调节阀改型解决凝结水再循环管路振动的实践

刘奇洪

（神华浙江国华浙能发电有限公司，浙江 宁海 315612）

火电机组凝结水系统在轴封冷却器后有一路至凝汽器的再循环管路，设有调节阀和旁路阀。在机组启动和低负荷运行期间，凝结水系统流量较少，用调节阀调节凝结水再循环流量，保证有一定的凝结水经过凝结水泵和轴封冷却器，以带走凝结水泵机械功转化的热量，防止凝结水泵内发生汽化而引发泵水中断故障，并使轴封漏汽在轴封冷却器内正常凝结。机组正常运行时，凝结水再循环调节阀处于全关状态，凝结水不通过再循环管路，凝结水泵工作时需控制凝结水流量不低于最小流量。

由于凝结水泵在低流量工作时的出口压力较高，而凝汽器工作处于负压状态，凝结水经过再循环调节阀从高压到负压，容易出现汽化闪蒸现象，引发凝结水再循环管道强烈振动，所以凝结水再循环管路振动是发电厂常见故障。

1 设备概况

国华宁海发电厂一期为4×600 MW亚临界机组，凝结水由凝汽器的热井依次流经2台互为备用的凝结水泵、凝结水精处理装置、轴封蒸汽冷凝器（简称轴加）、凝结水再循环接口、凝结水调节阀 （并联旁路阀）、4台低压加热器，最后进入除氧器。凝结水再循环管路从轴加后引出进入凝汽器，如图1所示。凝结水泵为英国苏尔寿公司制造，型号为BDC 450-490 D+3S/33，经济工况的流量为1 429 t/h，扬程为3.35 MPa，设计最小流量为400 t/h。

图1 凝结水再循环管路示意图

凝结水再循环调节阀选用美国COPESVULCAN公司的GS系列直通型调节阀，主要参数见表1。

机组试运期间，凝结水再循环调节阀及管道都曾发生剧烈振动，并产生很大噪声。电建单位在再循环管道上加装限位支架，但效果不理想。正式投产后几台机组的凝结水再循环管道先后多次出现焊口振裂现象，严重影响机组安全运行。

表1 原凝结水再循环调节阀主要参数

2 振动原因分析

2.1 发生振动的原因

通常凝结水再循环管道振动的原因主要有：

（1）再循环调节阀选型不当，调节阀内凝结水发生汽蚀，产生强大的冲击力引起管道振动。

（2）管路布置不合理，如再循环调节阀为高位布置，而再循环管道至凝汽器的接口为低位布置，此种布置方式使调节阀背压更低，加剧阀后汽蚀现象。有些发电厂将调节阀设置在厂房零m层，调节阀出口管道与凝汽器接口布置在凝汽器高处，就是为了提高调节阀后背压，改善调节阀运行工况。

（3）调节阀后的管径及管件选型不当，消耗汽水冲击动能的能力不强。

（4）管道布置过于复杂，管道柔性大，容易发生振动。

（5）支吊架设计不合理，不能有效地制约管道振动。

若由于调节阀选型不当导致管道振动，调节阀便成为振动源。上述其它因素则会使管道原有振动加剧。

宁海发电厂凝结水再循环调节阀布置在汽机房6.4 m层，再循环管道与凝汽器接口处于-1.0 m左右位置，调节阀后工况相当恶劣。调节阀后管道长度约30 m，呈现管道柔性大特点，抗冲击能力弱，一旦管道发生振动，常会造成管道支吊架振断或者管道焊口开裂等严重后果。

2.2 管道振动与调节阀选型

在采购调节阀时，通常都会通过招标书将该调节阀常见运行工况（一般选3个）提供给供货商作为调节阀选型依据，包括调节阀流量、进出口压力、水温等运行数据。3个主要工况参数如表2所示。

（1）机组启动初期（工况1），除氧器不用补水，凝结水泵维持最小流量（400 t/h）运行，此时凝结水只经过再循环管道。凝汽器真空度不是很高，绝对压力约0.018 3 MPa。当调节阀开度83%时，流量350 t/h，小于凝结水泵最小流量400 t/h，凝结水泵有可能发生汽蚀。虽然将调节阀开至100%开度流量有可能超过400 t/h，但说明调节阀设计流量裕量不足，调节阀口径选择偏小。

（2）锅炉点火阶段（工况2），需要连续往除氧器少量补水，但凝结水主要经过再循环管路。这时凝汽器建立了正常真空，凝汽器绝对压力值接近0.004 9 MPa。

（3）机组启动后期（工况3），锅炉产汽量增大，要保证除氧器水位并提供锅炉所需给水。如果除氧器的补水流量仍小于凝结水泵设计的最小流量，则仍需一定流量的凝结水通过再循环管道，以保证凝结水泵出口流量大于设计最小流量。

在3个工况条件下调节阀运行都会出现空化或闪蒸现象，噪音超过85 dB（A）。空化说明凝结水在调节阀内发生汽化产生气泡，气泡破裂引起阀内部件严重损坏，使阀体产生剧烈振动并发出刺耳噪音。闪蒸说明凝结水经过调节阀后有部分液体汽化，出现汽液两相共存，对阀门和管道产生很大冲击力，引发管道剧烈振动。以上3个工况是凝结水再循环调节阀运行时间最多的工况，调节阀只有在这3种工况条件下均能良好工作，选型才算合理。

从以上分析可知，宁海发电厂凝结水再循环管道振动原因主要在于调节阀选型不当，其次是管道布置不合理以及调节阀后管道过长。要解决管道振动问题，必须从调节阀着手，尽可能消除振动源。若仅加固管道可能会适得其反，甚至更加危险。振动源消除了，管道振动自然就会减弱，因此必须重新选择合适的调节阀。

表2 原凝结水再循环调节阀工况参数

3 凝结水再循环调节阀改型

调节阀改型必须以消除空化、闪蒸为目的。要实现这个目的，需要从改变调节阀通径、阀笼结构及阀座口径入手。

3.1 调节阀通径的选择

原调节阀通径为100 mm，进出调节阀管道规格是Φ219 mm×7 mm，即管道通径约200 mm，在调节阀进出口处有明显的缩径。凝结水进入调节阀前缩径处流速必然会提高，加重了对阀内部件的冲击，容易引起阀门振动。另外调节阀通径小，阀体较轻，刚性相对差，抵抗介质冲击能力也较弱。

通常在调节阀选型时，阀门通径均选择比管道通径小，这样可在满足通流能力的情况下降低阀门造价。但从提高调节阀刚性角度看，凝结水再循环调节阀通径是越大越好，最好与管道口径一样，即调节阀通径也选用200 mm。

3.2 阀笼选型

由于凝结水再循环调节阀工况恶劣，入口压力3.0～3.5 MPa，出口压力为凝汽器负压，在调节阀内及阀后容易发生汽蚀。控制汽蚀的方法主要是控制压降、限制阀内流速，使阀内压力不低于饱和压力。汽蚀会严重损害阀内件，为减少损伤需增强阀内件表面硬度、提高材质等，使阀门成本上升。根据美国CCI公司产品说明介绍，单级压降容易使阀内压力低于饱和温度对应的饱和压力（即发生汽蚀的临界压力），从而发生汽蚀，如图1（a）所示。多级压降能更好控制阀内压力并使其高于饱和压力，如图1（b）所示。

实现多级降压通常有两种方式，其一是采用如美国fisher公司典型的多级阀笼，如图2所示；其二是采用美国CCI公司典型的迷宫式阀笼，如图3所示。国内厂家也有类似产品。

图1 调节阀压降控制图

图2 美国fisher公司多级笼罩示意图（左图为2级，右图为3级）

图3 美国CCI公司迷宫式笼罩示意图

多级阀笼基于流体逐级降压的原理，使流体经过多阀笼串联再流过阀座密封区，把压差分解，每一级都不超过临界压差，每个压力降的最低值均不低于Pvc值，因此产生连续的阶梯状分布的压力降。改变笼罩进水孔眼形状和布局可以实现不同程度的降压效果。为了防止高压差下的空化，提高阀芯阀座使用寿命，根据多级降压的原理，使每级阀笼上分担一部分压差，以改善高压差对阀芯阀座的冲刷和空化现象。

迷宫式阀笼由多个同轴圆柱盘（层）叠合组成，多层、多孔结构，曲折的流路迫使流体连续不断地改变流向，增大摩擦，形成高絮流，速度、压力梯次递减，消耗能量，降低了传播声路—节流通路声功率，从而降低每个流路的噪音能量级。除降噪音外，还可以预防闪蒸和汽蚀的发生。

由于原再循环调节阀采用普通单级笼罩结构，阀笼结构简单，不能有效降低或消除调节阀内汽蚀现象，所以运行中调节阀出现强烈振动。新调节阀宜采用迷宫式结构。

3.3 阀座口径选择

阀座口径越大调节阀通流能力越强，但阀座、阀芯、阀笼尺寸都会随之增大，阀门整体造价也会上升。在阀门开度一定的情况下阀座口径大则节流相对小（类似节流孔），有利于控制阀后的介质流速，从这个角度来说加大阀座口径有好处。在采用迷宫式阀笼的基础上阀座口径选用120 mm，比原来增加了20 mm。

3.4 产地选择

考虑新调节阀采用结构相对复杂、技术含量相对高的迷宫式阀笼，并且调节阀通径、阀座口径都增大，如果采用进口产品价格昂贵。而目前国产迷宫式调节阀在设计、生产工艺上已成熟，阀内件材质往往优于进口产品，且价格便宜。况且凝结水再循环调节阀只在机组启停过程中和低负荷时使用，机组正常运行时始终处于全关状态，使用不频繁，对调节精度要求不高。因此，选用国产迷宫式调节阀。

宁海发电厂一期4台机组凝结水再循环调节阀先后都进行了改型，均采用了上海华尔德电站有限公司生产的型号为ST648Y-40、规格DN200迷宫式调节阀。调节阀通径由原来的100 mm增大至200 mm，阀座口径由100 mm增大为120 mm，选用了抗汽蚀效果较好的迷宫式阀笼，采用以前的气动执行机构。

4 改型效果

调节阀改型后，4台机组再没有出现凝结水再循环管道振动现象，改善效果主要体现在以下几方面：

（1）原调节阀设计流量350 t/h，要保证凝结水泵最小流量400 t/h运行，调节阀几乎需要全开，对于调节阀这不是最佳工况位置，阀门容易振动。新调节阀设计流量增加到600 t/h，完全能保证凝结水泵的最小流量运行不受影响，阀门基本在最佳工况下运行，不易振动。

（2）新调节阀通径200 mm，与进出口管道通径一致，不存在缩径问题，进出调节阀介质流动更平稳，产生的扰动小。

（3）新阀门阀体质量比原阀门要大得多，抗外界冲击干扰能力强。

（4）新阀门采用迷宫式阀笼，结构先进，减少了汽蚀、闪蒸的发生，阀门及管道振动明显减弱，阀门噪音下降约15 dB（A）。

（5）由于通径及阀座口径的大幅提高，阀门通流能力明显增强。在相同流量下调节阀出口介质流速降低，介质对调节阀后管道冲击减弱，管道振动噪音相应减小。

5 结语

解决凝结水再循环管路振动问题，除采用加固管道、阀门后加装节流孔板、改变管路布置等方法外，对原凝结水再循环调节阀进行改型，削弱振动源，是解决振动问题的关键所在。采用国产调节阀还可以降低维护成本。宁海发电厂的凝结水再循环调节阀通过改型后，彻底解决了管路振动的问题，改型后效果良好，可为其它火力发电厂解决同类问题提供参考。

[1]陆培文.调节阀实用技术[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2]徐传海，李宏纲.凝结水再循环管道的防振动设计[J].热机技术，2004（2）：24-27.

[3]李学峰，尹丽萍.火电厂汽水系统调节阀的选择[J].管道技术与设备， 2009（4）：55-57.