抗沖蝕調(diào)節(jié)閥流量特性分析與測試

馬 駿，高怡秋

（1.海軍駐431廠軍事代表室，葫蘆島125004；2.中國船舶重工集團(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)，減小汽流帶來的沖擊，通常可采用多級降壓式的結(jié)構(gòu)，如多層套筒式、多級閥芯式等，以提高調(diào)節(jié)閥的抗沖蝕性能，延長設(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（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)采用小孔多級節(jié)流形式，共分為五級，各級小孔的直徑和數(shù)量均有不同，通流面積從第一級至最后一級逐漸增大。高壓蒸汽從閥體進(jìn)入鼠籠后，由內(nèi)圈向外圈逐級膨脹，最后流出調(diào)節(jié)閥；第一級鼠籠小孔布置于滑閥底部，當(dāng)調(diào)節(jié)閥開啟時，可使第一級與第二級鼠籠通流面積同時變化；為滿足汽輪機(jī)調(diào)節(jié)需求，第一級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為彭臺門系數(shù)。

（3）彭臺門系數(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的流量；p1、p1p為噴嘴前變工況以及額定工況時的壓力；p2、p2p為級后變工況以及額定工況時的壓力。

（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)，在相對開度＜0.33（即鼠籠結(jié)構(gòu)）進(jìn)行調(diào)節(jié)時斜率較??；在相對開度＝0.33時（套筒窗口開啟）曲線斜率隨即增大；當(dāng)相對開度＝1時，流量達(dá)到最大值。

圖2 調(diào)節(jié)閥流量特性曲線

2.2 間隙流動對流量特性的影響

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

圖3 間隙流動計(jì)算節(jié)點(diǎn)圖

當(dāng)調(diào)節(jié)閥處于小開度狀態(tài)時，蒸汽一方面經(jīng)第一級鼠籠小孔流過，另一方面通過滑閥與套筒間的間隙流過。在間隙流動計(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為第一級鼠籠小孔已開啟的通流面積，F(xiàn)h2為第二級鼠籠小孔已開啟的通流面積，F(xiàn)h3為第二級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)第一級鼠籠以及滑閥下間隙后的壓力，pb為第二級鼠籠后的壓力，pc為第一次流過滑閥上間隙后的壓力，pd為第二次流過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（x＜0.33）蒸汽流量有所增加；而開度較大時（x＞0.33），由于壓差相對較小，因此間隙泄漏量對整個流量的影響較小。

圖4 修正后的流量特性曲線

3 調(diào)節(jié)閥流量特性的測試

調(diào)節(jié)閥試驗(yàn)臺原理見圖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

在給定蒸汽參數(shù)以及負(fù)載后，對調(diào)節(jié)閥不同開度下的通流量進(jìn)行了測定。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)過程中，蒸汽參數(shù)以及負(fù)載有一定的波動區(qū)間，而在小開度時，由于機(jī)組負(fù)載較小，穩(wěn)定性相對較低，即使蒸汽參數(shù)或負(fù)載微小的波動也會對汽耗量產(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，微小的讀數(shù)誤差都會對流量特性曲線產(chǎn)生影響。

以上三個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，蒸汽流量較大時其影響減小。

4 結(jié)語

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)閥在小開度時的流量較設(shè)計(jì)值有一定的增加，當(dāng)開度增大時，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、讀數(shù)誤差等因素是造成小開度時試驗(yàn)值與計(jì)算值偏差的主要原因；在大開度時，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.