超臨界機組PCV閥通流組件的改造可行性研究

蔣建偉

(廣東粵電靖海發電有限公司，廣東 揭陽 515223)

0 引言

動力控制泄放閥(PCV)是防止鍋爐蒸汽壓力超過規定值的保護裝置，在安全閥動作之前開啟，排出多余蒸汽，以避免安全閥頻發起跳而縮短使用壽命。PCV閥的排量一般設定為鍋爐總蒸發量的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。國內在超臨界及超超臨界機組PCV閥的技術和制造方面還是空白。雖然國外有多個廠商可以制造600 MW超超臨界機組PCV動力控制泄放閥，但多為球閥結構，沒有節流減壓作用，球體表面的涂層很容易在高壓差、高溫差工況下發生開裂和剝落，進而導致球體沖刷損壞嚴重，使得閥門無法密封嚴密，發生內漏，嚴重影響發電效率和機組安全運行。此外，進口球閥備件價格昂貴，采購周期較長，維護成本相當高。所以探索PCV閥通流組件改型，選擇合適的結構，在實現其快速開啟功能的同時，提高其抗沖刷性能值得深入研究。

1 設備現狀

廣東粵電靖海發電有限公司#1，#2 2×600 MW機組為東方鍋爐有限公司生產DG1950/25.4型鍋爐，直流、一次再熱、前后墻對沖、單爐膛、尾部雙煙道結構，采用擋板調節再熱氣溫，固態排渣，全鋼結構，平衡通風，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閥技術參數見表1。

表1 PCV閥技術參數

由于PCV動力控制泄放閥長期運行在高溫差、高壓差(進口為主蒸汽溫度，出口為大氣溫度；進口壓力為主汽壓力，出口為大氣壓力)情況下，進口閥的球面鍍層發生脫落，直接導致閥門發生泄漏。該閥門一旦損壞就無法進行簡單的修復，只有更換內件。進口閥門的內件價格非常的昂貴，而且交貨周期也比較長，嚴重危及鍋爐長周期安全運行。PCV動力控制泄放閥是電廠系統內非常關鍵的閥門，為電廠鍋爐的運行提供安全保障。雖然600 MW機組使用的PCV動力控制泄放閥為進口閥門，但是在電廠的實際使用效果不理想。閥門使用過程中經常產生內漏現象，不僅增加了機組能耗，而且也對機組安全運行造成了隱患。

600 MW及以上機組使用PCV電磁釋放閥，其特點是運行工作壓力高，閥門進口溫度高，但是出口溫度又接近室溫，所以其運行溫差大，加上蒸汽極高的流動速度，容易引起嘯叫、振動、內外漏流的現象。在這樣惡劣的運行環境下，對PCV閥提出了相當苛刻的要求。但結合國內開始逐步使用的迷宮式芯包結構，給PCV抗沖刷研究提供了新的研究方向。

2 應用原理及主要技術方案

為保證閥門在高壓、高溫及高流速下的使用壽命和可靠性，一方面閥門節流副采用高強度和耐磨性能好的材料，另一方面還需合理設計通流組件，提高通流組件的阻力系數，增加阻力系數的可調幅度，降低流速，逐級降壓，改善閥門的流量調節性能[1-4]。

2.1 迷宮式芯包的優點

采用迷宮式抗汽蝕耐沖刷式芯包的結構。通過該芯包的降壓平穩精確地調節閥門的線性及靈敏度，避免沖刷等現象對閥門造成破壞，降低閥門振動及介質流經閥門時發出的噪音。設計的迷宮式芯包如圖1所示。芯包由多片迷宮盤片組合而成。單個迷宮盤片的上下面各分布若干條由串聯型流道與并聯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為：迷宮流道入口設計為串聯結構，經過一定數量的轉彎級數后變為并聯結構，如圖3所示。串聯型流道的阻力較大，介質在較短的流道和時間內壓力迅速降低。然后再經過并聯流道，一方面使得流體壓力繼續均勻降低，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流降壓的前提下，使流經迷宮盤片上每個流道的流體在出口處的相互干擾減小，以避免因擾動太大而導致閥體的劇烈振動。

圖1 迷宮式芯包結構

圖2 單片迷宮式盤片結構

圖3 迷宮式盤片多級降壓原理示意

2.2 逐級降壓閥芯的應用

為保護閥座密封面沖刷采用獨有的降壓閥芯設計，閥芯前端設計有圓環槽組合，與閥座內孔組成了第一組密封，介質通過整個密封組時圓柱上開設的節流環降壓槽，如圖4所示，被逐級降壓，此時即使閥門沒有完全關閉嚴密，亦不會快速損壞閥座、閥芯。整個密封組使密封面處流動的介質有控制地通過閥門，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流作用，在高壓差的情況下能有效減輕水、汽對閥芯、閥座密封的沖刷和噪聲。

圖4 節流環降壓槽

2.3 閥門其他的設計優點介紹

閥體采用鍛鋼，避免了澆鑄件分子結構疏松、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，閥門設計有吸熱彈性圈裝置。閥芯關閉時為凡爾線密封，較大的壓強使材料產生彈性變形，完全可以達到閥門泄漏等級ANSIB16.104 VI標準。 閥門設置自密封結構[5]替代原先閥蓋法蘭密封結構，在高溫高壓工況下減少閥蓋螺栓的受力，安全系數得到提高。分裂環自密封結構在受到腔體壓強作用下密封性能更加嚴密。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，而且進口閥門的備品價格貴，周期長對維修造成極大的不便，而可換式閥座裝配形式為互換性設計，在維修時可快速更換閥座、閥芯，維修極其方便。更換下的閥座、閥芯可以進行修復，降低備品的訂購費用。

圖5 閥門結構示意

2.4 閥門控制系統的改造

控制方式保持原有方式不變。PCV閥有3路信號控制：1為變送器測得壓力高于定值時邏輯聯鎖觸發開門，低于定值時關門；2為集控室操作臺開關按鈕控制閥門的開關；3為接收就地變送器信號轉換成開關量，壓力達到壓力定值后進行開關門。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 閥門內流場模擬及應力應變模擬

本文以ANSYS12.0為數值計算平臺，采用穩態計算對流體流經迷宮盤片的節流降壓狀態，對設計的迷宮式調節閥內部流體流動特性進行模擬，得到閥內流場流動特性的可視化結果。通過研究介質在通流組件中的流動及流場中壓力、速度分布及其流量特性，為進一步的校核優化、深入分析奠定基礎，使PCV閥能更好地適應嚴苛工況要求，為實際應用提供理論依據[6-7]。

3.1 流場模擬

對于一般的閥門，當介質流過閥芯的收縮截面段時，速度增加壓力減小。壓差越大介質的流速就越快，過快的介質流速會很快侵蝕閥內件，造成破壞。迷宮式芯包的轉角彎道結構可以將流體逐級降壓，如圖6所示，流體流經迷宮盤片的過程中壓力下降平穩且介質流速始終控制在合理的范圍內。

圖6 流體降壓過程

本文以ANSYS12.0為數值計算平臺，采用穩態計算模擬出流體流經迷宮盤片的節流降壓狀態。如圖7所示數值模擬的結果驗證了迷宮盤片芯包控制介質流速的效果。

圖7 單盤片流場壓力云圖

3.1.1 單盤片壓力場分析

對于連續性流體，當流速過快時，壓力降和速度的增加量的平方成正比。介質在串聯部分壓降較大，流入并聯分路后，流道面積逐漸增加，流速降低，每一級的壓降量逐漸減少。故而，類似該案中迷宮流道設計時，為避免發生空化，需保證串聯流路內介質的最低壓力不低于該工況下介質的飽和蒸汽壓。

3.1.2 單盤片速度矢量分析

當介質流經每個節流槽時，在拐彎處產生渦流，使部分動能轉化為熱能而擴散，符合能量守恒定律；流速最大位置多集中于介質轉彎處；在流速最大的位置的對面拐彎處，產生了較大漩渦，并占據主流介質的流道，使流道面積減少。因此，雖然本例中串聯流路的最小截面積是按大于2倍分流流路最小截面積設計，但由于渦流“占道”影響，串聯流路部分流速仍較大。當介質在迷宮槽內發生分流后，流速降低，渦流減少。所以將迷宮槽設計成并聯流路是較合理的選擇。

3.1.3 有限元模型分析

在閥門全開的狀態下，對閥門內流體進行模擬可以更直觀地分析流體的流動情況。迷宮式閥門的迷宮片芯包結構復雜，因此在模擬閥門內流場的過程中將芯包結構設置成多孔介質。整個流場的網格如圖8所示，對實體模型進行網格劃分，節點數為565 624，單元數為2 184 709。設入口速度vin=0.56 m/s，出口壓力為0， 選擇k-ε標準湍流模型。迭代260次得到收斂解。經過計算得到如圖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

介質在經過節流副結構前后，速度穩定上升，壓力逐級降低。從水平剖面看，在經過迷宮盤時，速度和壓力的變化發生在每一個迷宮流道，串聯和并聯流道共同作用，將速度和壓降的變化始終控制在合理范圍內，避免汽蝕的形成。

3.2 應力應變分析

PCV閥運行時需要快速打開，閥體、閥桿經常要承受很大的沖擊，因此閥桿、閥體的應力應變分析顯得尤為重要。對閥桿和閥體施加相應的約束和載荷，計算得到如圖10所示的應力云圖，應力設計等滿足實際需求。

圖10 閥體的應力云圖

4 結論

(1)電廠的應用實例表明，采用迷宮式芯包結構對內部通流組件的改造，使疏水壓力逐級降低，減少對閥芯、閥座的沖刷，并降低閥門在疏水時的噪音、改造是可行的，可作為PCV閥抗沖刷研究方向的實例支撐。

(2)采用可拆式閥座結構，當閥座在泄漏的情況下，可在短時間內進行更換，減少維護費用和時間。

(3)借用ANSYS12.0計算模擬軟件平臺，進行迷宮式多級降壓閥內部流場可視化研究，為閥門流量系數及特性設計提供理論基礎，提高了閥門可靠性。

改型后的閥門經國家泵閥產品質量監督檢驗中心檢驗合格，設計符合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規則》的安全性能要求。經電廠連續三年使用，設備運行安全可靠，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。

參考文獻：

[1]金多文.迷宮式調節閥及其在電廠中的應用[J].華電技術，2001，23(1):9-13.

[2]鄭建農,孫葉柱.進口電站閥門選型分析[J].熱力發電,2007,36(2):83-84.

[3]馬駿,高怡秋.抗沖蝕調節閥流量特性分析與測試[J].發電設備,2013,27(2):91-93.

[4]陸培文.實用閥門設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2012.

[5]蔣旭平,王海民,鐘方勝,等.迷宮式最小流量調節閥的流動特性研究[J].流體機械,2009,37(5):9-12.

[6]宋忠榮,陶國慶,劉建峰,等.最小流量調節閥內部流場及流量特性模擬研究[J].流體機械,2014(5):31-34.

[7]徐宏海,楊麗,詹寧.基于Fluent的調節閥內部流場數值模擬[J].機械設計與制造,2009(8):214-216.