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电站用高温高压调节阀的选型分析

2009年03月17日

　　火力发电是由锅炉产生的高温高压蒸汽驱动气轮机运转发电，其发电量的大小主要通过主给水调节阀控制锅炉的给水量来实现。由于发动机组从启动到额定负荷运行过程中，锅炉的压力从很低（甚至零）逐渐升至额定值，因此，主给水调节阀的阀前阀后压差渐渐减小，也就是说阀在小流量（小开度）时，承受高压差，大流量时为低压差。在这种工况下，对调节阀是严重的考验，因此这些调节阀国内电站大都采用进口调节阀。

1 锅炉给水系统

目前最常见的锅炉给水控制由3大类型：

①单阀系统，即用一台调节阀控制给水系统开停车与正常运行（图1）；
②双阀系统，即使用两台调节阀控制，一台用于启动工况，另一台用于正常运行工况（图2）；
③变频调速泵系统（这里不讨论）。

2 调节阀使用工况

2.1 单阀系统

①电厂启动和停车时的高压降和严重气蚀（压差可达138kg/cm2）。
②正常运行的工况要求调节阀在较低压差状态下通过较大流量。
③在整个运行期间会发生严重的振动。
④要求阀门具备大的可调比。
⑤必须考虑高速流体所带来的冲刷磨损问题。
⑥最好不要将单阀方案使用在调峰电厂（经常需要停车的电厂）。

2.2 双阀系统（包含主给水阀和副给水阀）

主给水阀：
①正常运行时压差较小，流量大；
②剧烈振动；
③必须考虑高速流体所带来的冲刷磨损问题；
④需要严密关断。
副给水阀：
①电厂启动和停车时的高压降和严重气蚀（压差可达138kg/cm2）；
②剧烈振动；
③必须考虑高速流体所带来的冲刷磨损问题；
④需要严密关断。

3 调节阀的选型

　　众所周知，液体介质在高压差下会产生空化。研究表明，空化产生于液态区的汽泡，生成汽泡的必要条件是液态所处的绝对压力低于该液体饱和蒸汽压力Pv。如图3所示，阀座相当于节流孔板，高压流体流经节流孔时，静压能与动压能相互转换，流速的增加导致压力降低。当压力降低至等于或低于该流体在入口温度下的汽化压力Pv时，液体中的蒸发膨胀而形成汽泡，带有气泡的液体在宽敞的下游流道中流速下降，压力回升。当压力回升至Pv或高于Pv时，汽泡溃裂，这即是空化过程。汽泡溃裂时，释放出巨人的能量，对阀座、阀芯等节流元件产生破坏，即空蚀。空化的破坏力很大，据测算，汽泡破裂的瞬时压力高达300MPa，现有的工程材料难以抵抗其空蚀。对于不锈钢等塑性材料，在空化作用，将产生麻点腐蚀起码到呈蜂窝状空洞损坏;而对于硬质合金等脆性材料则产生碎块损坏。

　　需要说明，这里所讲的空化（caviation）或空蚀，即通常所说的气蚀。那为什么不用气蚀这个词呢?如前所述，空化是一个过程，空化不一定，也不仅仅产生空蚀，只有当高压液体流经阀的节流口后，其出口压力P2等于或高于该液体的汽化压力Pv时，汽泡破裂所释放的巨大空化能才对节流组件产生破坏，即空蚀。如果出口P2低于汽化压力Pv流出，节流降压过程所产生的汽泡就不会破裂，而是夹在液体中成为“二相流”，通常称为“闪蒸”流动。闪蒸流动一般不会对节流元件产生破坏，但会产生阻塞流，而使调节阀流量减少，与此同时，还会产生强烈的噪声和振动，该噪声称为空化噪声。由此可知，空蚀或气蚀仅仅是空化过程的结果之一。因此，我们所讲的防空化要领即基于此。防空化，即是防止其流体在节流降压过程中产生汽泡，当然也就不会有气蚀，更不会产生闪蒸流动.这和防气蚀是不同的，防气蚀是指汽泡产生了，但不让其对节流元件产生空蚀。如前所述，由于空化能很高，只有在压差较低的情况下选用适当材料才能延缓其空蚀，但不能有效抵抗空蚀。因此，防空化是治本、治源，是积极的办法，而防气蚀则是治标而且往往难以实现。

　　因此，锅炉主给水、副给水等高压差调节阀如果没有防空化功能，在高压差下通常使用二三个月，甚至几小时，其节流元件即遭受严重空蚀，致使其阀座泄漏量高达额定流童的30%以上而丧失调节控制功能。空化与压差直接相关。如果将产生空化的压差定义为临界压差△Pc，则当液体流经调节阀所产生的实际压差△P<△Pc，并在流体流经阀门节流口处的缩脉压力PVc。高于该液体入口温度下的汽化压力Pv时，就不产生空化。由此，将阀的总压差用分级降压的办法，使每一级压差△P1<△Pc，即可防止空化产生，这即是现今各种多级降压防空化高压差调节阀的理论基础。