迷宮式調節閥的研究和應用

孫強 倪紅英 李棟偉

【摘 要】隨著600MW超臨界及1000MW超超臨界機組大規模建設，籠罩式及孔板式結構調節閥已經無法適應高壓差、高流速的工況條件。而采用迷宮技術的調節閥給出了很好的解決方案。本文提出了迷宮式調節閥的工作原理、獨特結構特點和理論依據，并通過與孔板式籠罩式調節閥的比較，展現其極高的調節性能。

【關鍵詞】調節閥 迷宮式芯包 氣蝕 圍堰 流量 節流減壓

隨著我國經濟的高速發展，居民用電量的急劇攀升，我國各地的新建電廠如雨后春筍不斷孕育而生。“低碳經濟”的來臨及全球的節能減排浪潮的席卷，能耗更低、發電效率更高的600MW超臨界機組及1000MW超超臨界機組將成為發展的必然趨勢，300MW及以下機組將被取代甚至關停。

雖然超臨界及超超臨界機組工作效率高、能耗少，但是由于其工作壓力及溫度要求更高，相應對設備要求也提出了更高的要求。調節閥作為電站常規設備，在電站內被大量使用，其作用就是調節系統內的流量、壓力等的變化，其調節的靈敏度及調節線型的精確性對電廠系統內部的能耗也起著極其重要的作用，扮演著重要的角色。600MW超臨界機組及1000MW超超臨界機組的高參數及惡劣工況對調節閥精確調節提出了挑戰。同時也給如何防止氣蝕、閃蒸、紊流等現象對調節閥的致命破壞，振動及噪音對安全的影響出了一道難題。

1 迷宮式調節閥工作原理

高流體速度是產生汽蝕、閃蒸、振動及噪音的元兇，迷宮式調節閥能實現抗汽蝕、抗閃蒸、低振動及低噪音，是由于它有效地控制高流體速度產生，同時也滿足最終控制的目的：就是更有效地在整個閥門行程中都能控制系統壓力和流速。

普通的閥門，介質進入閥門時其工況條件為：壓力為P1，流速為V1，當介質流動到閥芯部分時，由于閥芯與閥座的節流作用，產生頸縮現象，因此速度會迅速增加至V2，而壓力會迅速降低至P2，低于該介質的飽和蒸汽壓力PV。在這種情況下，介質汽化，形成氣泡。當介質流過閥芯和閥座形成的頸縮部后，由于通道的改變，工況條件也發生了改變，壓力回升動能轉換為勢能，此時的壓力回復為P3，速度回復為V3，當壓力超過該介質的飽和蒸汽壓力PV時，剛才形成的氣泡就會發生破裂，產生極強的局部壓力。氣泡破裂時產生的巨大能量能在瞬間對閥芯、閥座等節流元件產生嚴重的破壞，形成所謂的汽蝕現象。如圖1所示。這樣勢必造成閥門的損壞、沖蝕，產生泄漏，并會產生嚴重的噪音以及引起閥門內件的震動，從而影響整個系統的安全性和效率。由于汽蝕現象發生時，會產生很大的表面應力，因此單純靠采用提高閥芯、閥座的表面硬度是無法從根本上解決汽蝕現象所造成的后果。

從上可以發現，惡劣工況下閥門問題的產生主要來源于過高流速的介質流過閥芯。汽蝕、沖刷、高噪音及管道振動都是介質流速未能得到控制的典型現象。

迷宮式調節閥門的抗汽蝕設計是利用迷宮式芯包多級降壓的原理，通過強制介質流經一系列的直角彎道使流速得到完全的控制，達到逐級降壓的目的。無論壓降大小，這些彎道的阻力使得介質流速流出芯包的速度受到限制。經過多級降壓，使介質的壓力始終維持在介質的汽化壓力PV之上，從而避免了汽蝕現象，消除了不安全因素。

迷宮式芯包（圖2）包括很多迷宮片，經過電腐蝕加工形成很多通道，而每個通道能通過定量介質。通道內由一系列的直角彎道提供介質阻力，根據電廠各種機組不同的參數，經過精確的計算，選定不同彎道數，使得流經迷宮式芯包的介質速度始終限制在？30m/s。參照國外的成熟經驗，當流速小于30m/s時，對節流元件的沖蝕影響最小。

迷宮式閥芯把流體分為很多平行的流道，每一流道有特定數量的直角轉彎——迷宮，而每一個直角都減低流道介質的速度頭。如“N”代表直角數量，則截流器速度V=便變成新的方程。

這原理用于迷宮閥門的閥芯盤片，使每一盤片每一通道的介質速度得以控制在預定范圍，利用閥塞打開不同盤片數量，整個閥門行程控制都完全把介質速度限制在預定值。這種設計跟多孔截流式閥芯是兩種完全的對比：截流器只把位能轉換為動能，但這樣便有驚人的速度上升。迷宮閥芯能控制速度，保證收縮斷口壓力在汽化壓力以上（閥后壓力高于汽化壓力），便可防止汽蝕和閃蒸現象的形成。

2 獨特結構特點

2.1加壓閥芯

在高溫工況下，對關閉性又要求很高時，加壓式閥芯就被采用在迷宮式調節閥中。加壓式閥芯可提供非平衡式閥芯的封閉性能，而對執行機構推力要求只相當于平衡式閥芯。

迷宮式加壓閥芯組件包括：一個先導閥、一個主閥芯及一個平衡密封件。一個很小的得到控制的流量由閥門入口通過閥帽流入閥蓋空間，對先導閥及主閥芯加壓。

當閥門關閉時先導閥關閉，從而使整個閥芯成為一個不平衡閥芯。

加壓式閥芯可達到很高的關閉要求。在閥蓋空間閥芯之上的關閉壓力，施加在閥芯上而關緊閥門。執行器只要具有關閉先導閥在主閥上的力即可。

當閥門收到開啟信號時，執行器提起先導閥桿，打開先導閥。先導閥使在閥蓋空間的壓力迅速消失，閥芯得到平衡。閥桿繼續開啟，拉起主閥芯。執行器只需具有提升平衡式閥芯的力即可。

2.2圍堰

迷宮片還有一個顯著的特點就是采用圍堰結構（圖3所示）。其主要作用：均勻閥芯周圍壓力，保持閥芯對中；上層盤片與下層盤片出口處介質相互作用，降低介質流動速度；避免下層盤片出口介質對閥座的直接沖刷。

3 迷宮式調節閥實際應用

3.1具體要求

某電廠600MW超臨界火電機組鍋爐給水泵再循環系統調節閥，能承受較大的壓降，調節靈敏性較好。

3.2基本參數

3.3選型

考慮到迷宮片的加工周期和生產成本，以及成熟的加工工藝，選擇迷宮片每片厚度為2.5mm，按流量特性曲線，入口設計為雙入口。并且考慮到系統中有可能存在垃圾微粒、焊渣等容易堵塞入口，因此在設計時要增加陋余入口，每一入口的截面積為1.5×1.8。

3.4計算

根據迷宮式調節閥的工作原理：當介質流經迷宮片通道時，經過多級轉彎，限制介質流速增加，保證每級流速？30m/s，從而降低對閥門密封面的沖刷。經過多級轉彎后，V出口=V入口，V出口=。其中N為轉彎級數，H為壓頭，H=，亦即入口與出口的勢能差全部轉化為出口的動能。？P=P入口-P出口，？為介質密度，水T=180～200？C時，？=0.9X103kg/m3，根據工程流體力學定水頭下園柱形管嘴的出流：

其中？=0.82，對于迷宮盤片按照電廠提供參數可得：Q？=270t/h，？P=34MPa，A為流道總截面積A=1.5×3×16×n，得n=19.2。考慮到入口堵塞等情況取n=19.2×1.2=23.04，則迷宮片由24片組成芯包。

4 迷宮式與籠罩孔板式再循環調節閥的調節線形精度比較

4.1流量特性

調節閥的固有流量特性，就是流過閥門的相對流量系數和對應的相對的行程之間的固有關系，即=f（）

式中 Cv—某開度下的流量

Cvmax—全啟狀態下的額定流量

l—某開度下的閥芯相對行程

L—閥芯額定行程

調節閥的固有流量特性與生產效能、能耗等有著莫大的關系。實際的使用過程中調節閥的工作流量特性常偏離設計理想流量特性，這樣會影響調節質量，甚至引起安全隱患。因此選取更為優質的流量特性的調節閥極為重要。

4.2阻力特性

調節閥的阻力特性，即閥門阻力系數隨開度的變化特征，是描述調節閥運行特性非常重要的參數。閥門阻力系數與測試介質無關，是調節閥固有的特性。對于調節的阻力系數為：

式中ΔΡ—調節閥進出口之間的壓差

Ρ—運行介質密度

V—流體流動速度

A—調節閥流道面積

Q—流體流量

4.3用于試驗的測試系統

按照國家標準GB/T10869-2008電站調節閥、GB/T4213-2008氣動調節閥的具體要求，對試驗系統進行設計（圖4）。水池水經過加壓泵，流過閥前流量計和測壓元件，進入迷宮式調節閥，然后流出調節閥的同時經過閥后測壓元件并返回水池。試驗分別測出閥前閥后的壓力，從而得出閥前后的壓差，并計算流量系數Cv

Cv=1.17Q

式中Q—液體流量

ΔΡ—調節閥進出口之間的壓差

ρ/ρ0—相對密度（常溫下的水為1）

4.4測試數據的分析和比較

測試系統運行后，對節流閥進行調節，并將調節閥的進出口壓差調整到合理區間，然后緩慢對測試調節閥進行行程的變化操作，對數據進行采樣并記錄。測試后的數據進行計算整理后得到表2～表5的數據。

根據以上數據，多級籠罩式孔板類和迷宮式再循環調節閥流量特性曲線和流阻特性曲線如圖5，6所示，從圖5可以不難發現迷宮式再循環調節閥流量特性與理想流量特性對比，顯然迷宮式調節閥在20%～80%非常接近理想的線性調節曲線。而籠罩孔板類調節閥相對貼合度就比較差了。從圖6中，可以發現迷宮式再循環調節閥在全開時的流阻系數為56.6，是籠罩孔板類調節閥的5倍以上。迷宮式調節閥阻力特性曲線與理想曲線在開度20%至全開狀態基本非常接近，幾乎重合。而籠罩孔板類的調節閥阻力特性曲線在40%開度時才與理想曲線接近。所以相比下來，迷宮式調節閥調節更加精確更為理想，符合電站運行時的實際需要。

5 結語

隨著600MW超臨界及1000MW超臨界機組的不斷投運，由于機組的參數更加高，必定對調節閥設備提出更高的要求。迷宮式調節閥由于其卓越的抗氣蝕能力，穩定的節流減壓效果以及精確的調節線形精度，將會在大機組上有所作為。本文通過簡單的分析，提出了迷宮式調節閥，很好地解決調節閥氣蝕、閃蒸、調節靈敏度不高的難點，也為國內技術人員繼續深入研究和探索調節閥提供了一種新的解決方案。

參考文獻：

[1] GB/T10869電站調節閥[J].2008.

[2] GB/T4213氣動調節閥[J].2008.

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[4] 李詩久.工程流體力學[M].機械工業出版社.