超临界锅炉吹灰调阀改造

戴云飞

(宁夏京能宁东发电有限责任公司，宁夏 银川 750400)

1 锅炉吹灰系统设备简介

某厂2×660 MW—HG-2210/25.4-YM16型锅炉是哈尔滨锅炉厂自主开发制造的燃煤超临界压力变压运行，一次中间再热，π型布置，单炉膛，尾部双烟道，全钢架，悬吊结构，采用不带再循环泵的大气扩容式启动系统的直流660 MW锅炉。

锅炉本体吹灰系统的蒸汽汽源一路取末级过热器入口集箱，汽源压力为25.9 MPa，温度为532 ℃，减压阀供汽量20 t/h；另一路取自炉左再热冷段管道，汽源压力为4 MPa，温度为315 ℃。两路汽源均设置减压站且可互相切换使用。末过入口集箱汽源减压站配1台截止阀、电动截止阀、气动调节和安全阀，再热冷段管道汽源减压站配置1台手动截止阀、电动截止阀、电动调节和逆止阀等。

锅炉主汽供吹灰调阀型号为DN50，PN500，阀体材质F22，配FISHER气关式667型执行机构。入口管道规格材质为φ89 mm×20 mm，12Cr1MoV。出口管道规格材质为φ60 mm×11 mm/φ133 mm×16 mm,20号。

2 吹灰调阀运行现状及原因分析

2.1 吹灰调阀存在的问题

自机组投产后锅炉吹灰调阀在检修时多次发现阀芯冲刷、阀座压痕较深，阀座、阀轮内圈汽蚀冲刷，内漏严重，阀体有2条长约50 mm裂纹，若继续长期运行，则存在较大的安全隐患。

图1 吹灰调阀阀体裂纹

2.2 原因分析

2.2.1 吹灰调阀内漏的原因

主汽供吹灰调阀阀轮为普通鼠笼套筒单座结构，单级节流降压，该形式的阀门驱动所需要的力矩相当大，导致阀杆粗壮，传动机构笨重，尤其是在使用过程中压力很难稳定降到需求值，加之前后20 MPa左右超大压差，阀门在开关及运行中会产生严重的汽蚀现象；并且传动机构经常发生、突开、突关缺陷导致阀芯与阀座产生撞击，损坏阀门密封面，长期运行导致阀门密封不严，内漏严重，关闭阀门1 h后阀门后管道温度仍达350 ℃。

图2 主汽供吹灰调阀阀轮

2.2.2主汽供吹灰调阀阀体裂纹原因

阀体设计材质为12Cr1MoV，现场光谱仪检测阀体材质与15CrMo化学成分相符，见表1。

表1 15CrMo和12Cr1MoV化学成分对比[1]

表2 15CrMo和12Cr1MoV力学性能对比[1]

从表1和表2可以看出15CrMo和12Cr1MoV两种材质化学成分及力学性能相差不大。根据NB/T47044-2014电站阀门要求在530 ℃、PN500系列下15CrMo材料的压力-温度额定值规定最大允许工作压力为21.02 MPa，在530 ℃、PN500系列下12Cr1MoV材料的压力-温度额定值规定最大允许工作压力为27.44 MPa[2]。锅炉厂计算的分隔屏过热器设计工作压力为25.97 MPa，已经大大超过了15CrMo材质对应的压力-温度额定值的规定，故可说明阀门压力等级及材质选用过低，不能满足现场使用要求，长期运行导致裂纹。伯奴利方程如下：

(1)

式中：p—流体中某点的压强;

ρ—流体密度;

v—流体该点的流速;

g—重力加速度;

h—该点所在高度;

C—常量[3]。

根据伯奴利方程，管道内流体的流速提高,压力就会下降。如果液体流经管道节流处的压力高于或低于汽化压力将产生汽蚀或闪蒸现象。气蚀与闪蒸是由于管道节流引起的，阀门就相当于管道的节流。闪蒸最严重的破坏发生在流速最高处，即阀塞阀座处。冲蚀是闪蒸破坏的直观表现，汽蚀发生时，气泡破裂释放的能量使阀塞、阀座甚至附近管道损坏，并伴发噪声[4-5]。从现场运行时阀门及管道存在噪音且振动大，解体后内部汽蚀、冲刷严重即可判断汽蚀与闪蒸是致使阀门产生裂纹的原因之一。

根据机组运行状况需要吹灰时，当值人员将各疏水阀打开后，开启吹灰蒸汽电动门及调阀开始暖管，当疏水温度达到280 ℃或疏水时间达20 min，疏水阀关闭，吹灰蒸汽压力达2.0 MPa后，吹灰器开始工作。两次吹灰间隔时间较长，管道内部蒸汽凝结后，水汇集在管道内及阀门入口处，在开启吹灰蒸汽电动门及调阀后高温、高压蒸汽经过阀门，此时在阀门各部件温度梯度较大，存在较大的热应力，长期冷、热态交替运行导致了阀体产生裂纹。

综上所述，阀门压力等级及阀体材质选用过低，加之阀门长期处于冷、热态交替运行状态，阀体温度梯度较大，热应力无法有效释放导致阀体产生裂纹。

3 吹灰调阀优化改造

为了确保改造后的吹灰调门满足现场安装、使用要求，新阀门性能要求及质量标准必须满足以下要求：

(1)新阀门尺寸尽可能与原阀门一致，便于现场安装施工，且阀门满足所安装系统的设计参数要求。调节阀压力等级按系统最大压力和设计温度选取，并考虑管道做严密性试验时，阀门应能承受此压力。阀门应能在0%～100%范围内进行灵活调节, 特别要求能实现小开度调整。

(2)阀体结构具有良好的抗热冲击能力，结构设计具有易维护、噪音低、结构紧凑、动作灵活、调节区域大和灵敏度高等特点。

(3)阀内件需满足现场压力和流量调节的需要，阀芯及阀座应耐磨、耐冲刷，便于检修、拆装与研磨。阀门能在冷热状态下灵活关闭，不得有卡涩、内漏现象。

(4)阀门在运行累计9 000 h内，阀门易损件不得损坏，阀门不得泄漏。确保阀门使用寿命为10年以上，且3年内无内漏、卡涩、线性调节不好等问题。

3.1 阀门结构的选择

(1)阀门按压差的大小可以采用不同的节流级数，所谓节流，就是介质在正常通道，正常流速下，流经至渐缩的狭小通道，此时流速骤增，速度变大，随后通道骤扩，又变回正常通道、正常流速。每经过这一循环，就为一级节流。这样，通过多级降压减轻了汽体对阀门的冲击和震动，降低了噪音，同时也避免对阀门密封面的冲蚀。将吹灰调门改造为4级节流降压的结构，可确保大压差下的运行效果。国内同类型阀门最多已达到20级节流，最高实现31 MPa的压降，并在超临界机组上得到成功应用[6-10]。

(2)阀门开启后温度急剧上升，但整个阀体的温升是不均匀的，阀座温升最快，阀体稍慢，温升后都要产生热变形，由于阀座与阀体的材质不同，热膨胀系数不同，导致变形不同步，易产生应力集中，加之震动的存在，长期运行产生裂纹。鉴于此，采用了镶装式分体阀座，杜绝了裂纹的产生。

图3 改造后主汽供吹灰调阀结构

3.2 阀芯结构的选择

阀芯选择预启式阀芯，在大阀塞中设置1个平衡压力的小阀塞，用碟形弹簧将大小阀塞推开，当阀门开启后，阀塞上下腔是连通的、平衡式阀芯；当阀门全关后，小阀塞因执行器的作用而将碟簧进一步压缩，最后小阀塞关闭，整个阀塞由平衡式变成非平衡式，达到零泄漏。碟形弹簧是预启式阀芯中的关键部件，其作用是阀门运行时将预启阀塞与主阀塞推开，使阀塞为平衡式，使用的是弹簧预变形时产生的作用力。当主阀塞关闭后，执行器进一步推压阀杆使作用力进一步压紧弹簧后，预启阀塞关闭，整体阀塞变成非平衡式，关断严密。

3.3 设备材质的选择

为确保阀门各部件适应在高温、高压差下运行，满足耐冲刷、耐汽蚀的条件，改造后的阀门阀杆为X20CrMoV121，阀座X22CrMoV121，阀体为12Cr1MoV，并进行2次以上的渗氮处理。高合金钢X20CrMoV121属于马氏体型耐热钢,该种钢可以耐使用温度达650 ℃，在进口火电高温高压机组管道中应用较广,一般处于调质状态,其抗拉强度达685～833 MPa。X22CrMoV121是一种耐高温不锈钢，其抗拉强度达800～950 MPa。阀体材料的焊接性能应与相连的管道材料焊接性能相适应，以便于安装施焊。

3.4 执行机构的选择

阀门配套的双作用气缸执行器BPDV系列，推力32 kN,气源压力0.5～0.8 MPa；配西门子ABB双作用定位器，SMC减压阀，SMC闭锁阀；双作用气缸执行机构运行可靠、准确、灵活，执行机构必须满足阀门在调节中的稳定性，不得出现定位不准确以及摆动不正常现象；执行机构和阀内件在工作中达到良好配合，阀门调整灵敏准确，无内、外漏现象，保证设备良好稳定的运行。

4 吹灰调阀改造后效果评估

统计吹灰调阀改造前后吹灰系统疏水至压力稳定时间段内的阀门开度与压力参数，共计选取50个不同开度对应的压力点绘制成阀门特性曲线，如图4和图5所示。

图4 主汽供吹灰调阀改造前开度与压力曲线

从图4主汽供吹灰调阀改造前开度与压力曲线可以看出：阀门开度从全关开至40%时，吹灰系统压力均为0.103 MPa，系统压力随阀门开度增大无变化，阀门开启过程中阀门死区较大。阀门开度从40%开至56%时，系统压力达到2.334 MPa，超过了设定压力2.0 MPa。按照吹灰逻辑要求，在系统压力大于2.0 MPa且阀门开度减小的过程中，系统压力总体随开度减小而降低。在阀门开度减小至50%时，系统压力2.547 MPa，随后阀门突开至70%后全关，系统压力最大达3.126 MPa。阀门重新开启后，经过一次开度和压力的增大-减小-增大波动过程后，阀门开度、系统压力趋于稳定，满足吹灰压力条件，该过程共计用时约22 min。

图5 主汽供吹灰调阀改造后开度与压力曲线

从图5主汽供吹灰调阀改造后开度与压力曲线可以看出：阀门开度从全关开至35%左右时，系统压力随阀门开度增大而增大，阀门开度小幅度波动对系统压力影响较小，系统压力整体呈上升趋势，无大幅度波动。阀门开至35%以后，随着吹灰系统疏水时间的增加，系统压力最终稳定在2.028 MPa左右，对应阀门开度在30%左右，阀门开度、压力均稳定，满足吹灰压力条件，该过程共计用时约3 min。

从主汽供吹灰调阀改造前、后开度与压力曲线对比可以看出：改造前阀门调节特性不稳定，在一定的阀门开度区间内死区较大，较大开度对系统压力影响不大，阀门存在突开、突关现象，系统压力波动大，疏水达到稳定压力时间较长。改造后的阀门开度小幅度波动对系统压力影响较小，系统压力整体平稳，无大幅度波动，能够实现小开度调整，疏水达到稳定压力的时间较短。

5 结 语

通过对660 MW等级超临界锅炉吹灰调门改造，有效解决了普通单级鼠笼套筒单座结构调节阀存在频繁内漏、调节线性差、卡涩、管路振动、噪音大等问题。多级节流降压分体式调节阀可实现吹灰系统的快速压力稳定及阀门的小开度调节，密封性优良、调节稳定性高、管路无振动、噪音小，对同类型火力发电厂锅炉吹灰系统调节阀选型、改造有借鉴意义。