陳友順

(浙江浙能樂清發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 溫州 325609)

0 引言

良好的給水溫度及穩(wěn)定性是保障燃煤機(jī)組熱效率的關(guān)鍵因素[1]，而給水泵再循環(huán)閥又稱最小流量閥是鍋爐給水泵系統(tǒng)的最關(guān)鍵閥門[2]。由于此閥門承受高溫、高壓差，運(yùn)行環(huán)境極為惡劣，其前后壓差為火電廠最大差壓，致使該閥極易汽蝕、侵蝕及沖刷，閥門內(nèi)漏故障頻發(fā)，嚴(yán)重影響機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[3-6]。我國現(xiàn)有超超臨界機(jī)組給水泵再循環(huán)閥基本上采購進(jìn)口設(shè)備，投資費(fèi)用及后續(xù)維修費(fèi)用較高，盡管如此，再循環(huán)閥的閥門故障依然頻發(fā)，整體使用壽命不高[7-9]。實(shí)際再循環(huán)閥門故障的處理及改造經(jīng)驗(yàn)具有重要的參考價值。

某電廠660 MW超超臨界機(jī)組原配用的再循環(huán)閥為進(jìn)口的美國Copes-Vulcan 閥(簡稱CV閥)，自投運(yùn)以來，一直存在著頻繁內(nèi)漏的問題，甚至在更換新閥內(nèi)件后不到半年，再次出現(xiàn)內(nèi)漏情況，嚴(yán)重影響著機(jī)組的安全運(yùn)行。本文分析了某廠進(jìn)口再循環(huán)閥故障原因，提出一種采用鑲嵌式節(jié)流迷宮式結(jié)構(gòu)的國產(chǎn)化改造方案，并介紹了國產(chǎn)化改造技術(shù)特點(diǎn)，使用結(jié)果表明，經(jīng)改造后的再循環(huán)閥在機(jī)組整個檢修周期內(nèi)均無內(nèi)漏情況發(fā)生，改造效果顯著。

1 再循環(huán)閥的工作原理及內(nèi)漏故障分析

1.1 給水泵再循環(huán)閥的工作原理簡介

燃煤機(jī)組給水泵的作用是將除氧器中的水送往鍋爐，其中給水泵再循環(huán)調(diào)節(jié)閥如圖1所示，安裝在給水泵出口管道的支管上，接入除氧器，在機(jī)組啟動或低負(fù)荷運(yùn)行中，確保給水泵具有維持安全運(yùn)轉(zhuǎn)的水流量[10]。當(dāng)鍋爐給水需要量很小或不需要流量時，為防止其產(chǎn)生過熱和汽蝕，就會打開再循環(huán)閥，使一部分高壓給水再回流到除氧器，來保證給水泵的安全運(yùn)行。所以，在任何情況下都要求給水泵必須有一個最基本的流量，即給水泵的最小流量[11]。當(dāng)鍋爐給水流量達(dá)到一定值時，再循環(huán)閥將會逐漸關(guān)閉，以提高給水泵運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

圖1 再循環(huán)調(diào)節(jié)閥流程圖

1.2 實(shí)際案例分析

為直觀的了解對再循環(huán)閥的影響，現(xiàn)結(jié)合某電廠解列裝置進(jìn)行檢查。如圖2所示為機(jī)組運(yùn)行一段時間后，CV閥內(nèi)件的沖蝕情況。該閥長期處于漏流狀態(tài)，密封面在短期內(nèi)就會被高速流體沖壞，以致無法關(guān)嚴(yán)，隨著漏流越來越多，給水泵出口的高壓流體又重新回到除氧器，嚴(yán)重影響機(jī)組發(fā)電效率。

圖2 原CV閥內(nèi)件沖蝕圖片

經(jīng)過對閥門的解體研究，針對材質(zhì)在密封設(shè)計上的特點(diǎn)，并結(jié)合電廠實(shí)際運(yùn)行工況，分析原因可能是給水系統(tǒng)水質(zhì)不佳和沖管質(zhì)量管控不嚴(yán)有關(guān)，水中雜質(zhì)顆粒鑲嵌，導(dǎo)致了閥芯與閥套出現(xiàn)劃傷和壓痕。

機(jī)組常態(tài)運(yùn)行下，水質(zhì)的處理技術(shù)要求及系統(tǒng)的安裝檢修工藝，難以保證給水品質(zhì)，水中存在的懸浮顆粒，對軟密封帶來損害。同時，對管道內(nèi)部的清潔標(biāo)準(zhǔn)要求不夠，也是造成管道內(nèi)留有較多雜質(zhì)的因素之一。然而，機(jī)組的安裝和檢修過程，檢驗(yàn)程序和施工工藝相對簡單，無法做到無雜物及顆粒。所以，在現(xiàn)有條件下，對再循環(huán)閥進(jìn)行相應(yīng)改造是解決此問題的可選方向。

1.3 再循環(huán)閥內(nèi)漏故障及其原因分析

內(nèi)漏是給水泵再循環(huán)閥最常見故障，引起內(nèi)漏的原因一般包括沖刷和汽蝕兩種。

(1)再循環(huán)閥的沖刷分析

由于介質(zhì)速度跟壓差有密切關(guān)系，流體速度在閥門內(nèi)的最小斷面的下游少許最高，這種高流速現(xiàn)象會引起汽蝕腐蝕和磨損出現(xiàn)，閥門很快就會被沖毀，產(chǎn)生內(nèi)漏。

在超超臨界機(jī)組中給水泵再循環(huán)閥的調(diào)節(jié)參數(shù)，如表1所示，要將給水壓力由38 MPa以上直接降為除氧器的壓力，閥前后壓差較高，即使閥門在小開度時，流速也非常高。所以，如果結(jié)構(gòu)上無有效的節(jié)流措施，閥門的密封面就在短期內(nèi)遭到嚴(yán)重沖刷，以致?lián)p壞。

表1 某超超臨界機(jī)組在循環(huán)閥最小流量參數(shù)

超(超)臨界機(jī)組采用直流鍋爐，要求再循環(huán)閥可調(diào)節(jié)給水流量，而不是開-關(guān)兩位式調(diào)節(jié)閥。同時，對給水泵再循環(huán)閥的嚴(yán)密性要求更高，容許內(nèi)漏量很?。环駝t，不僅將對閥門本身造成沖刷，還會導(dǎo)致機(jī)組的效率降低。所以，大型機(jī)組給水泵再循環(huán)閥是火電廠最高端的流體控制組元，對其設(shè)計、加工和選材等，提出了很高的要求。

(2)再循環(huán)閥的汽蝕分析

由伯努利方程可知，流體在通過給水泵最小流量閥的密封面處時，通流面積減小，而流速增加，其靜壓力將急劇下降到流體的飽和壓力之下，從而產(chǎn)生嚴(yán)重汽蝕現(xiàn)象，在此過程中,沖擊波的壓力可高達(dá)2 000 MPa以上,遠(yuǎn)超金屬材料的疲勞破壞極限，以至于給密封面帶來致命的破壞。

2 對再循環(huán)閥的優(yōu)化改造方法

機(jī)組現(xiàn)采用的進(jìn)口閥價格高昂，且存在嚴(yán)重的沖刷及汽蝕問題，閥門內(nèi)漏頻繁，經(jīng)多次檢修無法徹底解決問題。為此，針對再循環(huán)閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并結(jié)合電廠的實(shí)際情況，對原CV再循環(huán)閥進(jìn)行了國產(chǎn)化改造。

為解決閥門高壓差問題，在再循環(huán)閥的閥芯上加節(jié)流槽、內(nèi)鑲節(jié)流小件的迷宮式籠套閥套、提高閥內(nèi)件的硬度、使用先導(dǎo)迷宮式結(jié)構(gòu)等措施。在閥門構(gòu)造上的具體改進(jìn)方法如下：

(1)閥芯上加節(jié)流槽，可降低介質(zhì)流速，減少沖刷，其結(jié)構(gòu)見圖3。介質(zhì)在經(jīng)過間隙流時，由于軸與套的間隙極小，增加節(jié)流槽會使介質(zhì)從間隙處流入節(jié)流槽時空間突然增大，介質(zhì)會在節(jié)流槽中形成渦流，減緩流通速度。因此每增加一道節(jié)流槽，就會減小介質(zhì)的滲漏，增大對密封面的保護(hù)。

(2)高進(jìn)低出先導(dǎo)式整閥結(jié)構(gòu)，上閥蓋處加金屬自密封，杜絕外漏，見圖4。

圖3 國產(chǎn)閥節(jié)流槽

圖4 國產(chǎn)閥先導(dǎo)迷宮式密封

(3)閥芯外徑處配密封環(huán)，對密封面起到輔助作用，減少了閥門開啟與關(guān)閉時發(fā)生異常振動；

(4)閥座下方加彈簧密封圈，配合石墨纏繞墊密封，防止介質(zhì)沖刷閥體，造成內(nèi)漏；

(5)閥套為迷宮式籠套，內(nèi)鑲節(jié)流小件，節(jié)流小件通過不斷改變流向，降低流速，并將節(jié)流小件的位置布置為等百分比調(diào)節(jié)型，可保證全行程調(diào)節(jié)。現(xiàn)有的常規(guī)疊片式迷宮閥籠，所采用的節(jié)流型式均為轉(zhuǎn)折節(jié)流，而改造后采用鑲嵌式節(jié)流小件，節(jié)流型式為轉(zhuǎn)折對沖式節(jié)流，節(jié)流能力是國內(nèi)外同類型產(chǎn)品的3倍以上，并實(shí)現(xiàn)了迷宮式閥門保證關(guān)斷型的同時也具備了調(diào)節(jié)性；

(6)閥內(nèi)件硬度達(dá)到HRC70度，耐沖刷能力強(qiáng)，壽命更長。閥內(nèi)件選用硬度極高的440B(9Cr18MoV)，采用高級熱處理工藝，使閥內(nèi)件的硬度達(dá)到HRC70度左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同類產(chǎn)品HRC45左右，硬度的保證，極大提高了閥門的耐沖刷能力。

3 實(shí)際改造及效果分析

3.1 內(nèi)鑲節(jié)流小件的設(shè)計

改造后的迷宮式結(jié)構(gòu)見圖5,由迷宮式閥芯、籠套閥套和節(jié)流小件組成，和此前相比，更為先進(jìn)合理。流體每通過一個節(jié)流小件時，經(jīng)過九道迷宮，流體方向不斷改變，通過10級以上節(jié)流降壓后，能量大量消耗，保證了在密封面處的速度不會很高，減弱了流體對密封面的沖刷的同時，又防止了閃蒸空化破壞。

圖5 改造后內(nèi)鑲節(jié)流小件的迷宮式籠套閥套

流體介質(zhì)在節(jié)流小件內(nèi)多次90°折轉(zhuǎn),每次折轉(zhuǎn)相互對沖，能量不斷消耗；折轉(zhuǎn)流向的同時,介質(zhì)在通過節(jié)流小件時，分路流入的流體同時發(fā)生正面對沖，能量相互消耗，如圖6所示。迷宮閥套布置成整體對沖結(jié)構(gòu)，使得流體介質(zhì)在閥套進(jìn)行空間對沖，能量相互消耗?？筛鶕?jù)實(shí)際情況,設(shè)置不同的節(jié)流折轉(zhuǎn)級數(shù)，如圖7所示。

圖6 節(jié)流小件內(nèi)對沖

圖7 迷宮閥套整體對沖

3.2 關(guān)斷嚴(yán)密方面的技術(shù)要點(diǎn)

在解決關(guān)斷嚴(yán)密性的問題上，采用了以下方法：閥內(nèi)組件的熱處理工藝，確保了高硬度(HRC70左

右)的同時，又具有極好的韌性；錐型硬密封，確保關(guān)斷比壓，實(shí)現(xiàn)泄漏標(biāo)準(zhǔn)；合理的間隙控制，實(shí)現(xiàn)過封組合密封；迷宮型節(jié)流，避免閥內(nèi)空化作用的發(fā)生。

在調(diào)節(jié)靈活性的設(shè)計上，改造后的調(diào)節(jié)閥采用以下方法：閥芯不受閥門前后高壓差的影響，消除了不平衡力，閥門的開啟和關(guān)閉，只取決于填料摩擦系數(shù)；閥桿直徑設(shè)計很小，減小了填料摩擦力；采用柔性石墨加鎳絲填料，可顯著減小摩擦。

3.3 國產(chǎn)化改造效果

從2015年開始，某廠連續(xù)投用過4臺，整個投用過程中有一臺閥芯下端出現(xiàn)過卡澀，經(jīng)過計算、分析，是由于安裝時同軸度問題所致，其余閥門運(yùn)行均處于正常狀態(tài)，在機(jī)組檢修周期內(nèi)均無內(nèi)漏情況發(fā)生。

4 結(jié)論及展望

針對進(jìn)口的再循環(huán)閥頻繁內(nèi)漏的故障，結(jié)合國內(nèi)水質(zhì)特點(diǎn)，在超超臨界660 MW機(jī)組上進(jìn)行了再循環(huán)閥國產(chǎn)化改造，采用先導(dǎo)密封、節(jié)流小件等特殊的結(jié)構(gòu)及流體控制方式，有效的解決了密封面汽蝕、沖刷等嚴(yán)重問題。經(jīng)一個檢修周期的運(yùn)行，現(xiàn)場閥門關(guān)閉嚴(yán)密，閥門在關(guān)閉情況下，閥體溫度保持在50 ℃左右，節(jié)省能耗，提高熱經(jīng)濟(jì)性，保證了閥門及系統(tǒng)長期經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行。

給水泵再循環(huán)閥在發(fā)電機(jī)組中因所受運(yùn)行環(huán)境影響，損耗較大，盡管采取其他措施可減緩損壞，但仍屬于耗材。尤其在當(dāng)下形式，使用進(jìn)口原件檢修、更換代價高，給發(fā)電廠帶來較大負(fù)擔(dān)，所以本文所提出的改造技術(shù)，也可以應(yīng)用于同類型的閥門；所倡導(dǎo)的改造思想值得所有工業(yè)生產(chǎn)單位學(xué)習(xí)，打破技術(shù)壁壘，加強(qiáng)自主創(chuàng)新。