高压差调节阀结构性能分析与改进
阐述了火力发电设备运行过程中产生的涡流或汽蚀等现象。分析了高压差调节阀中介质流动的状态及其振动、噪声和对阀座磨损的问题。给出了阀门结构设计的改进措施及注意事项。
1、概述
在火力发电设备中，为了提高蒸汽设备的效率，通常采用高温高压基本负荷设计的参数，及中间负荷运行和高度自动化的DSS 控制方式。因为反复启停原因产生的高压差运行状态，对调节阀提出了更严格的要求。目前高压差调节阀设计主要从振动、噪声及阀座泄漏等3 个方面考虑。
2、问题分析
近几年来，设备DSS 运行，锅炉启、停频繁，引起振动和噪声增加。由于热膨胀，锅炉管内的污垢，冷却剥离下来的固体粒子，流进阀门损伤阀座，致使阀座泄漏，加快内件和阀体的磨损。
2.1、机械振动
导向间隙不同心引起的振动会引起机械应力，随着机械应力的增加，产生疲劳破坏的危险。由于阀杆头的不稳定产生不稳定的开度，因此在阀杆上产生不平衡的上下方向的力，以及由于阀内部零件配合的间隙，致使导向偏心，同时由于在执行器刚性不足的场合下产生纵向的振动。这种振动能够产生噪声，阀门已经处在有破坏的危险状态。
2.2、水动力学问题
使用液体的工况，其问题是紊流、气蚀和闪蒸带来的振动及噪声。紊流不至于带来破坏，但其将成为机械振动源。气蚀引起物理的破坏，例子很多，但振动噪声的问题是不太可能发生。可采用逆流角形阀解决由闪蒸产生的振动和噪声，但闪蒸喷流产生的腐蚀冲刷对内件和阀体有极大的破坏。
2.3、气体动力学
用于气体和蒸汽的调节阀振动噪声是最主要问题。虽然其介质流动的速度为亚音速，但容量大时喷射部高的紊流区则产生过度的噪声，最大的噪声是通过节流口发生的冲击波，在喷嘴下部作为冲击波转换成噪声和振动。节流噪声与阀的流动形式、压降、流体种类及阀门开度有关。
2.4、固体粒子磨损
固体粒子是锅炉、过热器、再热器或主蒸汽等管内壁上掉下来的微小氧化物，密封面上粘附了固体粒子，在小缝隙中漏量，发生气蚀。
3、介质流动性质
3.1、流体的分类
流过的流体大致可分为水或油等不可压缩流体和可压缩的空气、煤气及蒸汽等。按照热力学的原理，由于在节流过程中，介质没有与外界的热交换，因此可以看作是绝热节流。随着出口侧流体压力的降低，比容增加，温度降低，焓不变，在节流扩容的状态下，出口侧液体开始闪蒸形成汽或液两相流动。由于液体和气体性质完全不同，所以设计调节阀时必须充分理解其性质。
3.2、液体流动性质
(1) 通过阀门的压力梯度
通过调节阀的流体流动是根据流体力学公式所示的能量守恒定律。阀门的流动是通过节流喷嘴时加速，由于加速度的能量是在流体压力或静水压头取得，通过节流部位后重新稳定，压力不能恢复的部份中，由于阀门内件的摩擦，内部能量转换成振动噪声能，散发到外部。如图1 所示根据出口侧压力状态表示节流部前后压力情况。
图1 通过阀门的压力状态
状态1 是非收缩区压力( PCV) 以及出口侧压力P2比入口侧液体饱和温度压力( PV) 高，不属于气蚀状态。
状态2 是非收缩区压力在饱和蒸气线以下，但出口侧压力达不到饱和蒸气压力，表示气蚀状态。状态3 是非收缩区压力以及P2出口侧压力在饱和线以下称做闪蒸。
4.5、磨损
磨损有气蚀和闪蒸损坏，水动力学磨损和由于固体粒子的机械磨损等磨损，根据不同的磨损机理，采取不同的处理方法。
(1) 气蚀
气泡冲击在固体表面爆破时，发生很高的压力，即使是CoCrW No. 6 或No12 材料也要遭到破坏。为降低气蚀产生的破坏，可以注入氮气进入气蚀发生的节流部后边，在流体中溶解气体，以减少气蚀。同时，应避免气泡直接冲击在固体表面上。
(2) 闪蒸
带有闪蒸的流体体积，因含有蒸汽时比容急剧增大，所以节流部下侧二相流速度很高。液体冲刷与喷砂效果一样，使金属材料变形。闪蒸流体流动在调节阀的物理损伤上出现在节流喷嘴下部，所以，流体在阀门进口接近饱和状态时，闪蒸在下游侧部分开始，阀瓣头部的密封面和下部周围损伤。大部分闪蒸损伤可用适当的阀门结构和在材料选择上解决。阀门选择耐闪蒸磨损强的材料，如Cr 合金钢WC6，WC9，C5 较好。阀瓣头部以及阀座节流密封面实施CoCrW No. 6 表面硬化处理。
(3) 固体粒子磨损
为防止锅炉主蒸气管内固体粒子的磨损，采用防固体粒子损伤结构和防固体粒子冲击结构( 图7) 。防止固体粒子损伤结构是利用节流套导向结构，关闭时固体粒子不能流动，能闭塞节流孔。防止喷流直接冲击在阀瓣密封面上，阀杆头上带有导流结构，并在密封面上设有台阶。
图7 防固体粒子磨损结构
5、结语
针对阀门的振动、阀杆头不稳定及流体产生的涡流及汽蚀等现象，采用水动力学分析和噪声处理方法，适应高压差调节阀设计要求。阀门采用节流罩结构，将导向间隙由原来的0.8 ～ 0.9mm 缩小到0.45 ～ 0.5mm，并且更换材料以保证阀杆头部的刚度。对于气蚀流动和噪声，采用多级小孔节流方法。为防止闪蒸和固体粒子对阀座的磨损，采用圆锥型的节流副，阀座口径小于出口，使介质的流动顺圆锥面流动，固体粒子不能冲击到金属的表面。通过对调节阀结构的改进，收到了良好的效果，使产品质量得到了提升。
