高温蒸汽阀门热力特性的若干问题探讨

李豪

（长沙日丰机电科技有限公司，湖南 长沙 410007）

高温蒸汽阀门是用于高温蒸汽调节压力、流量、切断流体、改变流向的执行器，高温蒸汽调节与控制一直是自动控制实际执行中的难点，尤其在高温和超高温条件下的切断难度更大。这点在材料因高温膨胀而产生卡阻和切断上有明显体现。因此，高温和超高温的控制始终是国内外研究工作长期的工作重点。在流程工业流体调节系统中，阀是必不可少的重要设备，是自动控制系统中重要的由控制机构和阀门两部分组成的开关控制元件。从流体力学的观点看，阀是局部阻力可以变化的节流部件，按照输入的信号，通过改变阀芯开度的方式，进而改变阻力系数，从而达到控制流量、压力等参数的目的。高温蒸汽阀要有效可靠运行，需要全面了解阀工作中的热力特性，需研究解决好一系列的热力学问题。

1 高温蒸汽阀门的应力问题

高温蒸汽阀门的应力分析包括两方面的联合作用：压力作用产生的应力，热载荷作用产生的应力即阀的内部将会产生一种由温度变化而产生的热应力。这两部分应力都必须综合考虑。

选取适当结构的模型建立之后，对于阀体应力场的计算分析，需要建立在温度场分布规律已知的基础上才能进行，而温度场和应力场都必须使用美国研发的ANSYS通用软件进行计算分析。

不稳定传热过程会导致金属内部温度的分布不均匀，产生热应力造成阀体内部膨胀而导致变形，甚至影响到阀体的正常使用年限，因此，此次研究先在稳态工况下对温度场进行建模。边界条件的设计要慎重，在阀体的进、出口部分，一般沿径向温度变化较大而沿轴向温度变化不大，高温蒸汽流可作热源，视为对流换热情况的处理。将模型导入ANSYS软件，即可得出温度场分布规律图。

因为超临界主蒸汽阀通常安装在存有高温高压蒸汽流量的工作环境下，因此对阀门外壳耐压能力的要求非常苛刻，所以必须进行应力计算分析。温度不均匀场所引起的梯度越大，热应力也就越大，因约束条件的轴对称性，将对称面径向位移设为零，以应力敏感较远的边界点和表面作为位移约束，计算构件不产生线性及角形变；阀内流体内压力产生的压应力，随径向尺度增大而增大，计算压应力时，约束条件一般设定为阀体与流体界面压力。结合温度场分布图，算出热应力场分布图，由热应力场和压应力场可以得出最后的总应力场。

2 高温蒸汽阀流体流场分析

高温蒸汽流在流进阀门后，阀通流部件的内表面将与高温蒸汽流发生作用，使流体压力、速度、流动方向发生改变，如流阻、旋涡、回流，阀也将会受到温度、压力、冲击等作用，产生振动、联接部松动、密封件受损等问题。

2.1 高温蒸汽流在阀通流体流动特性

在阀门开度逐步增大时阀门的内部流场，高温蒸汽流在阀门前后产生压力降，不同结构通流体的阀具有不同的流阻系数和流量系数关系，当阀芯开度较小(小于15%）时，阀门的流阻较大，流量系数很小，并在阀门的出口段形成一个很大的漩涡回流，阀芯内部也产生了较明晰的涡流。随着阀芯开度的增大(大于15%仍然小于35%），阀门前后压降最快，阀后涡流回旋相对减弱，即流阻系数继续减小，流量系数增大但不明显，阀芯处的涡流也随之减小。随着阀开度的继续增大（大于35%小于65%），流阻系数急剧减小，流量系数的增大加快，且开始呈上抛物线增大。在阀芯开度为66%～85%的区间内，涡流影响渐渐减弱至消失，流量系数曲线的曲率变化增大，即流量系数变化也最大，阀门前后压降趋于平稳。当阀芯开度大于85%时，流量系数曲率变化最大，同时流阻系数减小，趋于一定值。

2.2 主蒸汽阀系统部分

根据所提供的资料和数据，确定了主蒸汽压力，温度，以及流体的密度。这种类型的单元计算所需要的边界条件，在额定条件：流入口参数和流体密度的截面积，流速和入口，和流体的密度，恒定的横截面面积，所以在入口流动的情况下，速度一定时，根据公式V=G/（P），流速，流量比例，使流体密度和流动截面面积成反比。因此在速度恒定的入口，可以设置为速度入口边界。为计算方便，参考压力设置为0的网格的边界条件，如前所述，边界条件设置为固壁边界。计算加载过程中的能量方程，计算过程中，能量方程是不公开的。利用K-ε两方程湍流模型。通过计算和仿真实验得出，额定流量下的进出口压差，蒸汽阀开启阻力系数，压力损失率和相同的阀门开度，阻力系数的变化规律，阀门的压力损失率和主蒸汽压力在不同的Re数和入口速度。

3 高温高压导致的蒸汽阀门内漏及其危害

许多人认为，在电厂处于关闭状态，且在高温高压下操作阀门，阀门肯定会出现内漏。事实上，在这个状态，阀门内漏后，阀体的温度要高，但阀体温度高，不一定所有阀门内漏。管壁和壁面温度之间的温度差，这2个数据作为判断阀门内漏的依据，阀后的管道阀门，混凝土温度值对应的阀门内漏。

在电力、石油、化工等行业的高温蒸汽系统中，因其高温及高压造成系统中高温蒸汽阀门经常出现内漏。内漏在大压差及高温蒸汽的不断冲蚀下，阀门将很快失效。阀门内漏将直接增加阀门维护、修复、更换的生产费用，造成极大的能源浪费，给企业带来巨大的经济损失。阀门内漏可能对下游设备造成损坏，对周边的工作人员也是潜在的危险因素；阀门泄漏严重时，有可能使机组被迫停机，造成非计划停运等电力生产事故；阀门的泄漏影响到电厂的环境与社会形象；阀门内漏造成发电机组的效率降低，单位发电量的二氧化碳、二氧化硫、氮化物等污染物排放会增加；阀门内漏使部分高温高压的蒸汽、水排入大气中，增大周围环境的热污染同时，也存在很大的安全隐患。高温蒸汽阀门内漏是一个世界性难题，国内外阀门制造厂家都在不断改进、探索，但始终没有摆脱传统结构中单阀座、单密封的影响。对高温阀密封件，普通材料抵御不了大压差的冲蚀，适当硬度的材料与阀门合理的密封结构，才能有效解决此类问题。

4 基于热力特性的高温蒸汽阀门内漏检测

热力系统高温蒸汽阀门内漏危害很大，但阀门是否出现内漏，要准确进行判断并不容易。用阀体温度进行判断是很常用的判断方法，大部分情况下没有一个绝对的温度标准，测量阀体的温度与正常关闭的温度，若偏离较高，即可认为阀门已经发生了内漏。

4.1 选择测温点及测试

阀体上测温度只能做为重要的参考数据。阀前或阀后不应该出现流体流动的地方，出现了工质的流动或外泄，由于高温高压流体的流动或外泄而使阀体温度高，这对于复杂的热力系统，还应增加阀前的温度测量，测量位置应选择在阀前不远处。

表1 基于热力特性阀门内漏判别依据

4.2 基于热力特性阀门内漏的判断

利用阀门后管壁温度、阀门前后的管壁的温差2个数据，作为阀门是否内漏的判断依据，内漏状况对应的具体的温度数值说明阀门的内漏情况，见表1。

在诊断阀门是否内漏时，基本上都使用红外线测温枪进行温度测量，根据该测温仪的工作原理，离测温点距离越近，测量误差才更小，因此出现测量数据不合逻辑时，应尽量近距离测量。

5 结语

分析了热力系统高温蒸汽阀门内漏的危害性，讨论了高温蒸汽阀门是否出现内漏的热力特性，要确定阀门是否出现内漏，常用的是基于热力特性的判断方式，分析得出确定内漏阀体测温点及判别标准和流体外漏阀体温度将会偏高的结论。