高溫蒸汽閥門熱力特性的若干問題探討

李豪

（長沙日豐機電科技有限公司，湖南 長沙 410007）

高溫蒸汽閥門是用于高溫蒸汽調節壓力、流量、切斷流體、改變流向的執行器，高溫蒸汽調節與控制一直是自動控制實際執行中的難點，尤其在高溫和超高溫條件下的切斷難度更大。這點在材料因高溫膨脹而產生卡阻和切斷上有明顯體現。因此，高溫和超高溫的控制始終是國內外研究工作長期的工作重點。在流程工業流體調節系統中，閥是必不可少的重要設備，是自動控制系統中重要的由控制機構和閥門兩部分組成的開關控制元件。從流體力學的觀點看，閥是局部阻力可以變化的節流部件，按照輸入的信號，通過改變閥芯開度的方式，進而改變阻力系數，從而達到控制流量、壓力等參數的目的。高溫蒸汽閥要有效可靠運行，需要全面了解閥工作中的熱力特性，需研究解決好一系列的熱力學問題。

1 高溫蒸汽閥門的應力問題

高溫蒸汽閥門的應力分析包括兩方面的聯合作用：壓力作用產生的應力，熱載荷作用產生的應力即閥的內部將會產生一種由溫度變化而產生的熱應力。這兩部分應力都必須綜合考慮。

選取適當結構的模型建立之后，對于閥體應力場的計算分析，需要建立在溫度場分布規律已知的基礎上才能進行，而溫度場和應力場都必須使用美國研發的ANSYS通用軟件進行計算分析。

不穩定傳熱過程會導致金屬內部溫度的分布不均勻，產生熱應力造成閥體內部膨脹而導致變形，甚至影響到閥體的正常使用年限，因此，此次研究先在穩態工況下對溫度場進行建模。邊界條件的設計要慎重，在閥體的進、出口部分，一般沿徑向溫度變化較大而沿軸向溫度變化不大，高溫蒸汽流可作熱源，視為對流換熱情況的處理。將模型導入ANSYS軟件，即可得出溫度場分布規律圖。

因為超臨界主蒸汽閥通常安裝在存有高溫高壓蒸汽流量的工作環境下，因此對閥門外殼耐壓能力的要求非常苛刻，所以必須進行應力計算分析。溫度不均勻場所引起的梯度越大，熱應力也就越大，因約束條件的軸對稱性，將對稱面徑向位移設為零，以應力敏感較遠的邊界點和表面作為位移約束，計算構件不產生線性及角形變；閥內流體內壓力產生的壓應力，隨徑向尺度增大而增大，計算壓應力時，約束條件一般設定為閥體與流體界面壓力。結合溫度場分布圖，算出熱應力場分布圖，由熱應力場和壓應力場可以得出最后的總應力場。

2 高溫蒸汽閥流體流場分析

高溫蒸汽流在流進閥門后，閥通流部件的內表面將與高溫蒸汽流發生作用，使流體壓力、速度、流動方向發生改變，如流阻、旋渦、回流，閥也將會受到溫度、壓力、沖擊等作用，產生振動、聯接部松動、密封件受損等問題。

2.1 高溫蒸汽流在閥通流體流動特性

在閥門開度逐步增大時閥門的內部流場，高溫蒸汽流在閥門前后產生壓力降，不同結構通流體的閥具有不同的流阻系數和流量系數關系，當閥芯開度較小(小于15%）時，閥門的流阻較大，流量系數很小，并在閥門的出口段形成一個很大的漩渦回流，閥芯內部也產生了較明晰的渦流。隨著閥芯開度的增大(大于15%仍然小于35%），閥門前后壓降最快，閥后渦流回旋相對減弱，即流阻系數繼續減小，流量系數增大但不明顯，閥芯處的渦流也隨之減小。隨著閥開度的繼續增大（大于35%小于65%），流阻系數急劇減小，流量系數的增大加快，且開始呈上拋物線增大。在閥芯開度為66%～85%的區間內，渦流影響漸漸減弱至消失，流量系數曲線的曲率變化增大，即流量系數變化也最大，閥門前后壓降趨于平穩。當閥芯開度大于85%時，流量系數曲率變化最大，同時流阻系數減小，趨于一定值。

2.2 主蒸汽閥系統部分

根據所提供的資料和數據，確定了主蒸汽壓力，溫度，以及流體的密度。這種類型的單元計算所需要的邊界條件，在額定條件：流入口參數和流體密度的截面積，流速和入口，和流體的密度，恒定的橫截面面積，所以在入口流動的情況下，速度一定時，根據公式V=G/（P），流速，流量比例，使流體密度和流動截面面積成反比。因此在速度恒定的入口，可以設置為速度入口邊界。為計算方便，參考壓力設置為0的網格的邊界條件，如前所述，邊界條件設置為固壁邊界。計算加載過程中的能量方程，計算過程中，能量方程是不公開的。利用K-ε兩方程湍流模型。通過計算和仿真實驗得出，額定流量下的進出口壓差，蒸汽閥開啟阻力系數，壓力損失率和相同的閥門開度，阻力系數的變化規律，閥門的壓力損失率和主蒸汽壓力在不同的Re數和入口速度。

3 高溫高壓導致的蒸汽閥門內漏及其危害

許多人認為，在電廠處于關閉狀態，且在高溫高壓下操作閥門，閥門肯定會出現內漏。事實上，在這個狀態，閥門內漏后，閥體的溫度要高，但閥體溫度高，不一定所有閥門內漏。管壁和壁面溫度之間的溫度差，這2個數據作為判斷閥門內漏的依據，閥后的管道閥門，混凝土溫度值對應的閥門內漏。

在電力、石油、化工等行業的高溫蒸汽系統中，因其高溫及高壓造成系統中高溫蒸汽閥門經常出現內漏。內漏在大壓差及高溫蒸汽的不斷沖蝕下，閥門將很快失效。閥門內漏將直接增加閥門維護、修復、更換的生產費用，造成極大的能源浪費，給企業帶來巨大的經濟損失。閥門內漏可能對下游設備造成損壞，對周邊的工作人員也是潛在的危險因素；閥門泄漏嚴重時，有可能使機組被迫停機，造成非計劃停運等電力生產事故；閥門的泄漏影響到電廠的環境與社會形象；閥門內漏造成發電機組的效率降低，單位發電量的二氧化碳、二氧化硫、氮化物等污染物排放會增加；閥門內漏使部分高溫高壓的蒸汽、水排入大氣中，增大周圍環境的熱污染同時，也存在很大的安全隱患。高溫蒸汽閥門內漏是一個世界性難題，國內外閥門制造廠家都在不斷改進、探索，但始終沒有擺脫傳統結構中單閥座、單密封的影響。對高溫閥密封件，普通材料抵御不了大壓差的沖蝕，適當硬度的材料與閥門合理的密封結構，才能有效解決此類問題。

4 基于熱力特性的高溫蒸汽閥門內漏檢測

熱力系統高溫蒸汽閥門內漏危害很大，但閥門是否出現內漏，要準確進行判斷并不容易。用閥體溫度進行判斷是很常用的判斷方法，大部分情況下沒有一個絕對的溫度標準，測量閥體的溫度與正常關閉的溫度，若偏離較高，即可認為閥門已經發生了內漏。

4.1 選擇測溫點及測試

閥體上測溫度只能做為重要的參考數據。閥前或閥后不應該出現流體流動的地方，出現了工質的流動或外泄，由于高溫高壓流體的流動或外泄而使閥體溫度高，這對于復雜的熱力系統，還應增加閥前的溫度測量，測量位置應選擇在閥前不遠處。

表1 基于熱力特性閥門內漏判別依據

4.2 基于熱力特性閥門內漏的判斷

利用閥門后管壁溫度、閥門前后的管壁的溫差2個數據，作為閥門是否內漏的判斷依據，內漏狀況對應的具體的溫度數值說明閥門的內漏情況，見表1。

在診斷閥門是否內漏時，基本上都使用紅外線測溫槍進行溫度測量，根據該測溫儀的工作原理，離測溫點距離越近，測量誤差才更小，因此出現測量數據不合邏輯時，應盡量近距離測量。

5 結語

分析了熱力系統高溫蒸汽閥門內漏的危害性，討論了高溫蒸汽閥門是否出現內漏的熱力特性，要確定閥門是否出現內漏，常用的是基于熱力特性的判斷方式，分析得出確定內漏閥體測溫點及判別標準和流體外漏閥體溫度將會偏高的結論。