再熱器疏水閥流體性能的分析

于海波，國金蓮

（哈爾濱鍋爐廠容器工程公司，黑龍江 哈爾濱 150046）

0 概 述

我國的主要能源是煤炭，常規火電占總電力裝機容量的70%以上。根據國家產業政策，超超臨界機組已成為火電的主流機組，到2020年，將占火電機組總裝機容量的70%。

疏水閥作為火電機組的常用閥門，在超超臨界機組配套工程中的需求量很大。疏水閥工作在較惡劣的工況下，閥座等內部零件易被沖刷損壞，產生磨痕或深溝，嚴重時甚至會造成閥桿的斷裂，嚴重影響了閥門的正常使用，降低了閥門的使用壽命。

1 防沖刷和閃蒸的結構設計

閥門的工作介質是汽水混合物，出口端的壓力較低，介質會對閥門產生很大的沖刷與熱沖擊。同樣，在疏水閥內及其出口管道內會產生強烈的閃蒸。伴隨著管道的擴容，還有可能產生一定程度的氣蝕。在這種惡劣的工況下，如何防止沖刷、閃蒸對疏水閥內部件的破壞，是閥門設計過程中較大的技術難題。

閥體中流道與節流套，如圖1所示。為防止因沖刷和閃蒸對閥門關鍵部位的損壞，特別是對密封面的影響，可從幾個方面考慮防止沖刷與閃蒸的方法。

圖1 閥體部分與節流套部分

（1）采用雙密封副結構。在閥門小開度的情況下，采用犧牲副密封的方法，以確保主密封面不被沖刷。

（2）在閥門大開度情況下，合理分配介質的壓降。采用流阻較小的Y形截止閥結構，減小閥門本體內流阻，從而減小介質在閥門本體內的壓降，降低閥門本體內的閃蒸與沖刷。

在閥門的進出口處，加裝節流孔板裝置，使閥門流道內的壓降，分級分攤到各節流部件上，使閃蒸與沖刷遠離密封面，以確保密封面不會被損壞。

在飽和度低、壓差高的工況下，可采用多級節流，以防止氣蝕的產生。

節流孔板的設計需通過嚴謹的分析與計算，確保其流通能力滿足系統的需求，同時采用多級節流，控制每一級的壓降都在臨界壓力比以下。節流孔板的形狀，布孔位置、每級間距經計算后確定，可限制每級節流過程中氣蝕現象的產生。

當閥門受幾何尺寸或管道口徑限制時，不宜進行多級節流，可采用二級節流，并采用耐沖刷和氣蝕的材料，設計成方便更換的閥門內件結構，以確保閥門本體安全，降低檢修周期，延長閥冂的使用壽命。對于工作在嚴酷工況下的疏水閥，閥門內件的材料選擇尤為重要。

（3）采用以經驗設計為輔，以流體動力學的理論分析為基礎，用兩相流與相變分析為主的設計方法，確保閥門的結構設計能滿足系統設定目標。

2 流動特性分析

圖2為介質的速度流線圖、圖3為局部速度流線圖、圖4為壓力變化圖。從圖2～圖4可知：

（1）介質在閥體內的流道特性十分好，基本呈直線流動，沒有較大角度的流道變形，介質也沒有出現明顯的流速變化。

（2）介質在節流套內會有明顯的流速變化，其中的最大流速屬于正常流速：R＝23.71／2.21442＝10.707倍，這個流速變化會對節流套內小孔（圖3中的深色部位）產生很大的沖刷。但不會對閥門的性能產生影響。

（3）除了在閥體中腔以及出口支管下端會產生渦流外，在節流套內及節流后的壓力恢復區也會產生渦流。從圖2所示的流線上可知，節流套內的渦流強度明顯高于閥體內的渦流強度。

3 局部沖刷與閃蒸分析

從圖5可知，按分析所得的入口平均流速3.452 34，該閥門的沖刷速度比率（最大速度與平均速度比）為：，最大速度出現在第二級節流孔位置。但第一級與第三級的孔內流速與第二級孔內流速相當，所以，沖刷強度也相當。

圖5 局部速度流線圖

圖6為飽和蒸汽含量的等比例線，其中線密集的部位將反應出閃蒸的大小。從圖6可知，節流孔內的閃蒸最為強烈。

圖6 第二級節流孔位置蒸汽含量變化圖

從圖7可以得到第二級節流孔位置的蒸汽比例曲線，曲線梯度大小反映了閃蒸的大小。根據其斜率，每cm大約有（質量分量）的飽和水汽化，閃蒸強度很高。

圖7 蒸汽含量等比例線

圖8為節流套內的平均氣化比例。從最后一級擴容位置到出口處，蒸汽比例降低，由7.468%下降至7.346%。將相應產生較少量的氣蝕現象。

通過嚴格的仿真分析，該閥在大開度的情況下，所有閃蒸與沖刷均發生在節流裝置上，這樣就可保護閥體內關鍵部位不被沖刷。經仿真分析，在閥門全開的狀態下，閥門出口處將有約45%的飽和水轉化為蒸汽，但在閥體內僅有不到1%的閃蒸發生。

圖8 節流套內蒸汽比例圖

4 結 語

通過計算分析，疏水閥受介質沖刷和閃蒸的影響很嚴重，也是不可避免的，但可在結構設計時進行預防。因此，在設計疏水閥過程中，采用合理的結構形式，合適的部件材料，有效地分配壓差，就可有效減小沖刷和閃蒸現象的產生，改善疏水閥的使用性能和提高使用壽命。