三偏心金屬密封蝶閥在火電廠低壓缸零出力供熱技術(shù)上的應(yīng)用

安閥流體控制（上海）有限公司 金鳳祿 劉智威 王傳彪

1 引言

天津華能楊柳青熱電有限責(zé)任公司，為了提高機(jī)組供熱期深度調(diào)峰能力和供熱能力，對(duì)電廠7號(hào)機(jī)組進(jìn)行低壓缸零出力供熱技術(shù)改造，其關(guān)鍵部件是供熱與發(fā)電之間的高溫水蒸氣管路的切換用蝶閥[1]。2016—2017 年供熱初期公司三期熱網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)泄漏，熱網(wǎng)現(xiàn)有供熱蝶閥關(guān)不嚴(yán)，無法將三期熱網(wǎng)系統(tǒng)徹底進(jìn)行隔離，對(duì)熱電管網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生極大影響[2-3]，所以急需開發(fā)滿足工況要求的零泄漏、可調(diào)節(jié)、開關(guān)定位、快關(guān)快開三偏心金屬密封蝶閥。

2 三偏心金屬密封液動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥技術(shù)要求、設(shè)計(jì)

閥門必須按API、ASTM 等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、選材、制造及試驗(yàn)。質(zhì)量管理及保證應(yīng)遵循ISO9001國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。三偏心蝶閥主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 三偏心蝶閥主要技術(shù)指標(biāo)

3 閥門設(shè)計(jì)研制

根據(jù)電廠使用工況和技術(shù)要求，閥門設(shè)計(jì)方案如下。

3.1 閥門的設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)所遵循的標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)及制造標(biāo)準(zhǔn)為API609、ASME B16.34。法蘭連接標(biāo)準(zhǔn)為ASME B16.47。檢查試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為API598。材料選擇標(biāo)準(zhǔn)為ASTM，電器防護(hù)等級(jí)要達(dá)到IP67[4]。

3.2 材料選擇、壓力等級(jí)的確定

由于閥門在最大工作溫度289.7℃時(shí)，最大工作壓力1MPa，介質(zhì)是水蒸汽。按閥門設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)ASME B16.34 中的壓力-溫度表，閥門公稱壓力為CLASS150 壓力等級(jí)時(shí)，閥體材料ASTM A216 WCB、蝶板材料ASTM A351 CF8，在300℃時(shí)工作壓力為1.02MPa，大于最大工作壓力，所以閥門壓力等級(jí)為CLASS 150。

三偏心蝶閥是扭矩密封，在高溫下密封扭矩比較大。壓力容器用馬氏體不銹鋼ASTM A479 431屈服強(qiáng)度620MPa 是奧氏體不銹鋼F316 或F304 的4.5 倍，在300℃的高溫工況時(shí)，屈服強(qiáng)度幾乎沒有降低，因此閥桿材料選用ASTM A479 431。

閥座用奧氏體不銹鋼鍛件ASTM A182 F304，密封面表面堆焊耐磨并硬度高（>HRC38）STL.21。密封圈采用雙相鋼ASTM A240 S31803（HRC30.6），比316 強(qiáng)度大彈性好，密封副之間的硬度差大于50HB，密封副之間不咬合，延長(zhǎng)閥門使用壽命。

蝶閥用在低壓缸零出力供熱技術(shù)的發(fā)電和供熱切換系統(tǒng)中，裝置上最高連續(xù)使用溫度298℃，要求在檢修周期內(nèi)（一個(gè)供暖周期）閥桿密封可靠并開關(guān)頻繁，滿足電廠防火要求，所以填料選用柔性石墨。根據(jù)工況，緊固件外部的（不與介質(zhì)接觸）選用B7/2H，內(nèi)部的（與介質(zhì)接觸）選用B8/8，密封墊片選用316+石墨。

3.3 蝶閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用三偏心蝶閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這種結(jié)構(gòu)保證蝶板密封只是在關(guān)閉位置時(shí)才與閥體閥座接觸，因此不會(huì)產(chǎn)生摩擦或磨損，延長(zhǎng)了閥門使用壽命，三偏心金屬密封蝶閥如圖1所示。關(guān)閉期間扭矩產(chǎn)生的密封力，均勻一致地作用在整個(gè)圓周周圍，確保密封接觸的均勻一致性，使得閥門能夠?qū)崿F(xiàn)雙向密封，達(dá)到零泄漏的要求。閥桿與蝶閥聯(lián)接如圖2所示。

圖1 三偏心金屬密封蝶閥

圖2 閥桿與蝶閥聯(lián)接

在線維護(hù)不需要把閥門從現(xiàn)場(chǎng)拉回工廠進(jìn)行維護(hù)，可以在現(xiàn)場(chǎng)更換閥座、密封圈、填料等易損件。蝶閥采用分體式，閥座和蝶板上的密封圈，均采用可以拆卸更換式的單獨(dú)部件，可以現(xiàn)場(chǎng)更換式閥座和密封圈，維護(hù)方便，真正做到在線維護(hù)

閥座和密封圈采用同一個(gè)斜度胎加工，用數(shù)控車磨一體機(jī)一次裝夾加工完成，從而保證閥座和密封圈密封面的角度和形狀的一致性，其之間的配合吻合度達(dá)到98%以上。浮動(dòng)式閥座和密封圈設(shè)計(jì)，能夠自行調(diào)整對(duì)中。提高閥座和密封圈的密封面之間的配合吻合度，從而提蝶閥的密封性能。

采用一桿式閥桿設(shè)計(jì)，從蝶板背面閥桿孔穿過，增強(qiáng)了蝶板強(qiáng)度。閥桿和蝶板聯(lián)接采用斜面銷，閥桿上在相應(yīng)位置開槽，蝶板上相應(yīng)位置打孔，該種結(jié)構(gòu)比圓柱銷去除閥桿的面積小1/2 以上，增強(qiáng)了閥桿強(qiáng)度，并且不用配打銷軸孔，各部件獨(dú)立加工，提高了工作效率。

由于安裝位置有高頻小幅振動(dòng)，所以零部件之間要有防松措施。蝶板與閥桿聯(lián)接的斜面銷的防松，斜面銷的角度為3°～5°，具有自鎖功能，外面有緊定螺釘鎖定并且斜面銷和緊定螺釘之間有雙面斜齒蝶形墊圈防松。密封圈防松，壓圈上的內(nèi)六角螺釘下面放有雙面斜齒蝶形墊圈防松。閥座防松采用雙層鎖緊螺釘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并在兩層鎖緊螺釘間放有雙面斜齒蝶形墊圈防松。機(jī)械限位裝置如圖3所示。閥座和密封圈鎖緊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 機(jī)械限位裝置

圖4 閥座和密封圈鎖緊結(jié)構(gòu)

用戶要求閥門在開關(guān)、50%開度位置要有機(jī)械限位裝置，保證在限位位置不移動(dòng)。由圖3（機(jī)械限位裝置）可知，在閥桿上裝有止動(dòng)盤，上面在相應(yīng)位置（開位、關(guān)位、及45°位）打有定位孔，在支架上裝有止動(dòng)頂絲，閥門在相應(yīng)位置將頂絲擰進(jìn)定位孔中，由鎖緊螺母鎖住。止動(dòng)盤通過雙鍵之閥桿相聯(lián)。

蝶閥在蝶板上下兩側(cè)分別裝有兩個(gè)各自獨(dú)立的定位套，保證蝶板在垂直方向?qū)χ校乐挂蛄黧w壓力、溫度的影響產(chǎn)生蝶板和閥桿組合件整體移動(dòng)、密封面咬合等情況發(fā)生，保證了閥門在任何工況下的正常工作。

采用柔性石墨唇形組合填料密封閥桿。唇形填料受預(yù)緊力時(shí)，唇邊易脹開，與閥桿和填料函緊緊相貼，密封效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通填料。

為了防止因熱輻射作用，使液壓執(zhí)行器部位溫度過高，影響液壓執(zhí)行器中橡膠類密封件的密封，采用加長(zhǎng)支架設(shè)計(jì)，高度加長(zhǎng)到450mm。保證液壓執(zhí)行器部位溫度低于80℃。

蝶板采用龜背、網(wǎng)格式加強(qiáng)筋流線形設(shè)計(jì)。該種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在不減小蝶閥強(qiáng)度的前提條件下，降低了蝶板重量，使三偏心金屬密封蝶閥在快開或快關(guān)時(shí)，蝶板慣性減小。蝶板開關(guān)時(shí)對(duì)閥門的沖擊減小，使得閥門在運(yùn)行平穩(wěn)、定位準(zhǔn)確。該種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使蝶板呈流線型外形，使介質(zhì)通過閥門時(shí)流體產(chǎn)生的擾動(dòng)小、紊流弱。從而減小了三偏心金屬密封蝶閥的流阻，使三偏心金屬密封蝶閥通過能力大，即閥門的流量系數(shù)大（Cv值大）。

3.4 液壓執(zhí)行器裝置的選擇

為了更好的控制三偏心金屬密封蝶閥開關(guān)、快速響應(yīng)、穩(wěn)定的壓力源，采用具有獨(dú)立的電動(dòng)液壓泵站的液壓執(zhí)行器。液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)上加裝閥門開度機(jī)械指示針。用戶可以直觀地觀察到三偏心金屬密封蝶閥是開還是關(guān)或是走位到哪里，防止誤操作。電動(dòng)液壓泵站上設(shè)有控制箱、手動(dòng)泵、蓄能器、儲(chǔ)油箱等。

用戶要求閥門快開快關(guān)（<15s）。為此采用高壓液壓站供油，油壓12～14MPa，以減少用油量，加大進(jìn)油管和回油管直徑，加大供油量，回油管徑大于進(jìn)油管徑，減少回油阻力。供油管接口尺寸Φ16×2.5mm，回油管尺寸Φ25×2.5mm。為了滿足防火和防護(hù)等級(jí)要求，液壓油采用抗燃油（EH液壓油)，具有一定的腐蝕性，所有密封橡膠件采用氟橡膠（FKM)。為了實(shí)現(xiàn)故障開功能，當(dāng)斷電時(shí)，電磁換向閥8 左位自動(dòng)接入系統(tǒng)，并啟動(dòng)蓄能器釋放高壓大流量液壓油，快速響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)三偏心金屬密封蝶閥故障開啟的功能。

電動(dòng)液壓泵站配有應(yīng)急手搖泵系統(tǒng)，在其他功能喪失的情況下可以手動(dòng)開關(guān)三偏心金屬密封蝶閥。

電氣系統(tǒng)中電氣控制采用可編程序控制器PLC模擬量模塊、FDPS開關(guān)穩(wěn)壓電源、MSC106-43訊號(hào)處理器和不間斷電源UPS 等部件，確保在無人看管泵站出現(xiàn)故障時(shí)蝶閥能夠正常工作，保障工作系統(tǒng)安全。可編程控制器PLC 模擬量模塊是電氣系統(tǒng)的中心部件，該控制器可以使用多種通用編寫程序編寫，并且可以反復(fù)修改和調(diào)整，通過輸入的控制程序控制蝶閥的動(dòng)作順序，可以滿足用戶的操作要求。設(shè)有的多處調(diào)節(jié)點(diǎn)，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況修改開啟和關(guān)閉設(shè)定程序，保證蝶閥能夠自動(dòng)按設(shè)定的時(shí)間及角度開啟和快、慢兩階段關(guān)閉。控制程序帶有鎖定程序，使用過程中只有輸入密碼，才能進(jìn)行參數(shù)變動(dòng)，避免了非工作人員的誤操作，進(jìn)一步保證了工作系統(tǒng)的安全[5]。不間斷電源UPS 置于電控箱內(nèi)，停電時(shí)自動(dòng)切換電源。保證停電時(shí)閥門也能完成正常的關(guān)閉動(dòng)作，保證系統(tǒng)安全。

4 結(jié)語

三偏心金屬密封蝶閥設(shè)計(jì)理念、制造工藝先進(jìn)，摩擦阻力小，驅(qū)動(dòng)力矩小，操作簡(jiǎn)便、迅速、靈活，使用壽命長(zhǎng)，整機(jī)運(yùn)行安全可靠，開關(guān)行程準(zhǔn)確，密封效果達(dá)到零泄漏，電氣系統(tǒng)防護(hù)等級(jí)達(dá)到了IP67 以上。在華能天津楊柳青火電廠低壓缸零出力供熱試驗(yàn)和一個(gè)共熱周期中，運(yùn)行情況良好，控制性能穩(wěn)定，信號(hào)傳輸準(zhǔn)確無誤，未發(fā)生任何故障問題，完全滿足電廠設(shè)計(jì)和工藝要求。