耐冲蚀调节阀流量特性分析及试验

汽轮机调节阀长期处于高温、高压状态，工作条件十分恶劣，特别在低负荷工况下调节阀承受的压差巨大，极易造成阀门零部件的冲蚀。为改善调节阀工作状态，减小汽流带来的冲击，通常可采用多级降压式的结构，如多层套筒式、多级阀芯式等，以提高调节阀的抗冲蚀性能，延长设备的使用寿命。

1 耐腐蚀调节阀的结构和工作原理

汽轮机采用节流调节，蒸汽调节阀为套筒结构，由于长期低负荷运行，滑阀腐蚀现象较为严重。

蒸汽调节阀应根据汽轮机的使用要求实现：

(1)在高压差和小流量工况下具有良好的耐腐蚀性。

(2)在大流量工况下压降小，减少汽轮机进气压力损失。

(3)调节阀流量特性曲线光滑连续，满足机组调节要求。

为使蒸汽调节阀满足上述功能要求，采用分段设计，结构见图1。

图1 改进蒸汽调节阀结构示意图

调节阀采用套筒结构，蒸汽从阀体底部进入，调节阀节流后从侧面流出。调节机构由鼠笼和套筒组成:鼠笼结构用于调节阀门开度小(流量不足30%)时的高压差工况；套筒采用一定型号线的窗口，用于调节大流量工况(流量超过30%)。

鼠笼结构采用小孔多级节流的形式，分为五级。各级小孔的直径和数量不同，通流面积从一级逐渐增加到最后一级。高压蒸汽从阀体进入鼠笼后，从内圈逐步膨胀到外圈，最后流出调节阀；第一级鼠笼孔布置在滑动阀底部。当调节阀打开时，第一级和第二级鼠笼的通流面积可以同时改变；为了满足汽轮机调节的需要，第一级鼠笼孔由上到下逐渐增加，使调节阀的通流面积和开度等百分比。

计算2 调节阀流量特性

2.1 调节阀流量特性的计算

蒸汽调节阀流量特性计算参数主要包括：

(1)套筒和鼠笼结构在不同开度下的总通流面积:

   （1）

(2)调节阀流量公式:

   （2）

式中：p₀调节阀门前压力；υ₀调节阀前蒸汽质量体积；Φ为阀门流量系数β_υ彭台门系数。

(3)彭台门系数公式:

   （3）

式中：ε调节阀前后蒸汽压比；ε_c蒸汽的临界压比。

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(4)弗留格尔公式:

   （4）

式中：Q_c、Q_cp额定工况下喷嘴变工和流量；p₁、p_1p额定工况下喷嘴前变工和压力；p₂、p_2p分级后变工和额定工况时的压力。

(5)流量守恒公式:

   （5）

根据上述计算公式，可以找出调节阀的流量特性，即在不同开度下调节阀的流量

   （6）

计算结果见图2。由于采用分段设计，相对开度为0.33(即鼠笼结构)调整时斜率较小；相对开度=0.曲线斜率立即增加，当相对开度=1时，流量达到最大值。

图2

2.2 间隙流对流量特性的影响

上述计算不考虑滑动阀与套筒之间间间隙对流量的影响。为了提高计算结果的准确性，进一步分析了调节阀的结构特性。图3为间隙流动计算节点图。

图3

当调节阀处于小开度状态时，蒸汽一方面通过一级鼠笼孔，另一方面通过滑阀与套筒之间的间隙。在间隙流计算节点图中，F_g1为滑阀下端与套筒之间的间隙，F_g2为滑阀上端与套筒之间的间隙，F_h1一级鼠笼级鼠笼小孔的通流面积，F_h2已打开二级鼠笼小孔的通流面积，F_h3为二级鼠笼小孔未开启的通流面积，Fs套筒的通流面积；p0为阀前压力，pa一级鼠笼和滑阀下间隙后的压力，pb二级鼠笼后的压力，pc第一次流过滑阀上间隙后的压力，pd第二次流过滑阀上间隙后的压力，pe阀后压力；Q1～Q七是蒸汽流经各处的流量。根据计算节点和流量守恒方程：

   （7）

在不同的开度下，Fh1、Fh2、Fh3.可根据前两级鼠笼小孔的分布计算，Fg1、Fg2可根据阀门结构尺寸和阀前压力给出p0和阀后压力pe(即喷嘴前的压力)，间隙泄漏后的总流量可以考虑Q。

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考虑间隙泄漏后，修正的开度-流量特征曲线见图4。与修正前的曲线相比，主要变化是开度小（x＜0.33)蒸汽流量增加；当开度较大时；（x＞0.33)由于压差较小，间隙泄漏对整个流量的影响较小。

图4 修正后的流量特征曲线

3 测试调节阀流量特性

调节阀试验台原理见图5。参与设备主要包括调节阀、汽轮机、负载等。调节阀开度可以改变汽轮机的进气量，负载的变化可以使汽轮机实现不同功率的输出。流量计、压力表分别用于测量蒸汽流量、压力、调节阀前后压力和汽轮机排气压力。

图5 调节阀试验台

给定蒸汽参数和负载后，测量调节阀不同开度下的通流量。图6显示了根据计算值和两次试验结果获得的开度流特性曲线。

从图6可以看出，试验值与计算值基本一致，但在小开度状态下，试验值略高于计算值，偏差的主要原因是：

图6

（1）间隙的影响。在计算中，滑阀与套筒之间的间隙为给定值，与实际工作状态有一定的偏差；此外，滑阀密封环也会产生一些泄漏，导致调节阀泄漏大于计算值。

（2）蒸汽参数和负载的影响。在试验过程中，蒸汽参数和负载有一定的波动范围，在小开度时，即使蒸汽参数或负载波动较小，也会对蒸汽消耗产生较大的影响。

(3)读数误差。开度-流量特性曲线是根据调节阀不同开度下蒸汽通流量的测量获得的。由于开度值是人工读取的，难免会有一定的误差，尤其是开度小的时候，会影响流量特性曲线。

以上三个方面是小开度下试验值与计算值偏差的主要原因。当调节阀开度增加，蒸汽流量大时，其影响降低。

4 结语

试验结果表明：

（1）滑阀与套筒之间的间隙增加了小开度时调节阀的流量，当开度增加时，间隙影响逐渐减小。

(2)调节阀流量特性的计算值与试验值一致，说明给出的计算方法合理，能满足工程计算要求。

(3)滑阀间隙、蒸汽参数、负载波动、读数误差等因素是小开度时试验值与计算值偏差的主要原因。