超超臨界660 MW機組給水泵再循環閥的優化改造

陳友順

(浙江浙能樂清發電有限責任公司，浙江 溫州 325609)

0 引言

良好的給水溫度及穩定性是保障燃煤機組熱效率的關鍵因素[1]，而給水泵再循環閥又稱最小流量閥是鍋爐給水泵系統的最關鍵閥門[2]。由于此閥門承受高溫、高壓差，運行環境極為惡劣，其前后壓差為火電廠最大差壓，致使該閥極易汽蝕、侵蝕及沖刷，閥門內漏故障頻發，嚴重影響機組安全經濟運行[3-6]。我國現有超超臨界機組給水泵再循環閥基本上采購進口設備，投資費用及后續維修費用較高，盡管如此，再循環閥的閥門故障依然頻發，整體使用壽命不高[7-9]。實際再循環閥門故障的處理及改造經驗具有重要的參考價值。

某電廠660 MW超超臨界機組原配用的再循環閥為進口的美國Copes-Vulcan 閥(簡稱CV閥)，自投運以來，一直存在著頻繁內漏的問題，甚至在更換新閥內件后不到半年，再次出現內漏情況，嚴重影響著機組的安全運行。本文分析了某廠進口再循環閥故障原因，提出一種采用鑲嵌式節流迷宮式結構的國產化改造方案，并介紹了國產化改造技術特點，使用結果表明，經改造后的再循環閥在機組整個檢修周期內均無內漏情況發生，改造效果顯著。

1 再循環閥的工作原理及內漏故障分析

1.1 給水泵再循環閥的工作原理簡介

燃煤機組給水泵的作用是將除氧器中的水送往鍋爐，其中給水泵再循環調節閥如圖1所示，安裝在給水泵出口管道的支管上，接入除氧器，在機組啟動或低負荷運行中，確保給水泵具有維持安全運轉的水流量[10]。當鍋爐給水需要量很小或不需要流量時，為防止其產生過熱和汽蝕，就會打開再循環閥，使一部分高壓給水再回流到除氧器，來保證給水泵的安全運行。所以，在任何情況下都要求給水泵必須有一個最基本的流量，即給水泵的最小流量[11]。當鍋爐給水流量達到一定值時，再循環閥將會逐漸關閉，以提高給水泵運行的經濟性。

圖1 再循環調節閥流程圖

1.2 實際案例分析

為直觀的了解對再循環閥的影響，現結合某電廠解列裝置進行檢查。如圖2所示為機組運行一段時間后，CV閥內件的沖蝕情況。該閥長期處于漏流狀態，密封面在短期內就會被高速流體沖壞，以致無法關嚴，隨著漏流越來越多，給水泵出口的高壓流體又重新回到除氧器，嚴重影響機組發電效率。

圖2 原CV閥內件沖蝕圖片

經過對閥門的解體研究，針對材質在密封設計上的特點，并結合電廠實際運行工況，分析原因可能是給水系統水質不佳和沖管質量管控不嚴有關，水中雜質顆粒鑲嵌，導致了閥芯與閥套出現劃傷和壓痕。

機組常態運行下，水質的處理技術要求及系統的安裝檢修工藝，難以保證給水品質，水中存在的懸浮顆粒，對軟密封帶來損害。同時，對管道內部的清潔標準要求不夠，也是造成管道內留有較多雜質的因素之一。然而，機組的安裝和檢修過程，檢驗程序和施工工藝相對簡單，無法做到無雜物及顆粒。所以，在現有條件下，對再循環閥進行相應改造是解決此問題的可選方向。

1.3 再循環閥內漏故障及其原因分析

內漏是給水泵再循環閥最常見故障，引起內漏的原因一般包括沖刷和汽蝕兩種。

(1)再循環閥的沖刷分析

由于介質速度跟壓差有密切關系，流體速度在閥門內的最小斷面的下游少許最高，這種高流速現象會引起汽蝕腐蝕和磨損出現，閥門很快就會被沖毀，產生內漏。

在超超臨界機組中給水泵再循環閥的調節參數，如表1所示，要將給水壓力由38 MPa以上直接降為除氧器的壓力，閥前后壓差較高，即使閥門在小開度時，流速也非常高。所以，如果結構上無有效的節流措施，閥門的密封面就在短期內遭到嚴重沖刷，以致損壞。

表1 某超超臨界機組在循環閥最小流量參數

超(超)臨界機組采用直流鍋爐，要求再循環閥可調節給水流量，而不是開-關兩位式調節閥。同時，對給水泵再循環閥的嚴密性要求更高，容許內漏量很小；否則，不僅將對閥門本身造成沖刷，還會導致機組的效率降低。所以，大型機組給水泵再循環閥是火電廠最高端的流體控制組元，對其設計、加工和選材等，提出了很高的要求。

(2)再循環閥的汽蝕分析

由伯努利方程可知，流體在通過給水泵最小流量閥的密封面處時，通流面積減小，而流速增加，其靜壓力將急劇下降到流體的飽和壓力之下，從而產生嚴重汽蝕現象，在此過程中,沖擊波的壓力可高達2 000 MPa以上,遠超金屬材料的疲勞破壞極限，以至于給密封面帶來致命的破壞。

2 對再循環閥的優化改造方法

機組現采用的進口閥價格高昂，且存在嚴重的沖刷及汽蝕問題，閥門內漏頻繁，經多次檢修無法徹底解決問題。為此，針對再循環閥的結構特點，并結合電廠的實際情況，對原CV再循環閥進行了國產化改造。

為解決閥門高壓差問題，在再循環閥的閥芯上加節流槽、內鑲節流小件的迷宮式籠套閥套、提高閥內件的硬度、使用先導迷宮式結構等措施。在閥門構造上的具體改進方法如下：

(1)閥芯上加節流槽，可降低介質流速，減少沖刷，其結構見圖3。介質在經過間隙流時，由于軸與套的間隙極小，增加節流槽會使介質從間隙處流入節流槽時空間突然增大，介質會在節流槽中形成渦流，減緩流通速度。因此每增加一道節流槽，就會減小介質的滲漏，增大對密封面的保護。

(2)高進低出先導式整閥結構，上閥蓋處加金屬自密封，杜絕外漏，見圖4。

圖3 國產閥節流槽

圖4 國產閥先導迷宮式密封

(3)閥芯外徑處配密封環，對密封面起到輔助作用，減少了閥門開啟與關閉時發生異常振動；

(4)閥座下方加彈簧密封圈，配合石墨纏繞墊密封，防止介質沖刷閥體，造成內漏；

(5)閥套為迷宮式籠套，內鑲節流小件，節流小件通過不斷改變流向，降低流速，并將節流小件的位置布置為等百分比調節型，可保證全行程調節?，F有的常規疊片式迷宮閥籠，所采用的節流型式均為轉折節流，而改造后采用鑲嵌式節流小件，節流型式為轉折對沖式節流，節流能力是國內外同類型產品的3倍以上，并實現了迷宮式閥門保證關斷型的同時也具備了調節性；

(6)閥內件硬度達到HRC70度，耐沖刷能力強，壽命更長。閥內件選用硬度極高的440B(9Cr18MoV)，采用高級熱處理工藝，使閥內件的硬度達到HRC70度左右，遠遠高于同類產品HRC45左右，硬度的保證，極大提高了閥門的耐沖刷能力。

3 實際改造及效果分析

3.1 內鑲節流小件的設計

改造后的迷宮式結構見圖5,由迷宮式閥芯、籠套閥套和節流小件組成，和此前相比，更為先進合理。流體每通過一個節流小件時，經過九道迷宮，流體方向不斷改變，通過10級以上節流降壓后，能量大量消耗，保證了在密封面處的速度不會很高，減弱了流體對密封面的沖刷的同時，又防止了閃蒸空化破壞。

圖5 改造后內鑲節流小件的迷宮式籠套閥套

流體介質在節流小件內多次90°折轉,每次折轉相互對沖，能量不斷消耗；折轉流向的同時,介質在通過節流小件時，分路流入的流體同時發生正面對沖，能量相互消耗，如圖6所示。迷宮閥套布置成整體對沖結構，使得流體介質在閥套進行空間對沖，能量相互消耗?？筛鶕嶋H情況,設置不同的節流折轉級數，如圖7所示。

圖6 節流小件內對沖

圖7 迷宮閥套整體對沖

3.2 關斷嚴密方面的技術要點

在解決關斷嚴密性的問題上，采用了以下方法：閥內組件的熱處理工藝，確保了高硬度(HRC70左

右)的同時，又具有極好的韌性；錐型硬密封，確保關斷比壓，實現泄漏標準；合理的間隙控制，實現過封組合密封；迷宮型節流，避免閥內空化作用的發生。

在調節靈活性的設計上，改造后的調節閥采用以下方法：閥芯不受閥門前后高壓差的影響，消除了不平衡力，閥門的開啟和關閉，只取決于填料摩擦系數；閥桿直徑設計很小，減小了填料摩擦力；采用柔性石墨加鎳絲填料，可顯著減小摩擦。

3.3 國產化改造效果

從2015年開始，某廠連續投用過4臺，整個投用過程中有一臺閥芯下端出現過卡澀，經過計算、分析，是由于安裝時同軸度問題所致，其余閥門運行均處于正常狀態，在機組檢修周期內均無內漏情況發生。

4 結論及展望

針對進口的再循環閥頻繁內漏的故障，結合國內水質特點，在超超臨界660 MW機組上進行了再循環閥國產化改造，采用先導密封、節流小件等特殊的結構及流體控制方式，有效的解決了密封面汽蝕、沖刷等嚴重問題。經一個檢修周期的運行，現場閥門關閉嚴密，閥門在關閉情況下，閥體溫度保持在50 ℃左右，節省能耗，提高熱經濟性，保證了閥門及系統長期經濟安全運行。

給水泵再循環閥在發電機組中因所受運行環境影響，損耗較大，盡管采取其他措施可減緩損壞，但仍屬于耗材。尤其在當下形式，使用進口原件檢修、更換代價高，給發電廠帶來較大負擔，所以本文所提出的改造技術，也可以應用于同類型的閥門；所倡導的改造思想值得所有工業生產單位學習，打破技術壁壘，加強自主創新。