徐毅翔,錢錦遠(yuǎn),2*,陳立龍,金志江

(1.浙江大學(xué) 化工機(jī)械研究所,浙江 杭州 310027;2.浙江大學(xué) 流體動力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310027;3.杭州華惠閥門有限公司,浙江 杭州 311122)

0 引 言

減溫減壓裝置是蒸汽系統(tǒng)中調(diào)節(jié)溫度、壓力和流量等熱能參數(shù),利用余熱余壓以及保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備與管路安全的關(guān)鍵裝置,廣泛應(yīng)用于機(jī)械、船舶、電力、石化、冶金、制冷等工業(yè)領(lǐng)域。

減溫減壓裝置一般由減壓機(jī)構(gòu)、減溫機(jī)構(gòu)(或減溫減壓一體機(jī)構(gòu))、安全保護(hù)機(jī)構(gòu)、熱力調(diào)節(jié)儀表等附件組成。其中:(1)減壓機(jī)構(gòu)。一般由減壓閥和節(jié)流孔板組成,用于完成蒸汽的兩級或多級減壓;(2)減溫機(jī)構(gòu)。一般由給水調(diào)節(jié)閥和霧化噴嘴組成,其中給水調(diào)節(jié)閥主要用于輸送減溫水;霧化噴嘴主要用于對減溫水進(jìn)行霧化,以增強(qiáng)減溫水與蒸汽的換熱效果;(3)減溫減壓一體機(jī)構(gòu)。主要指減溫減壓閥,其減溫和減壓過程在閥內(nèi)同步進(jìn)行。安全保護(hù)機(jī)構(gòu)可以防止二次壓力超過限定值,確保其在安全條件下運(yùn)行。各類熱力調(diào)節(jié)儀表可實(shí)時對蒸汽的溫度、壓力和流量等信息進(jìn)行監(jiān)測,并反饋給執(zhí)行機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。

我國減溫減壓裝置的設(shè)計(jì)和制造起步較晚。最初的減溫減壓裝置主要采用蘇聯(lián)的結(jié)構(gòu),但由于該結(jié)構(gòu)體積大、減溫減壓效果較差,無法滿足現(xiàn)代工業(yè)需求。近幾十年來,我國高?？蒲腥藛T和相關(guān)企業(yè)技術(shù)人員通過自主研發(fā),推動了減溫減壓裝置設(shè)計(jì)制造水平的提高,取得了長足的進(jìn)步。

中國計(jì)量大學(xué)的袁心億[1]、鶴壁煤電公司的張少坤[2]等人先后研究介紹了減溫減壓裝置的自動控制系統(tǒng),極大提高了蒸汽參數(shù)的控制精度,提升了設(shè)備運(yùn)行的平穩(wěn)性,并在鶴壁煤電公司得到了應(yīng)用。雍麗英等人[3]研發(fā)了一種新型減溫減壓裝置,實(shí)現(xiàn)了流量范圍從10%～100%的精確調(diào)節(jié)。閻繼宏[4]分析了應(yīng)用在哈薩克斯坦扎那若爾第三天然氣處理廠的減溫減壓裝置所遇到的故障,提出了增設(shè)節(jié)流裝置、增大蒸汽流量等解決方法。陳娟娟[5]、馬力[6]等人對焦化企業(yè)和煤制油企業(yè)在供汽設(shè)備中采用減溫減壓裝置后的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析,指出應(yīng)用減溫減壓裝置可為企業(yè)節(jié)省大量能耗與運(yùn)行成本。

隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展,為了提高能源的生產(chǎn)和利用效率,蒸汽系統(tǒng)內(nèi)的蒸汽參數(shù)不斷提升,并朝著高溫、高壓、大流量復(fù)雜工況方向發(fā)展,對減溫減壓裝置的精確穩(wěn)定調(diào)節(jié)能力提出了更高的要求。

本文以減溫減壓裝置的減壓機(jī)構(gòu)和減溫機(jī)構(gòu)為索引,整理國內(nèi)外減溫減壓裝置的發(fā)展現(xiàn)狀,并提出減溫減壓裝置未來的發(fā)展方向。

1 一體式減溫減壓裝置

在一體式減溫減壓裝置中,減溫機(jī)構(gòu)與減壓機(jī)構(gòu)組合成一個機(jī)構(gòu),即減溫減壓閥,適用于入口蒸汽壓力低于9.81 MPa,溫度不超過540 ℃的工況。相比于分體式機(jī)構(gòu),其結(jié)構(gòu)更加精簡、體積更小、成本更低。

一體式減溫減壓裝置的核心部件是集減壓閥和減溫水噴嘴于一體的減溫減壓閥[7],如圖1所示。

圖1 減溫減壓閥

減溫減壓閥通過控制閥體內(nèi)啟閉件開度大小來調(diào)節(jié)蒸汽流量與壓力,同時借助閥后壓力的作用調(diào)節(jié)啟閉件的開度,使閥后壓力保持在一定范圍內(nèi),并在閥體內(nèi)噴入減溫水,將蒸汽的溫度降低。減溫減壓閥主要由閥體、閥蓋、節(jié)流組件、閥瓣、閥桿、減溫水噴管、下閥蓋等組件組成。

最早的一體式減溫減壓裝置是將原本分體式減溫減壓裝置中的減溫水噴嘴與減壓閥簡單安裝在一起形成的管式減溫減壓器,即第二代減溫減壓裝置。相比于分體式裝置,其雖然減小了占地面積,但是體積仍然較大,長度從3 m到7 m不等,有的可達(dá)10 m。此外,該結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)精度較差,調(diào)節(jié)范圍較窄,一般只能在額定流量的60%～120%之間調(diào)節(jié)[8],振動噪聲大,安裝維修困難,因此目前還未得到廣泛應(yīng)用。

在第二代的基礎(chǔ)上,第三代減溫減壓裝置在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了較多的改進(jìn)。第三代中的減溫減壓閥采用了直行程的雙座平衡式結(jié)構(gòu),降低了作用于閥桿的不平衡力,使其能更好地適應(yīng)大流量工況。該裝置中的減溫水通過閥瓣上的小孔進(jìn)入閥體內(nèi),強(qiáng)化了減溫效果;閥內(nèi)設(shè)置了網(wǎng)罩結(jié)構(gòu),可有效降低噪聲。與第二代相比,第三代減溫減壓裝置的性能參數(shù)有了較大的提升,但是由于減溫水流道不可改變,當(dāng)流量調(diào)節(jié)范圍變大時,減溫水的霧化效果難以達(dá)到要求[9]47;而且雙座結(jié)構(gòu)不容易密封,在使用中泄漏量大。

第四代減溫減壓裝置將減溫減壓閥閥體改為了雙球型。其采用雙球型結(jié)構(gòu)可降低閥體所受的交變應(yīng)力,相比雙座式結(jié)構(gòu),該裝置又能減少泄漏。其閥內(nèi)采用套筒式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)減壓,流量調(diào)節(jié)比可達(dá)10 ∶1,既能保護(hù)閥座,又能提高調(diào)節(jié)精度;閥體下部大球內(nèi)采用節(jié)流孔罩,增強(qiáng)了減溫水的霧化效果,避免減溫水直接與閥體接觸,保護(hù)閥體;孔罩結(jié)構(gòu)在起降噪作用的同時,還可進(jìn)行二次減壓,增大了減壓幅度;閥內(nèi)采用自動可調(diào)傘形霧化噴嘴,噴水處截面為環(huán)形結(jié)構(gòu),減溫水呈45°～60°傘形,該結(jié)構(gòu)可保證當(dāng)蒸汽流量變化時,噴嘴流通面積和減溫水流量能與所需工況同步,使減溫水與過熱蒸汽充分混合,提高減溫效率;減溫水有一定的噴射速度,保證了該閥能滿足流量和減溫幅度變化較大的變工況條件[10]。

但是,該裝置仍存在一些問題,如整個減溫減壓閥結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,雙球結(jié)構(gòu)導(dǎo)致內(nèi)腔所需容積較大,進(jìn)出口不在同一水平線上且體型偏大成本較高,維修困難。此外,第三代和第四代減溫減壓閥都是單調(diào)節(jié)式,不能滿足復(fù)雜工況的使用要求[9]47。

針對上述問題,第五代減溫減壓裝置中的減溫減壓閥采用了新的球形閥體。該結(jié)構(gòu)上、下腔均為半球形流線型結(jié)構(gòu),有利于流體的無阻塞流動;閥瓣與閥座之間、套筒與閥瓣之間的通流面積可通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)同步的二次減壓;閥瓣上開設(shè)噴嘴孔,噴嘴活塞與噴嘴孔的相對通流面積會隨著閥瓣的運(yùn)動而改變,從而達(dá)到減溫可調(diào)的目的。

第五代減溫減壓裝置結(jié)構(gòu)合理緊湊,在工況變化大的極端條件下仍能保持優(yōu)良的調(diào)節(jié)性能;流量調(diào)節(jié)比可達(dá)20 ∶1以上,減溫減壓幅度提高;噪聲水平低,從傳統(tǒng)的減溫減壓裝置的87 dB(A)以上降低到84 dB(A)以下。除此之外,第五代減溫減壓裝置還設(shè)置了儀表監(jiān)控系統(tǒng),可在現(xiàn)場監(jiān)控柜自動或者手動調(diào)節(jié)設(shè)備運(yùn)行[9]48-49。

歷代一體式減溫減壓裝置中,減溫減壓閥在參數(shù)、結(jié)構(gòu)和性能上的提升情況總結(jié)如表1所示。

表1 歷代一體式減溫減壓裝置對比

2 分體式減溫減壓裝置

分體式減溫減壓裝置中,減溫和減壓過程分開進(jìn)行。減壓過程通過減壓閥的節(jié)流減壓來實(shí)現(xiàn);減溫過程則通過噴嘴噴出霧化減溫水與蒸汽混合來實(shí)現(xiàn)。分體式減溫減壓裝置具有控制精度高、運(yùn)行平穩(wěn)、調(diào)節(jié)靈敏等特點(diǎn)。本文將對減壓機(jī)構(gòu)和減溫機(jī)構(gòu)分別進(jìn)行具體介紹。

2.1 減壓機(jī)構(gòu)

分體式減溫減壓裝置的減壓機(jī)構(gòu)主要由減壓閥和節(jié)流孔板組成,其減壓級數(shù)由減壓前后蒸汽之間的壓差來決定。蒸汽進(jìn)入減壓閥后,減壓閥通過執(zhí)行器帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu),將蒸汽進(jìn)口壓力減至某一特定的壓力,并保持穩(wěn)定。往往減壓閥都要求進(jìn)出口壓差必須≥0.2 MPa。

根據(jù)是否帶有執(zhí)行機(jī)構(gòu),減壓閥可分為自力式減壓閥和控制式減壓閥。我國早期研制和生產(chǎn)的減壓閥雖然可以基本滿足當(dāng)時的國內(nèi)工業(yè)需求,但實(shí)際上還存在著很多問題,例如:

(1)部分蒸汽管路仍采用自力式減壓閥作為減壓裝置。而自力式減壓閥調(diào)節(jié)精度低,且只適用于低參數(shù)工況。例如,由沈陽第二閥門廠生產(chǎn)的CY43H-16先導(dǎo)活塞式減壓閥,只適用于壓力≤1.6 MPa,溫度≤200 ℃的工況;

(2)控制式減壓閥設(shè)計(jì)水平低。例如,我國自主設(shè)計(jì)的PV8228減壓控制閥在高溫高壓條件下極易出現(xiàn)沖蝕、汽蝕等問題[11];且設(shè)計(jì)出的減壓閥流量調(diào)節(jié)范圍小,蒸汽流量調(diào)節(jié)比一般只有10 ∶1;

(3)閥門生產(chǎn)制造水平低。例如,1994年趙彥修等[12]對發(fā)生在河北某工廠采暖蒸汽管道上的減壓閥爆炸事故進(jìn)行了調(diào)查,發(fā)現(xiàn)該減壓閥的材料和鑄造方式均存在嚴(yán)重缺陷,并指出當(dāng)年閥門市場抽查合格率僅為32.8%。

由此可見,早期的減壓閥無法滿足當(dāng)前高溫高壓、流量變化范圍大和減壓幅度大的復(fù)雜工況[13]。如今,國內(nèi)減溫減壓裝置中普遍采用控制式減壓閥,以精確控制高壓蒸汽出口壓力,并且設(shè)計(jì)制造水平有了巨大的進(jìn)步。

國內(nèi)應(yīng)用于減溫減壓裝置的控制式減壓閥主要有單柱塞式減壓閥、籠罩式減壓閥和雙座式減壓閥3類,其主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與性能參數(shù)方面的具體情況如下:

(1)單柱塞式減壓閥。

單柱塞式減壓閥的結(jié)構(gòu)形式[14]如圖2所示。

圖2 角式單柱塞式減壓閥

該類減壓閥一般應(yīng)用于工作壓力≥10 MPa、工作溫度≥540 ℃的高參數(shù)工況,因此一般設(shè)計(jì)為角式結(jié)構(gòu)[15],且大多采用液壓或氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu),具有啟閉速度快的特點(diǎn);其減壓結(jié)構(gòu)采用了單座柱塞+孔板的形式,可有效降低噪聲;閥瓣處采用一種特殊的流道結(jié)構(gòu),可將氣流分解成多股梅花狀流出,從而避免閥內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)烈振動;閥體內(nèi)采用曲線型多孔鐘罩,可防止蒸汽直接沖擊閥體內(nèi)表面,延長了閥門壽命;閥桿一般設(shè)計(jì)為較大直徑,并且與閥瓣一體,該方法可提高閥桿強(qiáng)度和抗振性。此外,單柱塞式減壓閥的密封性及調(diào)節(jié)特性也更優(yōu)良。

(2)籠罩式減壓閥。

籠罩式減壓閥的結(jié)構(gòu)形式[16]如圖3所示。

圖3 多級籠罩式減壓閥

籠罩式減壓閥通過控制套筒內(nèi)的閥瓣位置來調(diào)節(jié)蒸汽壓力和流量。相比于單柱塞式減壓閥,籠罩式減壓閥更適用于較低流量和壓力的工況,具有噪音小、精度高等優(yōu)點(diǎn)。

此外,多孔籠罩結(jié)構(gòu)還可起到抑制閥芯處空化的作用[17]39,其特點(diǎn)在于閥芯由帶有節(jié)流孔的閥瓣和套筒組成,籠罩式減壓閥閥內(nèi)通常可設(shè)多級節(jié)流降壓結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)在降噪的同時,還起到了保護(hù)閥座及閥體免受沖擊的作用,能夠延長閥門壽命。

根據(jù)形式的不同,多級節(jié)流降壓結(jié)構(gòu)可分為:串級式[18]、迷宮盤式[19]、多層套筒式[20],如圖4所示。

(a)串級式

此外,杭州華惠閥門有限公司自主研發(fā)了一種采用單座套筒配合波紋型多孔節(jié)流網(wǎng)罩的新型二級減壓閥結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)降低了32.15%的最大交變應(yīng)力,使得閥內(nèi)密封面的受力狀況得到了改善,減少了閥門的泄漏量;其流量調(diào)節(jié)范圍可達(dá)10%～100%[21]。

(3)雙座式減壓閥。

雙座式減壓閥的閥內(nèi)設(shè)有兩個閥座[22],其結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。

圖5 雙座式減壓閥

雙座式結(jié)構(gòu)能在保證閥門工作壓差的同時,減小閥內(nèi)單個閥座的流量,降低單個閥桿閥芯的受力,因此能更好地適應(yīng)高參數(shù)工況。相較于單柱塞式結(jié)構(gòu),雙座式結(jié)構(gòu)減少了閥桿處的機(jī)械摩擦,降低了閥門噪音,且動作平穩(wěn),基本不會出現(xiàn)卡死現(xiàn)象;相較于籠罩式閥芯結(jié)構(gòu),雙座式結(jié)構(gòu)更為簡單,其閥芯和閥座在高壓下不容易變形。因此,雙閥座減壓閥在工程中也有著較為廣泛的應(yīng)用。

上述3種減壓閥的優(yōu)劣對比結(jié)果如表2所示。

表2 3種蒸汽減壓閥對比

2.2 減溫機(jī)構(gòu)

在減溫減壓裝置中,減溫機(jī)構(gòu)將減溫水進(jìn)行霧化形成水霧,與過熱蒸汽充分混合以降低蒸汽溫度。因此,減溫水的霧化效果決定了減溫機(jī)構(gòu)的減溫性能和使用壽命,而減溫機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)又是影響減溫水霧化效果的主要因素。

我國早期的減溫機(jī)構(gòu)沿襲了蘇聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式,主要由給水分配閥、固定噴嘴、節(jié)流裝置等組成。這種結(jié)構(gòu)存在較多問題,包括:(1)固定噴嘴面積不可調(diào),當(dāng)蒸汽量變化時無法做出相應(yīng)調(diào)整;(2)噴水量由給水分配閥調(diào)節(jié),要求水源壓力高于蒸汽壓力一定范圍才能使用;(3)給水分配閥閥內(nèi)漏流量較大,導(dǎo)致減溫減壓裝置可調(diào)比過小,只能在50%～100%負(fù)荷工況下使用;(4)減溫水霧化效果差,致使最低可調(diào)溫度偏高,二次蒸汽最低溫度只能調(diào)到比飽和蒸汽溫度高15 ℃以上[23];(5)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、成本高,從制造安裝到后期維修維護(hù)都較為困難等。

為了解決減溫機(jī)構(gòu)中減溫水霧化效果差、與過熱蒸汽混合不充分等問題,一系列新型減溫機(jī)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生,根據(jù)其結(jié)構(gòu)的差異可分為:可調(diào)霧化噴嘴型減溫機(jī)構(gòu)和文丘里噴嘴型減溫機(jī)構(gòu)。

可調(diào)霧化噴嘴型減溫機(jī)構(gòu)可直接安裝在蒸汽管道上,減溫機(jī)構(gòu)根據(jù)入口蒸汽參數(shù)的變化,由執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制噴嘴的開度和數(shù)量,以精確調(diào)節(jié)噴水量;噴嘴按流量布置,根據(jù)流量的大小逐漸開啟,以保證減溫水始終以完全霧化的方式噴入蒸汽管道[24]37。根據(jù)使用噴嘴的結(jié)構(gòu)形式和數(shù)量的不同,可調(diào)霧化噴嘴型減溫機(jī)構(gòu)可分為兩種:彈簧可調(diào)環(huán)形噴嘴減溫機(jī)構(gòu)和可變截面式多噴嘴減溫機(jī)構(gòu)。其中,可變截面式多噴嘴減溫機(jī)構(gòu)流量調(diào)節(jié)比大,可達(dá)20 ∶1;而彈簧可調(diào)環(huán)形噴嘴減溫機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)比小,但其結(jié)構(gòu)更為簡單[25]。

當(dāng)噴水量大于蒸汽量的25%,或當(dāng)減溫水壓力低至二次蒸汽管線壓力0.4 MPa時,可采用文丘里噴嘴型減溫機(jī)構(gòu)。文丘里噴嘴型減溫機(jī)構(gòu)是基于文丘里效應(yīng)設(shè)計(jì)的減溫機(jī)構(gòu),其霧化液滴大小主要取決于氣體壓力及流量[26]。文丘里噴嘴型減溫機(jī)構(gòu)可以強(qiáng)化減溫水的霧化效果,并使減溫水與過熱蒸汽更好地混合。

過熱蒸汽流經(jīng)減溫機(jī)構(gòu)漸縮部位時,其流速增加,壓力降低,在喉部時流速達(dá)到最大值。由于文丘里效應(yīng)的作用,高速蒸汽會產(chǎn)生振動,并強(qiáng)制減溫水旋轉(zhuǎn)噴入蒸汽管道,強(qiáng)化了蒸汽與減溫水之間的傳熱和減溫水的霧化效果。同時,由于噴入管道的減溫水全部汽化并與蒸汽混合,不會對混合處管道產(chǎn)生沖擊,無需額外安裝任何的保護(hù)襯墊[27]。

3 減溫減壓裝置關(guān)鍵技術(shù)研究方法

3.1 流動特性分析

對減壓閥的閥內(nèi)流動特性的研究一直是一個熱點(diǎn),浙江大學(xué)特種控制閥研究團(tuán)隊(duì)對該熱點(diǎn)問題進(jìn)行了細(xì)致的研究。

JIN Z J等[28]提出了一種新型高參數(shù)減壓閥,如圖6所示。

圖6 新型高參數(shù)減壓閥結(jié)構(gòu)圖

該結(jié)構(gòu)采用該閥體和孔板的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法,可以減少能量損失,提高蒸汽流動性能。

CHEN F Q等[29]針對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)(包括閥門開度、孔板直徑、套筒直徑、孔板倒角半徑、孔板壓力比和開孔板級數(shù)),對高多級減壓閥可壓縮湍流流動和能耗的影響因素進(jìn)行了數(shù)值研究。侯聰偉等[17]33-39考察了籠罩式閥芯和節(jié)流孔板的間距對節(jié)流特性的影響,指出隨著節(jié)流孔板位置的下移,湍流耗散率不斷增大;而隨著流場最低溫度的不斷增大,籠罩式閥芯處的減壓效果會逐漸下降。

為了優(yōu)化旁路系統(tǒng)減壓閥閥體結(jié)構(gòu),以提升其在高參數(shù)工況下的安全性能,CHEN F Q等[30]采用流固耦合的方法,對某高壓旁路系統(tǒng)減壓閥的承壓熱沖擊強(qiáng)度進(jìn)行了分析,并對該減壓閥進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn),以提高高壓減壓閥的調(diào)節(jié)性能。

由此可見,目前,國內(nèi)減壓閥的流動特性分析技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了較高的水平,并且能較好地將其運(yùn)用到實(shí)際產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與改進(jìn)中。

3.2 雙座式減壓閥密封技術(shù)

雙座式閥門結(jié)構(gòu)存在一個重要問題,即由于加工精度的問題,難以同時保證閥芯和閥座間兩個密封面的緊密接觸,極易發(fā)生泄漏現(xiàn)象。泄漏會破壞閥門內(nèi)部的力平衡系統(tǒng),降低閥體內(nèi)啟閉件的靈敏性,使減壓閥動作緩慢遲鈍;即使是微量的泄漏,也會影響閥的輸出壓力,從而造成閥的失效[31]。

為此,李長松等[32]設(shè)計(jì)了一種籠式雙座蒸汽減壓閥的閥座結(jié)構(gòu),如圖7所示。

圖7 籠式雙座蒸汽減壓閥結(jié)構(gòu)圖

該結(jié)構(gòu)閥芯上下兩面都是錐形密封面,分別與上下閥座的錐形密封面緊密接觸;上閥座與閥籠連接處安裝了碟簧,使閥芯向下運(yùn)動后閥芯與下閥座密封面能緊密接觸,上閥座與閥籠間的密封性能由其間的石墨環(huán)來保證。

此外,梅奎等[33]設(shè)計(jì)了一種閥瓣與閥桿之間的連接結(jié)構(gòu),以避免雙閥座減壓閥在使用過程中出現(xiàn)內(nèi)閥瓣松動脫落的現(xiàn)象;該結(jié)構(gòu)可大大減少減壓閥的檢修次數(shù)。

3.3 減溫機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于減溫機(jī)構(gòu)內(nèi)涉及多相流動,且流體流動速度快、湍流程度大,對減溫機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)十分困難。目前,針對減溫機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要集中在噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和新型減溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面。

目前,國內(nèi)應(yīng)用于減溫機(jī)構(gòu)的可調(diào)霧化噴嘴主要是壓力式霧化噴嘴,即通過控制供水壓力和出水孔徑來實(shí)現(xiàn)水的霧化,因此,一般噴嘴設(shè)計(jì)的目的是基于高壓霧化的原理,通過減小出水口徑和增大出水壓力,來提高其減溫水霧化能力[34]。而事實(shí)上,越小的出水口徑和越高的出水壓力不僅會極大地提高成本,還易引起噴嘴堵塞,以及對蒸汽水霧混合管道產(chǎn)生嚴(yán)重沖擊,因此,研究人員將更多目光投向了噴嘴調(diào)節(jié)性能的提升上。

王榮[35]利用離散相模型研究了噴嘴噴出的減溫水水霧與蒸汽混合的情況,分析比較不同混合距離橫截面上蒸汽的溫度分布,得到了設(shè)計(jì)參數(shù)下噴水減溫的最佳混合距離;并指出噴嘴噴射角度為鈍角時,減溫效果要好于銳角。孫麗等[24]32-33設(shè)計(jì)了一種集減溫水壓力、流量調(diào)節(jié)于一體,并可實(shí)現(xiàn)多級壓力調(diào)節(jié)的傘狀霧化可調(diào)噴嘴;該噴嘴具有極細(xì)的霧化效果,可有效地避免水積對高溫高壓管道的破壞。張明等[36]26改進(jìn)設(shè)計(jì)了一種具有止回和關(guān)閉功能的旋轉(zhuǎn)霧化可調(diào)噴嘴,實(shí)現(xiàn)了定壓噴射;該噴嘴在噴射過程中,其水珠旋轉(zhuǎn)霧化粒達(dá)300 μm～500 μm,并能自適應(yīng)地調(diào)節(jié)霧化的水量。

由于文丘里結(jié)構(gòu)能強(qiáng)化減溫水霧化效果,并使水霧與蒸汽充分混合,該結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于新型減溫機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中。袁舒欣等[37]對文丘里噴管進(jìn)行研究分析,通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在霧化噴嘴中應(yīng)用文丘里噴管,可有效增加水霧中小顆粒液滴的比例。

WANG Y等[38]為了強(qiáng)化傳熱效率,設(shè)計(jì)了新型噴霧減溫裝置,如圖8所示。

圖8 新型噴霧減溫裝置

該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于采用了兩級文丘里管,離心噴嘴與單級文丘里管的結(jié)合優(yōu)化了噴嘴的噴射效果,延長了減溫水的使用范圍;噴嘴噴射效應(yīng)增大了收縮區(qū)與喉道區(qū)之間的壓差,強(qiáng)化了文丘里效應(yīng)。由于結(jié)合了離心噴嘴和兩級文丘里管,該結(jié)構(gòu)的噴淋霧化效果更好,蒸汽溫度可調(diào)范圍更大,可以適應(yīng)大的蒸汽負(fù)荷變化,保持穩(wěn)定工作。

杭州華惠閥門有限公司提出了一種多級調(diào)節(jié)閥,配合自動霧化傘狀可調(diào)噴嘴進(jìn)行減溫的高精度減溫機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)采用了高壓差多級調(diào)節(jié)閥進(jìn)行粗調(diào),配合文丘里管內(nèi)設(shè)有的自動霧化傘狀可調(diào)噴嘴進(jìn)一步細(xì)調(diào),使減溫水射速保持恒定;同時文丘里管喉部較高的蒸汽流速可改善減溫水霧化效果,從而優(yōu)化減溫效果,擴(kuò)大流量調(diào)節(jié)范圍。該技術(shù)可使出口溫度調(diào)節(jié)精度達(dá)到±2 ℃[21]。

但需要指出的是,由于文丘里管喉部直徑是固定的,僅在大流量工況時能產(chǎn)生較好的減溫水霧化效果及蒸汽與減溫水混合效果;而當(dāng)面臨小流量工況時,該結(jié)構(gòu)并不能起到很好的減溫作用。因此,如何使文丘里管喉部直徑隨著蒸汽流量的改變而改變,仍是目前一個難以解決的問題。

此外,由于減溫水噴嘴處兩相流流場極其復(fù)雜,且不穩(wěn)定,對其進(jìn)行的研究存在一定的困難,導(dǎo)致目前國內(nèi)缺乏對減溫機(jī)構(gòu)內(nèi)部流場的研究分析。

而實(shí)際上,對減溫機(jī)構(gòu)內(nèi)流場進(jìn)行分析,不僅可以從機(jī)理上指導(dǎo)其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì),從而提高減溫效率,還能從原理上對許多減溫機(jī)構(gòu)的失效現(xiàn)象進(jìn)行解釋,以便從根源上解決問題。

3.4 減溫減壓裝置降噪減振技術(shù)

減溫減壓裝置的降噪減振技術(shù)一直受到許多專家學(xué)者的重視。振動會使機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生較大的動載荷,從而嚴(yán)重影響設(shè)備的工作性能和壽命;巨大的噪聲不僅會損壞設(shè)備,還會危害操作人員的身體健康,并且巨大的噪聲也會引發(fā)振動。因此,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,減溫減壓裝置中的總體噪聲水平應(yīng)不大于85 dB(A)[39]。

減溫減壓裝置中的振動噪聲主要來源于減壓機(jī)構(gòu)和減溫機(jī)構(gòu)。在減壓機(jī)構(gòu)中,流體流經(jīng)節(jié)流元件如閥芯和孔板時,壓力迅速降低,發(fā)生超聲速流動,導(dǎo)致減壓閥內(nèi)氣體的湍流程度加劇,并由此產(chǎn)生較大的噪聲[40]。在高壓差工況下工作時,減壓閥蒸汽壓力的變化和劇烈的湍流流動,極易引起整個管路系統(tǒng)的振動,同時產(chǎn)生巨大的噪聲。

針對減壓閥噪聲問題,陳立龍等[41]指出,閥內(nèi)噪聲的強(qiáng)弱與湍流的程度有關(guān)。為了降低減壓閥內(nèi)噪聲,一般的方法有:(1)在減壓閥內(nèi)增設(shè)消聲器,如多孔板或多孔網(wǎng)罩等;(2)改進(jìn)閥門結(jié)構(gòu),以減小噪聲。

近年來學(xué)者在減壓閥降噪方面的研究進(jìn)展如表3所示。

表3 減壓閥降噪技術(shù)研究進(jìn)展

根據(jù)頻率的大小,振動可分為3種:(1)低頻振動,頻率小于1 000 Hz;(2)中頻振動,頻率介于1 000 Hz～5 000 Hz之間;(3)高頻振動,頻率大于5 000 Hz。

在減溫減壓裝置中,振動一般包括機(jī)械振動和流激振動:(1)機(jī)械振動。指由于流體與零件碰撞和零件與零件碰撞而產(chǎn)生的振動,為低頻振動,危害較小,相對容易控制;(2)流激振動。是指當(dāng)設(shè)備自然頻率與流體激勵頻率一致時引起的共振,為高頻振動。

高參數(shù)蒸汽在通過減壓閥后不但產(chǎn)生巨大的噪聲,還會引起劇烈的高頻振動,高頻振動將嚴(yán)重地?fù)p害裝置內(nèi)零部件,降低裝置壽命,是制約減溫減壓裝置向高參數(shù)化發(fā)展的重要因素。

ERD?DI等人[52]通過CFD的方法擴(kuò)展了對減壓閥內(nèi)聲耦合不穩(wěn)定性的研究范圍,研究了一種會導(dǎo)致閥門震顫的1/4波的不穩(wěn)定性。張雷[53]通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),隨著噴入減溫減壓器的水蒸汽參數(shù)的升高,管壁的振動總有效值會越來越高。針對這一問題,目前國內(nèi)主要的解決方法為采用多級減壓結(jié)構(gòu)和增大閥門口徑,從閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上來減小振動,同時也能起到部分降噪的作用。

張明等人[36]25-26對各類典型結(jié)構(gòu)的蒸汽減壓閥進(jìn)行了試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)采用高減壓比的多級節(jié)流降壓結(jié)構(gòu)能提高蒸汽減壓閥減壓性能,且無明顯振動的發(fā)生。鳳建剛[54]圍繞某公司烯烴裝置內(nèi)高壓蒸汽減壓閥的振動問題,對閥芯、套筒和密封環(huán)等部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)改造,使得閥桿處的平均振幅由318 μm/s降至了122 μm/s。

在減溫機(jī)構(gòu)中,減溫水遇到高溫蒸汽后會迅速汽化形成兩相流,從而引起強(qiáng)烈振動和高噪聲[55],并影響整個管路系統(tǒng)。若噴出的減溫水與管壁面發(fā)生直接接觸,則會導(dǎo)致該處壁面出現(xiàn)熱疲勞損傷,繼而產(chǎn)生裂紋;同時,振動又會加快裂紋的擴(kuò)散,最終導(dǎo)致其失效。

由于減溫機(jī)構(gòu)內(nèi)的振動噪聲問題不如減壓機(jī)構(gòu)中的嚴(yán)重,并未引起研究人員太多的重視。

然而由于減溫機(jī)構(gòu)內(nèi)部流場的復(fù)雜性,對其進(jìn)行振動噪聲研究難度不比減壓機(jī)構(gòu)小,它已成為了目前減溫減壓裝置的一個主要技術(shù)難題。

3.5 減溫減壓閥設(shè)計(jì)計(jì)算與壽命估算

對減溫減壓閥進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和壽命估算是保證其正常運(yùn)行和實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的前提。

上海交通大學(xué)的王群慧等人[56]對汽機(jī)旁路系統(tǒng)中的減溫減壓閥閥體三維瞬態(tài)溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行了分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),由于高溫蒸汽與減溫水在閥體內(nèi)側(cè)的閥座處相遇,該處的溫度變化特別劇烈,流動壓差大,剪應(yīng)力也較大。鄭麗紅[57]以某電廠減溫減壓站的減溫減壓閥為例,提出了減溫減壓閥內(nèi)減溫水流量、多級減壓流通能力和減溫水噴管流通能力的設(shè)計(jì)計(jì)算方法,為其后續(xù)的研究提供了參考。

早期的減溫減壓閥的壽命評計(jì)主要依據(jù)的是減溫減壓閥中各個零件材料的低周疲勞特性,該方法雖然簡單方便,但并不準(zhǔn)確。上海交通大學(xué)的鐘世梁等人[58]以600 MW的發(fā)電機(jī)組汽機(jī)旁路系統(tǒng)為研究對象,通過計(jì)算后認(rèn)為,對該減溫減壓閥的使用壽命估算應(yīng)以考慮高溫蠕變破壞為主;并采用θ函數(shù)法對閥體的使用壽命進(jìn)行了估算,得到了閥體的最大應(yīng)力值,以及破壞出現(xiàn)的位置。

多年來,針對減溫減壓閥進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和壽命估算的方法研究和案例分析較少。雖然目前已有的方法能基本滿足工業(yè)需要,但如何進(jìn)一步提高減溫減壓閥的設(shè)計(jì)水平和其壽命估算精度,仍需要研究人員作更深入的研究。

3.6 減溫減壓閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

減溫減壓閥長期處于高溫高壓的工作環(huán)境,因此,其閥體和閥內(nèi)零部件極易發(fā)生蠕變與過熱氧化。此外,由于減溫水直接噴入閥內(nèi)與過熱蒸汽混合,接觸瞬間會對閥體產(chǎn)生巨大的沖擊,并引起閥體和閥內(nèi)零部件產(chǎn)生熱應(yīng)力和熱疲勞損傷,導(dǎo)致閥門壽命降低,嚴(yán)重時可能會危害整個管路系統(tǒng),造成巨大的損失。因此,如何對減溫減壓閥進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,從而在提高其性能參數(shù)的同時延長壽命是現(xiàn)階段研究的重點(diǎn)。

國內(nèi)的減溫減壓閥主要采用籠罩式雙閥座結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)存在的主要問題有:(1)蒸汽中帶有的雜質(zhì)容易附著在閥籠上,造成閥籠的堵塞;(2)難以保證密封。

針對閥籠堵塞問題,袁偉超[59]指出,在閥內(nèi)加裝濾網(wǎng)過濾雜質(zhì)是一個最佳的選擇。張文福等[60]設(shè)計(jì)了一種能及時有效地排出雜質(zhì),防止閥門失效卡死的高溫高壓減溫減壓閥。

而對于密封問題,李新全等人[61]發(fā)明了一種全密封減溫減壓閥,該閥門在關(guān)閉狀態(tài)下密封性能好,且減溫控制精度高。

針對套筒式結(jié)構(gòu)中套筒容易失效的問題,李廣軍等人[62]研制了一種噴水型減溫減壓閥,如圖9所示。

圖9 噴水型減溫減壓閥

該結(jié)構(gòu)形式將文丘里管應(yīng)用到了減溫減壓閥中,有效解決了套筒式結(jié)構(gòu)中套筒容易失效的問題[63，64]。

此外,與減壓閥類似,減溫減壓閥內(nèi)也存在著過熱蒸汽的高速湍流,會引發(fā)嚴(yán)重的振動與噪聲。并且,由于減溫減壓閥內(nèi)部采用了多級小孔以實(shí)現(xiàn)節(jié)流降壓,流道具有典型的縮頸特征,在高壓差下更加容易產(chǎn)生強(qiáng)振動和高噪聲問題[65]。

針對這一問題,雖然可以借鑒減壓閥的減振降噪技術(shù),在減溫減壓閥內(nèi)增設(shè)消音器,如套筒、孔板等結(jié)構(gòu),但由于閥內(nèi)還同時進(jìn)行著減溫過程,使其工況更為復(fù)雜,極大地增加了減壓閥的減振降噪難度。

相比于分體式裝置,一體式減溫減壓裝置除了在占地面積和成本上有優(yōu)勢之外,其減溫效果也要強(qiáng)于分體式中的減溫機(jī)構(gòu),這是由于減溫減壓閥閥瓣后部的蒸汽流速大,更有利于減溫水的汽化;而當(dāng)進(jìn)口蒸汽參數(shù)超過9.81 MPa,540 ℃時,減溫減壓閥的可靠性就會急劇下降,所以這也成了目前一體式減溫減壓裝置發(fā)展的主要瓶頸之一。

另外,材料問題也是目前亟須解決的問題。良好的材料可以延長減溫減壓裝置在高參數(shù)工況下的使用壽命。但一些高溫環(huán)境下使用的材料如鎳基合金,因?yàn)閮r格高,且缺少相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn),目前在國內(nèi)還很少使用。

4 結(jié)論與展望

多年來,我國減溫減壓裝置的研發(fā)生產(chǎn)水平有了顯著的進(jìn)步,并且也建立了一套比較完整的設(shè)備設(shè)計(jì)、研制和生產(chǎn)體系;無論是從高參數(shù)工況適應(yīng)能力、精度控制情況、降噪減振水平、自動化程度等方面來看,都達(dá)到了國際先進(jìn)水平。但隨著現(xiàn)代工業(yè)越來越向著高參數(shù)、大型化、精細(xì)化、智能化方向發(fā)展,對減溫減壓裝置使用的工況越來越嚴(yán)苛,對減溫減壓裝置的要求也越來越高。

為了促進(jìn)我國工業(yè)水平的發(fā)展,尤其是能源行業(yè)的發(fā)展,筆者提出了未來減溫減壓裝置的主要研究方向:

(1)復(fù)雜工況下減溫減壓裝置內(nèi)蒸汽超臨界流動特性分析,尤其是針對減溫機(jī)構(gòu)和減溫減壓閥內(nèi)的蒸汽流動特性分析;

(2)減溫減壓裝置密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),主要針對雙座式結(jié)構(gòu)的減壓閥和減溫減壓閥的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);

(3)復(fù)雜工況下減溫減壓裝置降噪減振技術(shù),包括減壓閥降噪減振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),以及減溫機(jī)構(gòu)振動噪聲機(jī)理的研究;

(4)減溫減壓裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),主要包括流量自適應(yīng)型文丘里減溫機(jī)構(gòu)、其他新型減溫機(jī)構(gòu)和減溫減壓閥的研發(fā)與應(yīng)用;

(5)高溫材料的研究與應(yīng)用,包括已有高溫材料的標(biāo)準(zhǔn)制定與完善,和其他新型高溫材料的研發(fā)與應(yīng)用。