調(diào)節(jié)閥改型解決凝結(jié)水再循環(huán)管路振動(dòng)的實(shí)踐

劉奇洪

（神華浙江國華浙能發(fā)電有限公司，浙江 寧海 315612）

火電機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)在軸封冷卻器后有一路至凝汽器的再循環(huán)管路，設(shè)有調(diào)節(jié)閥和旁路閥。在機(jī)組啟動(dòng)和低負(fù)荷運(yùn)行期間，凝結(jié)水系統(tǒng)流量較少，用調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)凝結(jié)水再循環(huán)流量，保證有一定的凝結(jié)水經(jīng)過凝結(jié)水泵和軸封冷卻器，以帶走凝結(jié)水泵機(jī)械功轉(zhuǎn)化的熱量，防止凝結(jié)水泵內(nèi)發(fā)生汽化而引發(fā)泵水中斷故障，并使軸封漏汽在軸封冷卻器內(nèi)正常凝結(jié)。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)節(jié)閥處于全關(guān)狀態(tài)，凝結(jié)水不通過再循環(huán)管路，凝結(jié)水泵工作時(shí)需控制凝結(jié)水流量不低于最小流量。

由于凝結(jié)水泵在低流量工作時(shí)的出口壓力較高，而凝汽器工作處于負(fù)壓狀態(tài)，凝結(jié)水經(jīng)過再循環(huán)調(diào)節(jié)閥從高壓到負(fù)壓，容易出現(xiàn)汽化閃蒸現(xiàn)象，引發(fā)凝結(jié)水再循環(huán)管道強(qiáng)烈振動(dòng)，所以凝結(jié)水再循環(huán)管路振動(dòng)是發(fā)電廠常見故障。

1 設(shè)備概況

國華寧海發(fā)電廠一期為4×600 MW亞臨界機(jī)組，凝結(jié)水由凝汽器的熱井依次流經(jīng)2臺(tái)互為備用的凝結(jié)水泵、凝結(jié)水精處理裝置、軸封蒸汽冷凝器（簡稱軸加）、凝結(jié)水再循環(huán)接口、凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥 （并聯(lián)旁路閥）、4臺(tái)低壓加熱器，最后進(jìn)入除氧器。凝結(jié)水再循環(huán)管路從軸加后引出進(jìn)入凝汽器，如圖1所示。凝結(jié)水泵為英國蘇爾壽公司制造，型號(hào)為BDC 450-490 D+3S/33，經(jīng)濟(jì)工況的流量為1 429 t/h，揚(yáng)程為3.35 MPa，設(shè)計(jì)最小流量為400 t/h。

圖1 凝結(jié)水再循環(huán)管路示意圖

凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)節(jié)閥選用美國COPESVULCAN公司的GS系列直通型調(diào)節(jié)閥，主要參數(shù)見表1。

機(jī)組試運(yùn)期間，凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)節(jié)閥及管道都曾發(fā)生劇烈振動(dòng)，并產(chǎn)生很大噪聲。電建單位在再循環(huán)管道上加裝限位支架，但效果不理想。正式投產(chǎn)后幾臺(tái)機(jī)組的凝結(jié)水再循環(huán)管道先后多次出現(xiàn)焊口振裂現(xiàn)象，嚴(yán)重影響機(jī)組安全運(yùn)行。

表1 原凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)節(jié)閥主要參數(shù)

2 振動(dòng)原因分析

2.1 發(fā)生振動(dòng)的原因

通常凝結(jié)水再循環(huán)管道振動(dòng)的原因主要有：

（1）再循環(huán)調(diào)節(jié)閥選型不當(dāng)，調(diào)節(jié)閥內(nèi)凝結(jié)水發(fā)生汽蝕，產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力引起管道振動(dòng)。

（2）管路布置不合理，如再循環(huán)調(diào)節(jié)閥為高位布置，而再循環(huán)管道至凝汽器的接口為低位布置，此種布置方式使調(diào)節(jié)閥背壓更低，加劇閥后汽蝕現(xiàn)象。有些發(fā)電廠將調(diào)節(jié)閥設(shè)置在廠房零m層，調(diào)節(jié)閥出口管道與凝汽器接口布置在凝汽器高處，就是為了提高調(diào)節(jié)閥后背壓，改善調(diào)節(jié)閥運(yùn)行工況。

（3）調(diào)節(jié)閥后的管徑及管件選型不當(dāng)，消耗汽水沖擊動(dòng)能的能力不強(qiáng)。

（4）管道布置過于復(fù)雜，管道柔性大，容易發(fā)生振動(dòng)。

（5）支吊架設(shè)計(jì)不合理，不能有效地制約管道振動(dòng)。

若由于調(diào)節(jié)閥選型不當(dāng)導(dǎo)致管道振動(dòng)，調(diào)節(jié)閥便成為振動(dòng)源。上述其它因素則會(huì)使管道原有振動(dòng)加劇。

寧海發(fā)電廠凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)節(jié)閥布置在汽機(jī)房6.4 m層，再循環(huán)管道與凝汽器接口處于-1.0 m左右位置，調(diào)節(jié)閥后工況相當(dāng)惡劣。調(diào)節(jié)閥后管道長度約30 m，呈現(xiàn)管道柔性大特點(diǎn)，抗沖擊能力弱，一旦管道發(fā)生振動(dòng)，常會(huì)造成管道支吊架振斷或者管道焊口開裂等嚴(yán)重后果。

2.2 管道振動(dòng)與調(diào)節(jié)閥選型

在采購調(diào)節(jié)閥時(shí)，通常都會(huì)通過招標(biāo)書將該調(diào)節(jié)閥常見運(yùn)行工況（一般選3個(gè)）提供給供貨商作為調(diào)節(jié)閥選型依據(jù)，包括調(diào)節(jié)閥流量、進(jìn)出口壓力、水溫等運(yùn)行數(shù)據(jù)。3個(gè)主要工況參數(shù)如表2所示。

（1）機(jī)組啟動(dòng)初期（工況1），除氧器不用補(bǔ)水，凝結(jié)水泵維持最小流量（400 t/h）運(yùn)行，此時(shí)凝結(jié)水只經(jīng)過再循環(huán)管道。凝汽器真空度不是很高，絕對(duì)壓力約0.018 3 MPa。當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度83%時(shí)，流量350 t/h，小于凝結(jié)水泵最小流量400 t/h，凝結(jié)水泵有可能發(fā)生汽蝕。雖然將調(diào)節(jié)閥開至100%開度流量有可能超過400 t/h，但說明調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)流量裕量不足，調(diào)節(jié)閥口徑選擇偏小。

（2）鍋爐點(diǎn)火階段（工況2），需要連續(xù)往除氧器少量補(bǔ)水，但凝結(jié)水主要經(jīng)過再循環(huán)管路。這時(shí)凝汽器建立了正常真空，凝汽器絕對(duì)壓力值接近0.004 9 MPa。

（3）機(jī)組啟動(dòng)后期（工況3），鍋爐產(chǎn)汽量增大，要保證除氧器水位并提供鍋爐所需給水。如果除氧器的補(bǔ)水流量仍小于凝結(jié)水泵設(shè)計(jì)的最小流量，則仍需一定流量的凝結(jié)水通過再循環(huán)管道，以保證凝結(jié)水泵出口流量大于設(shè)計(jì)最小流量。

在3個(gè)工況條件下調(diào)節(jié)閥運(yùn)行都會(huì)出現(xiàn)空化或閃蒸現(xiàn)象，噪音超過85 dB（A）。空化說明凝結(jié)水在調(diào)節(jié)閥內(nèi)發(fā)生汽化產(chǎn)生氣泡，氣泡破裂引起閥內(nèi)部件嚴(yán)重?fù)p壞，使閥體產(chǎn)生劇烈振動(dòng)并發(fā)出刺耳噪音。閃蒸說明凝結(jié)水經(jīng)過調(diào)節(jié)閥后有部分液體汽化，出現(xiàn)汽液兩相共存，對(duì)閥門和管道產(chǎn)生很大沖擊力，引發(fā)管道劇烈振動(dòng)。以上3個(gè)工況是凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)節(jié)閥運(yùn)行時(shí)間最多的工況，調(diào)節(jié)閥只有在這3種工況條件下均能良好工作，選型才算合理。

從以上分析可知，寧海發(fā)電廠凝結(jié)水再循環(huán)管道振動(dòng)原因主要在于調(diào)節(jié)閥選型不當(dāng)，其次是管道布置不合理以及調(diào)節(jié)閥后管道過長。要解決管道振動(dòng)問題，必須從調(diào)節(jié)閥著手，盡可能消除振動(dòng)源。若僅加固管道可能會(huì)適得其反，甚至更加危險(xiǎn)。振動(dòng)源消除了，管道振動(dòng)自然就會(huì)減弱，因此必須重新選擇合適的調(diào)節(jié)閥。

表2 原凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)節(jié)閥工況參數(shù)

3 凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)節(jié)閥改型

調(diào)節(jié)閥改型必須以消除空化、閃蒸為目的。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，需要從改變調(diào)節(jié)閥通徑、閥籠結(jié)構(gòu)及閥座口徑入手。

3.1 調(diào)節(jié)閥通徑的選擇

原調(diào)節(jié)閥通徑為100 mm，進(jìn)出調(diào)節(jié)閥管道規(guī)格是Φ219 mm×7 mm，即管道通徑約200 mm，在調(diào)節(jié)閥進(jìn)出口處有明顯的縮徑。凝結(jié)水進(jìn)入調(diào)節(jié)閥前縮徑處流速必然會(huì)提高，加重了對(duì)閥內(nèi)部件的沖擊，容易引起閥門振動(dòng)。另外調(diào)節(jié)閥通徑小，閥體較輕，剛性相對(duì)差，抵抗介質(zhì)沖擊能力也較弱。

通常在調(diào)節(jié)閥選型時(shí)，閥門通徑均選擇比管道通徑小，這樣可在滿足通流能力的情況下降低閥門造價(jià)。但從提高調(diào)節(jié)閥剛性角度看，凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)節(jié)閥通徑是越大越好，最好與管道口徑一樣，即調(diào)節(jié)閥通徑也選用200 mm。

3.2 閥籠選型

由于凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)節(jié)閥工況惡劣，入口壓力3.0～3.5 MPa，出口壓力為凝汽器負(fù)壓，在調(diào)節(jié)閥內(nèi)及閥后容易發(fā)生汽蝕。控制汽蝕的方法主要是控制壓降、限制閥內(nèi)流速，使閥內(nèi)壓力不低于飽和壓力。汽蝕會(huì)嚴(yán)重?fù)p害閥內(nèi)件，為減少損傷需增強(qiáng)閥內(nèi)件表面硬度、提高材質(zhì)等，使閥門成本上升。根據(jù)美國CCI公司產(chǎn)品說明介紹，單級(jí)壓降容易使閥內(nèi)壓力低于飽和溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力（即發(fā)生汽蝕的臨界壓力），從而發(fā)生汽蝕，如圖1（a）所示。多級(jí)壓降能更好控制閥內(nèi)壓力并使其高于飽和壓力，如圖1（b）所示。

實(shí)現(xiàn)多級(jí)降壓通常有兩種方式，其一是采用如美國fisher公司典型的多級(jí)閥籠，如圖2所示；其二是采用美國CCI公司典型的迷宮式閥籠，如圖3所示。國內(nèi)廠家也有類似產(chǎn)品。

圖1 調(diào)節(jié)閥壓降控制圖

圖2 美國fisher公司多級(jí)籠罩示意圖（左圖為2級(jí)，右圖為3級(jí)）

圖3 美國CCI公司迷宮式籠罩示意圖

多級(jí)閥籠基于流體逐級(jí)降壓的原理，使流體經(jīng)過多閥籠串聯(lián)再流過閥座密封區(qū)，把壓差分解，每一級(jí)都不超過臨界壓差，每個(gè)壓力降的最低值均不低于Pvc值，因此產(chǎn)生連續(xù)的階梯狀分布的壓力降。改變籠罩進(jìn)水孔眼形狀和布局可以實(shí)現(xiàn)不同程度的降壓效果。為了防止高壓差下的空化，提高閥芯閥座使用壽命，根據(jù)多級(jí)降壓的原理，使每級(jí)閥籠上分擔(dān)一部分壓差，以改善高壓差對(duì)閥芯閥座的沖刷和空化現(xiàn)象。

迷宮式閥籠由多個(gè)同軸圓柱盤（層）疊合組成，多層、多孔結(jié)構(gòu)，曲折的流路迫使流體連續(xù)不斷地改變流向，增大摩擦，形成高絮流，速度、壓力梯次遞減，消耗能量，降低了傳播聲路—節(jié)流通路聲功率，從而降低每個(gè)流路的噪音能量級(jí)。除降噪音外，還可以預(yù)防閃蒸和汽蝕的發(fā)生。

由于原再循環(huán)調(diào)節(jié)閥采用普通單級(jí)籠罩結(jié)構(gòu)，閥籠結(jié)構(gòu)簡單，不能有效降低或消除調(diào)節(jié)閥內(nèi)汽蝕現(xiàn)象，所以運(yùn)行中調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)。新調(diào)節(jié)閥宜采用迷宮式結(jié)構(gòu)。

3.3 閥座口徑選擇

閥座口徑越大調(diào)節(jié)閥通流能力越強(qiáng)，但閥座、閥芯、閥籠尺寸都會(huì)隨之增大，閥門整體造價(jià)也會(huì)上升。在閥門開度一定的情況下閥座口徑大則節(jié)流相對(duì)小（類似節(jié)流孔），有利于控制閥后的介質(zhì)流速，從這個(gè)角度來說加大閥座口徑有好處。在采用迷宮式閥籠的基礎(chǔ)上閥座口徑選用120 mm，比原來增加了20 mm。

3.4 產(chǎn)地選擇

考慮新調(diào)節(jié)閥采用結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、技術(shù)含量相對(duì)高的迷宮式閥籠，并且調(diào)節(jié)閥通徑、閥座口徑都增大，如果采用進(jìn)口產(chǎn)品價(jià)格昂貴。而目前國產(chǎn)迷宮式調(diào)節(jié)閥在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝上已成熟，閥內(nèi)件材質(zhì)往往優(yōu)于進(jìn)口產(chǎn)品，且價(jià)格便宜。況且凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)節(jié)閥只在機(jī)組啟停過程中和低負(fù)荷時(shí)使用，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)始終處于全關(guān)狀態(tài)，使用不頻繁，對(duì)調(diào)節(jié)精度要求不高。因此，選用國產(chǎn)迷宮式調(diào)節(jié)閥。

寧海發(fā)電廠一期4臺(tái)機(jī)組凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)節(jié)閥先后都進(jìn)行了改型，均采用了上海華爾德電站有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為ST648Y-40、規(guī)格DN200迷宮式調(diào)節(jié)閥。調(diào)節(jié)閥通徑由原來的100 mm增大至200 mm，閥座口徑由100 mm增大為120 mm，選用了抗汽蝕效果較好的迷宮式閥籠，采用以前的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

4 改型效果

調(diào)節(jié)閥改型后，4臺(tái)機(jī)組再?zèng)]有出現(xiàn)凝結(jié)水再循環(huán)管道振動(dòng)現(xiàn)象，改善效果主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）原調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)流量350 t/h，要保證凝結(jié)水泵最小流量400 t/h運(yùn)行，調(diào)節(jié)閥幾乎需要全開，對(duì)于調(diào)節(jié)閥這不是最佳工況位置，閥門容易振動(dòng)。新調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)流量增加到600 t/h，完全能保證凝結(jié)水泵的最小流量運(yùn)行不受影響，閥門基本在最佳工況下運(yùn)行，不易振動(dòng)。

（2）新調(diào)節(jié)閥通徑200 mm，與進(jìn)出口管道通徑一致，不存在縮徑問題，進(jìn)出調(diào)節(jié)閥介質(zhì)流動(dòng)更平穩(wěn)，產(chǎn)生的擾動(dòng)小。

（3）新閥門閥體質(zhì)量比原閥門要大得多，抗外界沖擊干擾能力強(qiáng)。

（4）新閥門采用迷宮式閥籠，結(jié)構(gòu)先進(jìn)，減少了汽蝕、閃蒸的發(fā)生，閥門及管道振動(dòng)明顯減弱，閥門噪音下降約15 dB（A）。

（5）由于通徑及閥座口徑的大幅提高，閥門通流能力明顯增強(qiáng)。在相同流量下調(diào)節(jié)閥出口介質(zhì)流速降低，介質(zhì)對(duì)調(diào)節(jié)閥后管道沖擊減弱，管道振動(dòng)噪音相應(yīng)減小。

5 結(jié)語

解決凝結(jié)水再循環(huán)管路振動(dòng)問題，除采用加固管道、閥門后加裝節(jié)流孔板、改變管路布置等方法外，對(duì)原凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行改型，削弱振動(dòng)源，是解決振動(dòng)問題的關(guān)鍵所在。采用國產(chǎn)調(diào)節(jié)閥還可以降低維護(hù)成本。寧海發(fā)電廠的凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)節(jié)閥通過改型后，徹底解決了管路振動(dòng)的問題，改型后效果良好，可為其它火力發(fā)電廠解決同類問題提供參考。

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