超(超)临界高加三通阀的研究

　　介绍了超(超)临界火电机组高压加热器液动旁路保护系统和电动旁路保护系统的典型布置及功能原理，分析了两种旁路保护系统配置高加三通阀的结构特点和工作原理。通过分析可知，液动高加三通阀开关迅速，但电动高加三通阀结构简单、控制方便、密封更可靠。

一、前言

　　高压加热器是火力发电厂凝汽式抽汽回热系统的重要部件，它安装在给水泵和省煤器之间，利用汽轮机各级抽汽来加热高压给水，提高给水温度，减少进入锅炉给水和炉膛的温差，提高机组发电效率。

　　为保证高压加热器解列时机组正常运行，高压加热器设置了旁路保护系统。超(超)临界火电机组高压加热器旁路保护系统按高加三通阀驱动方式分为电动旁路保护系统和液动旁路保护系统。

二、液动旁路保护系统

　　1. 系统布置

　　液动旁路保护系统包括液动高加入口三通阀、液动高加出口三通阀、气动快启阀、注水阀及其控制系统等，系统的典型布置如图1所示。

图1 液动旁路保护系统

1.注水阀 2.液动高加入口三通阀 3.气动快启阀 4.泄压管路 5.旁路 6.液动高加出口三通阀 7.高压加热器 8.主路 9.注水管路

　　2. 功能原理

　　高压加热器投运前，高加三通阀处于主路关闭旁路开启状态，给水经旁路进入锅炉。高压加热器投运时，首先打开高加三通阀上部锁紧手轮，将上阀杆旋至全开位置，同时开启注水阀，给水经注水管路进入高压加热器，当高压加热器管侧压力升至一定值后，介质作用在阀杆横截面上的升力大于填料摩擦力和活动部件自重，阀杆带动阀瓣上移，打开高加三通阀主路关闭旁路，高压加热器投运。当高压加热器发生故障时，壳侧水位急剧上升超过允许值时，液位控制系统会给出信号，使气动快启阀迅速开启，将高加三通阀活塞缸下腔的介质泄压，上腔介质推动高压活塞带动阀瓣迅速下移，打开旁路关闭主路，使高压加热器安全解列，给水经旁路进入锅炉。

　　3. 液动高加三通阀

　　液动高加入口三通阀与液动高加出口三通阀工作原理基本相同，均采用内置高压活塞驱动，但液动高加出口三通阀结构简单，以液动高加入口三通阀为例进行分析研究。

　　(1)结构原理 液动高加入口三通阀的结构如图2所示，由阀体、上阀座、下阀座、高压活塞、阀瓣、弹簧蓄能圈、阀盖、节流套及活塞缸等组成。阀体与阀盖处采用压力自紧式密封设计，压力越高密封性越好；高压活塞与阀杆为一体式结构，通过阀瓣压盖与阀瓣连接；活塞缸上腔通过连通管与阀体中腔相连，下腔与泄压管路相连；下阀座与阀体焊接连接；上阀座与节流套、活塞缸为一体式结构，与阀体间采用弹簧蓄能圈和O形圈。

　　液动高加三通阀的开启、关闭均由30MPa以上的高压水驱动，整个动作时间小于5s。阀门主路和旁路关闭时的密封力均由阀瓣上下腔的介质压差作用力提供。

图2 液动高加入口三通阀

1.阀体 2.下阀座 3.阀瓣 4.上阀座 5.弹簧蓄能圈 6.O形圈7.节流套 8.活塞缸 9.活塞 10.上阀杆 11.手轮 12.四合环13.自密封圈 14.阀盖 15.阀杆 16.阀瓣压盖

　　(2)上阀座密封机理 高加入口三通阀旁路关闭后的密封性是阀门一项重要性能指标，上阀座与阀体间密封可靠性是保证该指标的重要因素。因此，上阀座与阀体间采用弹簧蓄能圈和O形圈两道密封。第一道密封是弹簧蓄能密封圈，它由聚合物材料密封壳和耐腐蚀的不锈钢金属弹簧组成。密封圈安装在沟槽内，弹簧受压形成向外的张力，使密封唇紧密地贴合在密封沟槽壁上，由此形成初始的密封。工作状态下，高压介质会辅助弹簧压紧密封唇，压力越大，密封唇与沟槽壁贴合得越充分，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为由此形成可靠的高压密封。

　　第二道密封是O形密封圈，它是一种挤压型密封。O形密封圈装入密封槽后，其横截面受到接触压缩应力而产生7%～30%的弹性变形，对密封槽壁面产生一定的初始接触压力p0，形成初始的密封圈压力，实现密封；在工作状态下，O形密封圈在介质压力的作用下会发生位移，移向低压侧，同时其弹性变形进一步加大，填充和封闭上阀座与阀体间隙。此时，作用于密封副耦合面的接触压力上升为pm，达到零泄漏的密封性。pm按式(1)计算。

　　式中 pm——接触压力，单位为MPa；K——压力传递系数，橡胶制O形密封圈K=1；p——被密封介质的压力，单位为MPa。

　　(3)旁路减压设计 当介质流经高压加热器时，约有0.3MPa的压力降，为保证高压加热器投运和解列时进入锅炉的介质压力平稳，阀体上腔的旁路流道设有节流套，起到节流减压作用。节流套的减压面积按式(2)进行计算。

　　式中 F——减压面积，单位为cm²；Q——介质流量，单位为t/h；f——阀门流阻系数；γ ——介质密度，单位为g/cm³；Δp——高压加热器的压力降，单位为kgf/cm²(1kgf/cm²=9.8×10⁴Pa)。

三、电动旁路保护系统

　　1. 系统布置

　　超(超)临界火电机组电动旁路保护系统的典型布置如图3所示，系统包括电动高加三通阀、电动闸阀、注水阀及其控制系统等。电动高加三通阀安装在高压加热器入口管道，电动闸阀安装在出口管道。

图3 电动旁路保护系统

1. 注水阀 2.电动高加三通阀 3.旁路 4.电动闸阀 5.高压加热器6.主路 7.注水管路

　　2. 功能原理

　　高压加热器运行时，电动高加三通阀主路开启旁路关闭，电动闸阀处于开启状态，给水经高压加热器进入锅炉。当高压加热器泄漏而使水位超过允许值时，DCS控制系统给出信号使电动装置动作，迅速关闭电动高加三通阀主路开启旁路，同时关闭电动闸阀，使高压加热器解列。当高压加热器投运时，先开启注水阀向高压加热器内注水，借助介质对阀杆的提升力和电动装置力开启电动高加三通阀主路关闭旁路，同时开启电动闸阀。

　　3. 电动高加三通阀

　　(1)结构原理 电动高加三通阀结构如图4所示，由阀体、上阀座、下阀座、阀瓣、阀盖、阀杆及节流套等组成。下阀座与阀体焊接连接；上阀座与阀体以及阀体与阀盖间均采用压力自紧式密封结构连接；阀杆通过阀瓣压盖与阀瓣连接，并通过T形螺纹与电动装置连接。

　　电动高加三通阀的开启与关闭由电动装置控制，受电动装置转速和阀杆螺距的限制，阀门的全行程时间为30～45s。阀门主路和旁路关闭时的密封力均由阀瓣上下腔的介质压差作用力加电动装置力提供，密封更可靠。

　　(2)上阀座密封机理 上阀座与阀体间均采用柔性石墨自密封圈密封。首先，螺栓将上阀座提起，预压缩自密封圈，提供初始密封力；当阀门旁路关闭时，介质力进一步压紧自密封圈，达到可靠的密封性。

　　(3)旁路减压设计 与液动高加三通阀一样，电动高加三通阀的旁路流道也设有节流套，保证介质流经旁路产生的压力降与流经高压加热器时基本相同，从而使锅炉压力平稳。

图4 电动高加三通阀

1.阀体 2.下阀座 3.阀瓣 4.阀瓣压盖 5.自密封圈 6.四合环7.压板 8.自紧式密封圈 9.阀杆 10.电动装置 11.阀盖12.节流套 13.螺栓 14.压环 15.上阀座

四、结语

　　通过上述分析，液动和电动旁路保护系统均能起到保护高压加热器的作用，液动和电动高加三通阀的上阀座均可更换，与阀体采用可靠的密封方式。但液动高加三通阀全行程时间小于电动高加三通阀；阀门关闭时，电动高加三通阀的密封力是由介质作用力加上电动装置力提供的，密封更可靠；电动高加三通阀结构简单，且操作、控制方便。因此，应根据超(超)临界机组的具体要求选配高加三通阀。