超臨界機(jī)組PCV閥通流組件的改造可行性研究

蔣建偉

(廣東粵電靖海發(fā)電有限公司，廣東 揭陽 515223)

0 引言

動(dòng)力控制泄放閥(PCV)是防止鍋爐蒸汽壓力超過規(guī)定值的保護(hù)裝置，在安全閥動(dòng)作之前開啟，排出多余蒸汽，以避免安全閥頻發(fā)起跳而縮短使用壽命。PCV閥的排量一般設(shè)定為鍋爐總蒸發(fā)量的10%。由于該閥門安裝在高溫過熱器出口管道上，工作壓力和工作壓差高，溫差大，工況非常惡劣。國內(nèi)在超臨界及超超臨界機(jī)組PCV閥的技術(shù)和制造方面還是空白。雖然國外有多個(gè)廠商可以制造600 MW超超臨界機(jī)組PCV動(dòng)力控制泄放閥，但多為球閥結(jié)構(gòu)，沒有節(jié)流減壓作用，球體表面的涂層很容易在高壓差、高溫差工況下發(fā)生開裂和剝落，進(jìn)而導(dǎo)致球體沖刷損壞嚴(yán)重，使得閥門無法密封嚴(yán)密，發(fā)生內(nèi)漏，嚴(yán)重影響發(fā)電效率和機(jī)組安全運(yùn)行。此外，進(jìn)口球閥備件價(jià)格昂貴，采購周期較長，維護(hù)成本相當(dāng)高。所以探索PCV閥通流組件改型，選擇合適的結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)其快速開啟功能的同時(shí)，提高其抗沖刷性能值得深入研究。

1 設(shè)備現(xiàn)狀

廣東粵電靖海發(fā)電有限公司#1，#2 2×600 MW機(jī)組為東方鍋爐有限公司生產(chǎn)DG1950/25.4型鍋爐，直流、一次再熱、前后墻對(duì)沖、單爐膛、尾部雙煙道結(jié)構(gòu)，采用擋板調(diào)節(jié)再熱氣溫，固態(tài)排渣，全鋼結(jié)構(gòu)，平衡通風(fēng)，露天布置。鍋爐最大出力工況下，主汽流量為1 950 t/h，主汽壓力為25.4 MPa，主汽溫度為571 ℃，PCV閥技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 PCV閥技術(shù)參數(shù)

由于PCV動(dòng)力控制泄放閥長期運(yùn)行在高溫差、高壓差(進(jìn)口為主蒸汽溫度，出口為大氣溫度；進(jìn)口壓力為主汽壓力，出口為大氣壓力)情況下，進(jìn)口閥的球面鍍層發(fā)生脫落，直接導(dǎo)致閥門發(fā)生泄漏。該閥門一旦損壞就無法進(jìn)行簡單的修復(fù)，只有更換內(nèi)件。進(jìn)口閥門的內(nèi)件價(jià)格非常的昂貴，而且交貨周期也比較長，嚴(yán)重危及鍋爐長周期安全運(yùn)行。PCV動(dòng)力控制泄放閥是電廠系統(tǒng)內(nèi)非常關(guān)鍵的閥門，為電廠鍋爐的運(yùn)行提供安全保障。雖然600 MW機(jī)組使用的PCV動(dòng)力控制泄放閥為進(jìn)口閥門，但是在電廠的實(shí)際使用效果不理想。閥門使用過程中經(jīng)常產(chǎn)生內(nèi)漏現(xiàn)象，不僅增加了機(jī)組能耗，而且也對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行造成了隱患。

600 MW及以上機(jī)組使用PCV電磁釋放閥，其特點(diǎn)是運(yùn)行工作壓力高，閥門進(jìn)口溫度高，但是出口溫度又接近室溫，所以其運(yùn)行溫差大，加上蒸汽極高的流動(dòng)速度，容易引起嘯叫、振動(dòng)、內(nèi)外漏流的現(xiàn)象。在這樣惡劣的運(yùn)行環(huán)境下，對(duì)PCV閥提出了相當(dāng)苛刻的要求。但結(jié)合國內(nèi)開始逐步使用的迷宮式芯包結(jié)構(gòu)，給PCV抗沖刷研究提供了新的研究方向。

2 應(yīng)用原理及主要技術(shù)方案

為保證閥門在高壓、高溫及高流速下的使用壽命和可靠性，一方面閥門節(jié)流副采用高強(qiáng)度和耐磨性能好的材料，另一方面還需合理設(shè)計(jì)通流組件，提高通流組件的阻力系數(shù)，增加阻力系數(shù)的可調(diào)幅度，降低流速，逐級(jí)降壓，改善閥門的流量調(diào)節(jié)性能[1-4]。

2.1 迷宮式芯包的優(yōu)點(diǎn)

采用迷宮式抗汽蝕耐沖刷式芯包的結(jié)構(gòu)。通過該芯包的降壓平穩(wěn)精確地調(diào)節(jié)閥門的線性及靈敏度，避免沖刷等現(xiàn)象對(duì)閥門造成破壞，降低閥門振動(dòng)及介質(zhì)流經(jīng)閥門時(shí)發(fā)出的噪音。設(shè)計(jì)的迷宮式芯包如圖1所示。芯包由多片迷宮盤片組合而成。單個(gè)迷宮盤片的上下面各分布若干條由串聯(lián)型流道與并聯(lián)型流道組合而成的迷宮式流道，如圖2所示。迷宮式芯包組件的特點(diǎn)為：迷宮流道入口設(shè)計(jì)為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，經(jīng)過一定數(shù)量的轉(zhuǎn)彎級(jí)數(shù)后變?yōu)椴⒙?lián)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。串聯(lián)型流道的阻力較大，介質(zhì)在較短的流道和時(shí)間內(nèi)壓力迅速降低。然后再經(jīng)過并聯(lián)流道，一方面使得流體壓力繼續(xù)均勻降低，降壓速度減慢；另一方面，通過流量的均布，使流體的出口速度降低，這樣就可以在保證節(jié)流降壓的前提下，使流經(jīng)迷宮盤片上每個(gè)流道的流體在出口處的相互干擾減小，以避免因擾動(dòng)太大而導(dǎo)致閥體的劇烈振動(dòng)。

圖1 迷宮式芯包結(jié)構(gòu)

圖2 單片迷宮式盤片結(jié)構(gòu)

圖3 迷宮式盤片多級(jí)降壓原理示意

2.2 逐級(jí)降壓閥芯的應(yīng)用

為保護(hù)閥座密封面沖刷采用獨(dú)有的降壓閥芯設(shè)計(jì)，閥芯前端設(shè)計(jì)有圓環(huán)槽組合，與閥座內(nèi)孔組成了第一組密封，介質(zhì)通過整個(gè)密封組時(shí)圓柱上開設(shè)的節(jié)流環(huán)降壓槽，如圖4所示，被逐級(jí)降壓，此時(shí)即使閥門沒有完全關(guān)閉嚴(yán)密，亦不會(huì)快速損壞閥座、閥芯。整個(gè)密封組使密封面處流動(dòng)的介質(zhì)有控制地通過閥門，從而降低了沖刷和汽蝕造成的損壞。閥門在開、閉階段既有截止作用又有減壓節(jié)流作用，在高壓差的情況下能有效減輕水、汽對(duì)閥芯、閥座密封的沖刷和噪聲。

圖4 節(jié)流環(huán)降壓槽

2.3 閥門其他的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)介紹

閥體采用鍛鋼，避免了澆鑄件分子結(jié)構(gòu)疏松、砂孔、氣泡、裂紋造成閥體泄漏的事故，延長了閥門的使用壽命。為防止閥桿受熱后的熱漲彎曲，閥門設(shè)計(jì)有吸熱彈性圈裝置。閥芯關(guān)閉時(shí)為凡爾線密封，較大的壓強(qiáng)使材料產(chǎn)生彈性變形，完全可以達(dá)到閥門泄漏等級(jí)ANSIB16.104 VI標(biāo)準(zhǔn)。 閥門設(shè)置自密封結(jié)構(gòu)[5]替代原先閥蓋法蘭密封結(jié)構(gòu)，在高溫高壓工況下減少閥蓋螺栓的受力，安全系數(shù)得到提高。分裂環(huán)自密封結(jié)構(gòu)在受到腔體壓強(qiáng)作用下密封性能更加嚴(yán)密。閥門采用可換式閥座，如圖5所示。一般閥門的閥座都是焊死在閥體上，而且進(jìn)口閥門的備品價(jià)格貴，周期長對(duì)維修造成極大的不便，而可換式閥座裝配形式為互換性設(shè)計(jì)，在維修時(shí)可快速更換閥座、閥芯，維修極其方便。更換下的閥座、閥芯可以進(jìn)行修復(fù)，降低備品的訂購費(fèi)用。

圖5 閥門結(jié)構(gòu)示意

2.4 閥門控制系統(tǒng)的改造

控制方式保持原有方式不變。PCV閥有3路信號(hào)控制：1為變送器測得壓力高于定值時(shí)邏輯聯(lián)鎖觸發(fā)開門，低于定值時(shí)關(guān)門；2為集控室操作臺(tái)開關(guān)按鈕控制閥門的開關(guān)；3為接收就地變送器信號(hào)轉(zhuǎn)換成開關(guān)量，壓力達(dá)到壓力定值后進(jìn)行開關(guān)門。改型后的PCV閥采用斷電、斷氣保持原位的控制方式，閥門自帶失氣保位閥。氣缸采用活塞式氣缸，具備快開功能。

3 閥門內(nèi)流場模擬及應(yīng)力應(yīng)變模擬

本文以ANSYS12.0為數(shù)值計(jì)算平臺(tái)，采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算對(duì)流體流經(jīng)迷宮盤片的節(jié)流降壓狀態(tài)，對(duì)設(shè)計(jì)的迷宮式調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流體流動(dòng)特性進(jìn)行模擬，得到閥內(nèi)流場流動(dòng)特性的可視化結(jié)果。通過研究介質(zhì)在通流組件中的流動(dòng)及流場中壓力、速度分布及其流量特性，為進(jìn)一步的校核優(yōu)化、深入分析奠定基礎(chǔ)，使PCV閥能更好地適應(yīng)嚴(yán)苛工況要求，為實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)[6-7]。

3.1 流場模擬

對(duì)于一般的閥門，當(dāng)介質(zhì)流過閥芯的收縮截面段時(shí)，速度增加壓力減小。壓差越大介質(zhì)的流速就越快，過快的介質(zhì)流速會(huì)很快侵蝕閥內(nèi)件，造成破壞。迷宮式芯包的轉(zhuǎn)角彎道結(jié)構(gòu)可以將流體逐級(jí)降壓，如圖6所示，流體流經(jīng)迷宮盤片的過程中壓力下降平穩(wěn)且介質(zhì)流速始終控制在合理的范圍內(nèi)。

圖6 流體降壓過程

本文以ANSYS12.0為數(shù)值計(jì)算平臺(tái)，采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算模擬出流體流經(jīng)迷宮盤片的節(jié)流降壓狀態(tài)。如圖7所示數(shù)值模擬的結(jié)果驗(yàn)證了迷宮盤片芯包控制介質(zhì)流速的效果。

圖7 單盤片流場壓力云圖

3.1.1 單盤片壓力場分析

對(duì)于連續(xù)性流體，當(dāng)流速過快時(shí)，壓力降和速度的增加量的平方成正比。介質(zhì)在串聯(lián)部分壓降較大，流入并聯(lián)分路后，流道面積逐漸增加，流速降低，每一級(jí)的壓降量逐漸減少。故而，類似該案中迷宮流道設(shè)計(jì)時(shí)，為避免發(fā)生空化，需保證串聯(lián)流路內(nèi)介質(zhì)的最低壓力不低于該工況下介質(zhì)的飽和蒸汽壓。

3.1.2 單盤片速度矢量分析

當(dāng)介質(zhì)流經(jīng)每個(gè)節(jié)流槽時(shí)，在拐彎處產(chǎn)生渦流，使部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能而擴(kuò)散，符合能量守恒定律；流速最大位置多集中于介質(zhì)轉(zhuǎn)彎處；在流速最大的位置的對(duì)面拐彎處，產(chǎn)生了較大漩渦，并占據(jù)主流介質(zhì)的流道，使流道面積減少。因此，雖然本例中串聯(lián)流路的最小截面積是按大于2倍分流流路最小截面積設(shè)計(jì)，但由于渦流“占道”影響，串聯(lián)流路部分流速仍較大。當(dāng)介質(zhì)在迷宮槽內(nèi)發(fā)生分流后，流速降低，渦流減少。所以將迷宮槽設(shè)計(jì)成并聯(lián)流路是較合理的選擇。

3.1.3 有限元模型分析

在閥門全開的狀態(tài)下，對(duì)閥門內(nèi)流體進(jìn)行模擬可以更直觀地分析流體的流動(dòng)情況。迷宮式閥門的迷宮片芯包結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此在模擬閥門內(nèi)流場的過程中將芯包結(jié)構(gòu)設(shè)置成多孔介質(zhì)。整個(gè)流場的網(wǎng)格如圖8所示，對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，節(jié)點(diǎn)數(shù)為565 624，單元數(shù)為2 184 709。設(shè)入口速度vin=0.56 m/s，出口壓力為0， 選擇k-ε標(biāo)準(zhǔn)湍流模型。迭代260次得到收斂解。經(jīng)過計(jì)算得到如圖9所示的流場壓力云圖。

圖8 全開位的流道有限元模型

圖9 流場壓力云圖

介質(zhì)在經(jīng)過節(jié)流副結(jié)構(gòu)前后，速度穩(wěn)定上升，壓力逐級(jí)降低。從水平剖面看，在經(jīng)過迷宮盤時(shí)，速度和壓力的變化發(fā)生在每一個(gè)迷宮流道，串聯(lián)和并聯(lián)流道共同作用，將速度和壓降的變化始終控制在合理范圍內(nèi)，避免汽蝕的形成。

3.2 應(yīng)力應(yīng)變分析

PCV閥運(yùn)行時(shí)需要快速打開，閥體、閥桿經(jīng)常要承受很大的沖擊，因此閥桿、閥體的應(yīng)力應(yīng)變分析顯得尤為重要。對(duì)閥桿和閥體施加相應(yīng)的約束和載荷，計(jì)算得到如圖10所示的應(yīng)力云圖，應(yīng)力設(shè)計(jì)等滿足實(shí)際需求。

圖10 閥體的應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

(1)電廠的應(yīng)用實(shí)例表明，采用迷宮式芯包結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)部通流組件的改造，使疏水壓力逐級(jí)降低，減少對(duì)閥芯、閥座的沖刷，并降低閥門在疏水時(shí)的噪音、改造是可行的，可作為PCV閥抗沖刷研究方向的實(shí)例支撐。

(2)采用可拆式閥座結(jié)構(gòu)，當(dāng)閥座在泄漏的情況下，可在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行更換，減少維護(hù)費(fèi)用和時(shí)間。

(3)借用ANSYS12.0計(jì)算模擬軟件平臺(tái)，進(jìn)行迷宮式多級(jí)降壓閥內(nèi)部流場可視化研究，為閥門流量系數(shù)及特性設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)，提高了閥門可靠性。

改型后的閥門經(jīng)國家泵閥產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢驗(yàn)合格，設(shè)計(jì)符合JB/T 3595—2002《電站閥門 一般要求》和TSGD 7002—2006《壓力管道元件型式試驗(yàn)規(guī)則》的安全性能要求。經(jīng)電廠連續(xù)三年使用，設(shè)備運(yùn)行安全可靠，給廣大閥門研究人員及電力同行提供了一條新的解決思路。

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