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      抗沖蝕調(diào)節(jié)閥流量特性分析與測(cè)試

      2013-12-20 06:19:22高怡秋
      發(fā)電設(shè)備 2013年2期
      關(guān)鍵詞:鼠籠滑閥調(diào)節(jié)閥

      馬 駿,高怡秋

      (1.海軍駐431廠軍事代表室,葫蘆島125004;2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第704研究所,上海200031)

      調(diào)節(jié)閥又稱為控制閥,是控制系統(tǒng)的重要組成部分[1]。根據(jù)控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號(hào)改變汽輪機(jī)蒸汽調(diào)節(jié)閥開度以及汽輪機(jī)的進(jìn)汽量,從而實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)功率的調(diào)整。為滿足汽輪機(jī)調(diào)節(jié)特性要求,閥門通流面積與開度之間應(yīng)保持一定的變化規(guī)律。

      汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥長(zhǎng)期處于高溫、高壓狀態(tài),工作條件十分惡劣,特別在低負(fù)荷工況下調(diào)節(jié)閥承受的壓差巨大,極易造成閥門零部件的沖蝕[2]。為改善調(diào)節(jié)閥工作狀態(tài),減小汽流帶來(lái)的沖擊,通??刹捎枚嗉?jí)降壓式的結(jié)構(gòu),如多層套筒式、多級(jí)閥芯式等,以提高調(diào)節(jié)閥的抗沖蝕性能,延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命[3]。

      1 抗沖蝕調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)與工作原理

      某汽輪機(jī)采用節(jié)流調(diào)節(jié)方式,蒸汽調(diào)節(jié)閥為套筒式結(jié)構(gòu),由于長(zhǎng)期處于低負(fù)荷工況運(yùn)行,滑閥沖蝕現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

      根據(jù)汽輪機(jī)使用要求,蒸汽調(diào)節(jié)閥應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn):

      (1)在高壓差、小流量工況時(shí)具有良好的抗沖蝕性能。

      (2)在大流量工況下具有較小的壓降,減小汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力損失。

      (3)調(diào)節(jié)閥流量特性曲線光滑連續(xù),滿足機(jī)組調(diào)節(jié)需求。

      為使蒸汽調(diào)節(jié)閥滿足上述功能要求,對(duì)其采用了分段設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)見圖1[4]。

      調(diào)節(jié)閥采用套筒式結(jié)構(gòu),蒸汽由閥體底部進(jìn)入,經(jīng)調(diào)節(jié)閥節(jié)流后由側(cè)面流出。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由鼠籠和套筒組成:鼠籠結(jié)構(gòu)用于閥門小開度時(shí)(30%流量以下)高壓差工況的調(diào)節(jié);套筒采用一定型線的窗口,用于大流量工況(30%流量以上)的調(diào)節(jié)。

      圖1 改進(jìn)的蒸汽調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)示意圖

      鼠籠結(jié)構(gòu)采用小孔多級(jí)節(jié)流形式,共分為五級(jí),各級(jí)小孔的直徑和數(shù)量均有不同,通流面積從第一級(jí)至最后一級(jí)逐漸增大。高壓蒸汽從閥體進(jìn)入鼠籠后,由內(nèi)圈向外圈逐級(jí)膨脹,最后流出調(diào)節(jié)閥;第一級(jí)鼠籠小孔布置于滑閥底部,當(dāng)調(diào)節(jié)閥開啟時(shí),可使第一級(jí)與第二級(jí)鼠籠通流面積同時(shí)變化;為滿足汽輪機(jī)調(diào)節(jié)需求,第一級(jí)鼠籠小孔分多排布置,數(shù)量由上至下逐漸增多,使調(diào)節(jié)閥通流面積與開度呈等百分比變化。

      2 調(diào)節(jié)閥流量特性計(jì)算

      2.1 調(diào)節(jié)閥流量特性的計(jì)算

      蒸汽調(diào)節(jié)閥流量特性計(jì)算參數(shù)主要包括:

      (1)不同開度下套筒及鼠籠結(jié)構(gòu)總通流面積:

      (2)調(diào)節(jié)閥流量公式:

      式中:p0為調(diào)節(jié)閥閥前壓力;υ0為調(diào)節(jié)閥閥前蒸汽質(zhì)量體積;Φ為閥門流量系數(shù);βυ為彭臺(tái)門系數(shù)。

      (3)彭臺(tái)門系數(shù)公式:

      式中:ε為調(diào)節(jié)閥前后蒸汽壓比;εc為蒸汽的臨界壓比。

      (4)弗留格爾公式:

      式中:Qc、Qcp為噴嘴變工況以及額定工況時(shí)的流量;p1、p1p為噴嘴前變工況以及額定工況時(shí)的壓力;p2、p2p為級(jí)后變工況以及額定工況時(shí)的壓力。

      (5)流量守恒公式:

      根據(jù)以上計(jì)算公式,則可求出調(diào)節(jié)閥流量特性,即不同開度下調(diào)節(jié)閥流量

      計(jì)算結(jié)果見圖2。由于采用了分段設(shè)計(jì),在相對(duì)開度<0.33(即鼠籠結(jié)構(gòu))進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)斜率較??;在相對(duì)開度=0.33時(shí)(套筒窗口開啟)曲線斜率隨即增大;當(dāng)相對(duì)開度=1時(shí),流量達(dá)到最大值。

      圖2 調(diào)節(jié)閥流量特性曲線

      2.2 間隙流動(dòng)對(duì)流量特性的影響

      上述計(jì)算未考慮滑閥與套筒間的間隙對(duì)流量的影響,為提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度,針對(duì)調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對(duì)其小開度時(shí)間隙泄漏情況作了進(jìn)一步的分析。圖3為間隙流動(dòng)計(jì)算節(jié)點(diǎn)圖。

      圖3 間隙流動(dòng)計(jì)算節(jié)點(diǎn)圖

      當(dāng)調(diào)節(jié)閥處于小開度狀態(tài)時(shí),蒸汽一方面經(jīng)第一級(jí)鼠籠小孔流過(guò),另一方面通過(guò)滑閥與套筒間的間隙流過(guò)。在間隙流動(dòng)計(jì)算節(jié)點(diǎn)圖中,F(xiàn)g1為滑閥下端與套筒的間隙,F(xiàn)g2為滑閥上端與套筒的間隙,F(xiàn)h1為第一級(jí)鼠籠小孔已開啟的通流面積,F(xiàn)h2為第二級(jí)鼠籠小孔已開啟的通流面積,F(xiàn)h3為第二級(jí)鼠籠小孔未開啟的通流面積,F(xiàn)s為套筒的通流面積;p0為閥前壓力,pa為經(jīng)第一級(jí)鼠籠以及滑閥下間隙后的壓力,pb為第二級(jí)鼠籠后的壓力,pc為第一次流過(guò)滑閥上間隙后的壓力,pd為第二次流過(guò)滑閥上間隙后的壓力,pe為閥后壓力;Q1~Q7分別為蒸汽流經(jīng)各處的流量。根據(jù)計(jì)算節(jié)點(diǎn)及流量守恒方程可知:

      在不同開度下,F(xiàn)h1、Fh2、Fh3隨之發(fā)生變化,可根據(jù)前兩級(jí)鼠籠小孔分布計(jì)算得出,F(xiàn)g1、Fg2可根據(jù)閥門結(jié)構(gòu)尺寸給出,根據(jù)閥前壓力p0以及閥后壓力pe(即噴嘴前壓力),可求得考慮間隙泄漏后的總流量Q。

      在考慮間隙泄漏后,修正的開度-流量特性曲線見圖4。與修正前的曲線相比,主要變化在于小開度時(shí)(x<0.33)蒸汽流量有所增加;而開度較大時(shí)(x>0.33),由于壓差相對(duì)較小,因此間隙泄漏量對(duì)整個(gè)流量的影響較小。

      圖4 修正后的流量特性曲線

      3 調(diào)節(jié)閥流量特性的測(cè)試

      調(diào)節(jié)閥試驗(yàn)臺(tái)原理見圖5,參試設(shè)備主要包括調(diào)節(jié)閥、汽輪機(jī)、負(fù)載等。通過(guò)調(diào)節(jié)閥開度的調(diào)整可改變汽輪機(jī)的進(jìn)汽量,負(fù)載的變化可使汽輪機(jī)實(shí)現(xiàn)不同功率的輸出。管路上設(shè)置有流量計(jì)、壓力表等,分別用于測(cè)取蒸汽流量、壓力、調(diào)節(jié)閥前后壓力以及汽輪機(jī)排汽壓力等。

      圖5 調(diào)節(jié)閥試驗(yàn)臺(tái)

      在給定蒸汽參數(shù)以及負(fù)載后,對(duì)調(diào)節(jié)閥不同開度下的通流量進(jìn)行了測(cè)定。圖6為根據(jù)計(jì)算值及兩次試驗(yàn)結(jié)果所得的開度-流量特性曲線。

      由圖6可以看出:試驗(yàn)值與計(jì)算值基本吻合,但在小開度狀態(tài)下,試驗(yàn)值略高于計(jì)算值,產(chǎn)生偏差的原因主要有:

      圖6 流量特性曲線對(duì)比

      (1)間隙的影響。在計(jì)算中,滑閥與套筒的間隙為給定值,與實(shí)際工作狀態(tài)存在一定的偏差;此外滑閥密封環(huán)處也會(huì)產(chǎn)生一些泄漏,導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥的泄漏量較計(jì)算值偏大。

      (2)蒸汽參數(shù)以及負(fù)載的影響。在試驗(yàn)過(guò)程中,蒸汽參數(shù)以及負(fù)載有一定的波動(dòng)區(qū)間,而在小開度時(shí),由于機(jī)組負(fù)載較小,穩(wěn)定性相對(duì)較低,即使蒸汽參數(shù)或負(fù)載微小的波動(dòng)也會(huì)對(duì)汽耗量產(chǎn)生較大影響。

      (3)讀數(shù)誤差。開度-流量特性曲線是根據(jù)調(diào)節(jié)閥不同開度下蒸汽通流量的測(cè)定所得到的。由于開度值是人工讀取的,因此難免存在一定的誤差,特別在小開度時(shí),微小的讀數(shù)誤差都會(huì)對(duì)流量特性曲線產(chǎn)生影響。

      以上三個(gè)方面是造成小開度下試驗(yàn)值與計(jì)算值產(chǎn)生偏差的主要原因。當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度增加,蒸汽流量較大時(shí)其影響減小。

      4 結(jié)語(yǔ)

      試驗(yàn)結(jié)果表明:

      (1)滑閥與套筒之間存在的間隙使調(diào)節(jié)閥在小開度時(shí)的流量較設(shè)計(jì)值有一定的增加,當(dāng)開度增大時(shí),間隙影響逐漸減小。

      (2)調(diào)節(jié)閥流量特性的計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好,說(shuō)明給出的計(jì)算方法是合理的,可滿足工程計(jì)算需求。

      (3)滑閥間隙、蒸汽參數(shù)以及負(fù)載的波動(dòng)、讀數(shù)誤差等因素是造成小開度時(shí)試驗(yàn)值與計(jì)算值偏差的主要原因;在大開度時(shí),以上因素影響較小。

      [1]張偉政,俞樹榮,張希恒,等 .調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬與試驗(yàn)分析[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào),2008,34(3):65-68.

      [2]王濤,黃萌娟 .控制調(diào)節(jié)閥沖蝕現(xiàn)象的原因分析和防治措施[J].熱電技術(shù),2006(4):41-42.

      [3]吳杰 .多級(jí)降壓高壓差調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)[J].閥門,2001(1):5-8.

      [4]高怡秋,周振東,奚駿 .節(jié)流式蒸汽調(diào)節(jié)閥的改進(jìn)與性能計(jì)算[J].汽輪機(jī)技術(shù),2012,54(4):261-263.

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