李隨義，楊熙翀

（浙江永盛科技股份有限公司，杭州 311400）

0 引言

再熱系統(tǒng)高壓加熱器的功能是利用汽輪機高壓缸的抽氣加熱二回路的給水，并接收汽水分離再熱器疏水。通過提高回路給水的溫度，進一步提高機組熱力循環(huán)效率。當高壓加熱器出現(xiàn)高水位時，就要打開危急疏水調(diào)節(jié)閥快速排出疏水。高壓加熱器危急工況疏水調(diào)節(jié)閥作為再熱系統(tǒng)重要閥門之一，因此危急疏水閥的運行可靠性和性能，直接影響機組的運行安全性和經(jīng)濟性[1]。根據(jù)在役危急工況疏水調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)的一些問題，如高加危急疏水閥打不開、閥體沖蝕穿孔的這些問題，在設計過程中專門進行了優(yōu)化設計，使該閥門具有更好的可靠性和使用壽命，保證再熱系統(tǒng)的穩(wěn)定運行[4]。

1 危急疏水調(diào)節(jié)閥運行工況參數(shù)及要求

要求高壓加熱器危急疏水調(diào)節(jié)閥具有高參數(shù)和長設計使用壽命的特點，如：1）密封等級要求高，泄漏量要求ANSI/FCI Ⅴ級；2）介質(zhì)溫度高，溫度在210 ℃左右；3）壓差大，最大壓差達到2.5 MPa；3）閥門動作速度要求快，執(zhí)行器失效全行程時間≤3 s，如果閥門動作超過系統(tǒng)響應時間，可能導致系統(tǒng)報警。

依據(jù)表1的工藝參數(shù)，通過選型軟件計算得出6號、7號急疏水調(diào)節(jié)閥的選型參數(shù)如表2、表3所示。

表2 7號危急疏水調(diào)節(jié)閥的選型參數(shù)

綜合表1～表3的數(shù)據(jù)可以看出，7號危急疏水調(diào)節(jié)閥最大壓差達到了2.5 MPa，要求Ⅴ級密封，6號危急疏水調(diào)節(jié)閥最大壓差為1.7 MPa，泄漏量要求同為Ⅴ級，且危急疏水調(diào)節(jié)閥會出現(xiàn)閃蒸，高流速等惡劣工況，為了保證危急疏水調(diào)節(jié)閥能在這些惡劣工況下可靠、穩(wěn)定地運行，結合現(xiàn)役閥門的使用情況及此次參數(shù)的計算結果，對CAP1400機組常規(guī)島6號、7號高壓加熱器危急工況疏水調(diào)節(jié)閥結構進行了如下優(yōu)化設計。

表3 6號危急疏水調(diào)節(jié)閥的選型參數(shù)

1.1 先進預啟式籠式導向設計

預啟式籠式導向危急疏水調(diào)節(jié)閥的工作原理如圖1所示，當閥門在要求關閉時，閥桿在執(zhí)行機構的驅(qū)動下向下推動預啟閥芯關閉，由于預啟彈簧的反作用力，首先將使主閥芯和閥座密封面接觸，隨著執(zhí)行機構輸出力的增加，預啟彈簧被壓縮，預啟閥芯隨即關閉，此時介質(zhì)通過主閥芯平衡孔和閥籠間隙進入閥籠上腔體，使閥芯部件形成背壓，閥芯部件在執(zhí)行機構和背壓力的共同作用下，與閥座密封面嚴密貼合[3]。介質(zhì)壓力越高，閥門密封越嚴密，因此只需要較小的執(zhí)行機構輸出力就能實現(xiàn)閥門的嚴密、可靠的密封[7]。

圖1 預啟式籠式導向設計

當閥門打開時，執(zhí)行機構帶動閥桿向上移動，同時在預啟彈簧的張力作用下，預啟閥芯先打開，卸去背壓力，執(zhí)行機構只要克服閥芯組件的重力即可開啟閥門。

采用預啟閥芯來降低閥門啟閉時所受介質(zhì)不平衡力，使閥門能夠進行比較平穩(wěn)的開啟和關閉，預啟閥芯的流通能力要大于主閥芯與閥籠間隙的流通能力。預啟閥芯的行程應控制在閥門額定行程的8%以下[2]，否則將會影響閥門打不開或小流量范圍內(nèi)無法調(diào)節(jié)的問題。為控制預啟閥芯和主閥芯上下方向的振動趨勢，在主閥芯腔體內(nèi)設置一個高能蓄力彈簧，該彈簧具有良好的緩沖吸收振動的能力，能夠很好地保持主閥芯和輔助閥芯在調(diào)節(jié)狀態(tài)時的相對位置，保證調(diào)節(jié)性能的穩(wěn)定。

同時閥芯導向采用特瑞堡TurconRM12材料的耐高溫導向環(huán)，該材料具有耐高溫、線膨脹系數(shù)小、摩擦因數(shù)低等特點，配合特殊切口設計可以完全消除閥芯卡澀、振動等問題。通過導向環(huán)和硬化處理的閥籠導向內(nèi)壁相互配合，可以消除閥芯部件因高溫膨脹而加大的配合間隙，降低了閥芯部件的振動風險，提高了危急工況疏水調(diào)節(jié)閥在苛刻工況下運行的可靠性。

如圖2所示，通過高溫熱態(tài)性能試驗發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的危急疏水閥在高溫熱態(tài)性能試驗過程中動作順暢、無卡頓，死區(qū)、回差等技術指標大大低于設計大綱要求。

圖2 危急疏水調(diào)節(jié)閥高溫熱態(tài)性能試驗

1.2 均壓閥籠保護設計

從現(xiàn)役閥門的實際使用情況發(fā)現(xiàn)，由于管道雜質(zhì)隨介質(zhì)流入閥芯、閥籠之間的間隙，造成閥芯卡澀，更有甚者一些硬質(zhì)顆粒隨閥芯動作劃傷閥籠導向內(nèi)壁，導致導向失效并引起閥芯部件振動。通過優(yōu)化設計（如圖3），在閥籠外設置1個帶有細小出液孔的均壓閥籠，通過均壓閥籠過濾掉介質(zhì)中的雜質(zhì)和硬質(zhì)顆粒，防止雜質(zhì)、硬質(zhì)顆粒進入配合間隙造成閥芯卡澀和閥座密封面沖刷，同時均壓閥籠還會起到一定的穩(wěn)流作用，避免高壓介質(zhì)直接沖擊閥籠。

圖3 均壓閥籠保護設計

通過對試驗后的危急疏水調(diào)節(jié)閥解體，發(fā)現(xiàn)閥腔內(nèi)有大量焊渣、銹渣等硬質(zhì)顆粒等（如圖4），通過對比分析發(fā)現(xiàn)均壓閥籠將管道內(nèi)的大量雜質(zhì)過濾在了閥籠外，起到了過濾保護作用，達到了此次優(yōu)化設計的要求。

圖4 閥腔內(nèi)過濾出的硬質(zhì)顆粒

2 閥芯部件可靠性優(yōu)化設計

目前使用的同類產(chǎn)品大都采用了限位壓蓋、螺栓等機械連接方式將主閥芯和預啟閥芯連接為一個整體，由于高壓差工況下介質(zhì)的流態(tài)為典型的高速喘流，流體產(chǎn)生劇烈的壓力脈動和漩渦，誘發(fā)流體激振[5]，流體激振等原因會導致上述連接方式失效，造成主閥芯與輔助閥芯分離，閥門無動作。如圖5所示，優(yōu)化結構后的閥芯部件由主閥芯、預啟閥芯、高能蓄力彈簧及重載軸向擋圈幾個零件構成，閥芯部件零件數(shù)量少、質(zhì)量輕、連接可靠，重載彈簧擋圈卡在主閥芯凹槽內(nèi)，無需其他的機械方式固定，不會因為振動等原因造成螺紋松動、連接失效等致命故障的出現(xiàn)，并且彈簧擋圈選用高強度的鎳基合金材料，抗剪強度高，可承受交變載荷沖擊，大大增加了閥芯組件各零件之間連接的可靠性，并且擋圈安裝簡便，拆裝容易。優(yōu)化后的閥芯組件結構緊湊，體積和常規(guī)閥芯相同，可以完美互換，通用性強。當閥門動作時，預啟閥芯打開一個小開度時，彈簧的預緊力將主閥芯和預啟閥芯連接為一個可靠整體隨執(zhí)行機構的運動來改變流量孔的面積來調(diào)節(jié)流量的大小。

圖5 閥芯部件可靠性優(yōu)化設計

3 閥體免介質(zhì)直接沖蝕設計

從目前使用的情況發(fā)現(xiàn)，閥體經(jīng)常過早出現(xiàn)穿孔、滲漏等致命問題，無法滿足機組60 a壽命的使用要求。因為危急工況疏水調(diào)節(jié)閥是在正常疏水閥不能及時將疏水排出的情況下，高壓加熱器處于高水位時，閥門需要快速打開將疏水排出的一個使用工況[1]，由于高壓差，疏水通過閥座節(jié)流孔時流速急劇增加，同時靜壓力的驟然下降，部分介質(zhì)汽化形成氣體，出現(xiàn)一個氣液共存的閃蒸現(xiàn)象，隨著閥后壓力的逐步恢復，氣泡破裂而出現(xiàn)空化現(xiàn)象，由于氣泡的爆裂，所有的能量集中在破裂點上，產(chǎn)生極大的沖擊力會對閥體造成爆裂式的沖擊破壞[6]，造成材料晶粒的不斷剝離，閥體壁厚減薄，直至穿孔，同時產(chǎn)生振動、噪聲等危害，引起管道、支吊架、管件產(chǎn)生疲勞破壞，甚至破裂，直接影響整套機組的運行安全[1]。為此優(yōu)化了閥座結構（如圖6），采用了多孔降噪、底部完全封閉，且內(nèi)壁經(jīng)過特殊硬化處理的防介質(zhì)直接沖擊的閥座結構，優(yōu)化后的閥座相當于一個多孔阻尼裝置，介質(zhì)進入閥座后壓力有所提高，從而大大減少了閃蒸量，有效地降低了流速，介質(zhì)通過閥座側(cè)壁的降噪孔流出，避免高速流體直接沖擊閥體內(nèi)壁，完全避免了高速介質(zhì)對閥體的直接沖擊，能夠大大延長閥體壽命。

圖6 閥體免介質(zhì)直接沖擊設計

4 結語

預啟式籠式導向危急疏水調(diào)節(jié)閥，具有典型的耐高溫、密封等級高、開關響應時間短等特點，優(yōu)化的降噪防沖刷閥座能有效保護閥體受高速介質(zhì)的直接沖擊，很大程度上延長了閥門使用壽命，提高了機組的運行效率。通過熱態(tài)循環(huán)等相關試驗驗證了此次優(yōu)化設計的有效性，希望在后續(xù)大量的實際應用中進一步去檢驗相關的結構優(yōu)化能否解決危急疏水閥在苛刻工況下出現(xiàn)的相關問題。