發(fā)生作用，使流體壓力、速度、流動(dòng)方向發(fā)生改變，如流阻、旋渦、回流，閥也將會(huì)受到溫度、壓力、沖擊等作用，產(chǎn)生振動(dòng)、聯(lián)接部松動(dòng)、密封件受損等問題。

2.1 高溫蒸汽流在閥通流體流動(dòng)特性

在閥門開度逐步增大時(shí)閥門的內(nèi)部流場，高溫蒸汽流在閥門前后產(chǎn)生壓力降，不同結(jié)構(gòu)通流體的閥具有不同的流阻系數(shù)和流量系數(shù)關(guān)系，當(dāng)閥芯開度較小(小于15%）時(shí)，閥門的流阻較大，流量系數(shù)很小，并在閥門的出口段形成一個(gè)很大的漩渦回流，閥芯內(nèi)部也產(chǎn)生了較明晰的渦流。隨著閥芯開度的增大(大于15%仍然小于35%），閥門前后壓降最快，閥后渦流回旋相對減弱，即流阻系數(shù)繼續(xù)減小，流量系數(shù)增大但不明顯，閥芯處的渦流也隨之減小。隨著閥開度的繼續(xù)增大（大于35%小于65%），流阻系數(shù)急劇減小，流量系數(shù)的增大加快，且開始呈上拋物線增大。在閥芯開度為66%～85%的區(qū)間內(nèi)，渦流影響漸漸減弱至消失，流量系數(shù)曲線的曲率變化增大，即流量系數(shù)變化也最大，閥門前后壓降趨于平穩(wěn)。當(dāng)閥芯開度大于85%時(shí)，流量系數(shù)曲率變化最大，同時(shí)流阻系數(shù)減小，趨于一定值。

2.2 主蒸汽閥系統(tǒng)部分

根據(jù)所提供的資料和數(shù)據(jù)，確定了主蒸汽壓力，溫度，以及流體的密度。這種類型的單元計(jì)算所需要的邊界條件，在額定條件：流入口參數(shù)和流體密度的截面積，流速和入口，和流體的密度，恒定的橫截面面積，所以在入口流動(dòng)的情況下，速度一定時(shí)，根據(jù)公式V=G/（P），流速，流量比例，使流體密度和流動(dòng)截面面積成反比。因此在速度恒定的入口，可以設(shè)置為速度入口邊界。為計(jì)算方便，參考壓力設(shè)置為0的網(wǎng)格的邊界條件，如前所述，邊界條件設(shè)置為固壁邊界。計(jì)算加載過程中的能量方程，計(jì)算過程中，能量方程是不公開的。利用K-ε兩方程湍流模型。通過計(jì)算和仿真實(shí)驗(yàn)得出，額定流量下的進(jìn)出口壓差，蒸汽閥開啟阻力系數(shù)，壓力損失率和相同的閥門開度，阻力系數(shù)的變化規(guī)律，閥門的壓力損失率和主蒸汽壓力在不同的Re數(shù)和入口速度。

3 高溫高壓導(dǎo)致的蒸汽閥門內(nèi)漏及其危害

許多人認(rèn)為，在電廠處于關(guān)閉狀態(tài)，且在高溫高壓下操作閥門，閥門肯定會(huì)出現(xiàn)內(nèi)漏。事實(shí)上，在這個(gè)狀態(tài)，閥門內(nèi)漏后，閥體的溫度要高，但閥體溫度高，不一定所有閥門內(nèi)漏。管壁和壁面溫度之間的溫度差，這2個(gè)數(shù)據(jù)作為判斷閥門內(nèi)漏的依據(jù)，閥后的管道閥門，混凝土溫度值對應(yīng)的閥門內(nèi)漏。

在電力、石油、化工等行業(yè)的高溫蒸汽系統(tǒng)中，因其高溫及高壓造成系統(tǒng)中高溫蒸汽閥門經(jīng)常出現(xiàn)內(nèi)漏。內(nèi)漏在大壓差及高溫蒸汽的不斷沖蝕下，閥門將很快失效。閥門內(nèi)漏將直接增加閥門維護(hù)、修復(fù)、更換的生產(chǎn)費(fèi)用，造成極大的能源浪費(fèi)，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。閥門內(nèi)漏可能對下游設(shè)備造成損壞，對周邊的工作人員也是潛在的危險(xiǎn)因素；閥門泄漏嚴(yán)重時(shí)，有可能使機(jī)組被迫停機(jī)，造成非計(jì)劃停運(yùn)等電力生產(chǎn)事故；閥門的泄漏影響到電廠的環(huán)境與社會(huì)形象；閥門內(nèi)漏造成發(fā)電機(jī)組的效率降低，單位發(fā)電量的二氧化碳、二氧化硫、氮化物等污染物排放會(huì)增加；閥門內(nèi)漏使部分高溫高壓的蒸汽、水排入大氣中，增大周圍環(huán)境的熱污染同時(shí)，也存在很大的安全隱患。高溫蒸汽閥門內(nèi)漏是一個(gè)世界性難題，國內(nèi)外閥門制造廠家都在不斷改進(jìn)、探索，但始終沒有擺脫傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中單閥座、單密封的影響。對高溫閥密封件，普通材料抵御不了大壓差的沖蝕，適當(dāng)硬度的材料與閥門合理的密封結(jié)構(gòu)，才能有效解決此類問題。

4 基于熱力特性的高溫蒸汽閥門內(nèi)漏檢測

熱力系統(tǒng)高溫蒸汽閥門內(nèi)漏危害很大，但閥門是否出現(xiàn)內(nèi)漏，要準(zhǔn)確進(jìn)行判斷并不容易。用閥體溫度進(jìn)行判斷是很常用的判斷方法，大部分情況下沒有一個(gè)絕對的溫度標(biāo)準(zhǔn)，測量閥體的溫度與正常關(guān)閉的溫度，若偏離較高，即可認(rèn)為閥門已經(jīng)發(fā)生了內(nèi)漏。

4.1 選擇測溫點(diǎn)及測試

閥體上測溫度只能做為重要的參考數(shù)據(jù)。閥前或閥后不應(yīng)該出現(xiàn)流體流動(dòng)的地方，出現(xiàn)了工質(zhì)的流動(dòng)或外泄，由于高溫高壓流體的流動(dòng)或外泄而使閥體溫度高，這對于復(fù)雜的熱力系統(tǒng)，還應(yīng)增加閥前的溫度測量，測量位置應(yīng)選擇在閥前不遠(yuǎn)處。

表1 基于熱力特性閥門內(nèi)漏判別依據(jù)

4.2 基于熱力特性閥門內(nèi)漏的判斷

利用閥門后管壁溫度、閥門前后的管壁的溫差2個(gè)數(shù)據(jù)，作為閥門是否內(nèi)漏的判斷依據(jù)，內(nèi)漏狀況對應(yīng)的具體的溫度數(shù)值說明閥門的內(nèi)漏情況，見表1。

在診斷閥門是否內(nèi)漏時(shí)，基本上都使用紅外線測溫槍進(jìn)行溫度測量，根據(jù)該測溫儀的工作原理，離測溫點(diǎn)距離越近，測量誤差才更小，因此出現(xiàn)測量數(shù)據(jù)不合邏輯時(shí)，應(yīng)盡量近距離測量。

5 結(jié)語

分析了熱力系統(tǒng)高溫蒸汽閥門內(nèi)漏的危害性，討論了高溫蒸汽閥門是否出現(xiàn)內(nèi)漏的熱力特性，要確定閥門是否出現(xiàn)內(nèi)漏，常用的是基于熱力特性的判斷方式，分析得出確定內(nèi)漏閥體測溫點(diǎn)及判別標(biāo)準(zhǔn)和流體外漏閥體溫度將會(huì)偏高的結(jié)論。