常规岛再热系统高压加热器危急工况疏水调节阀的结构优化设计

李随义，杨熙翀

（浙江永盛科技股份有限公司，杭州 311400）

0 引言

再热系统高压加热器的功能是利用汽轮机高压缸的抽气加热二回路的给水，并接收汽水分离再热器疏水。通过提高回路给水的温度，进一步提高机组热力循环效率。当高压加热器出现高水位时，就要打开危急疏水调节阀快速排出疏水。高压加热器危急工况疏水调节阀作为再热系统重要阀门之一，因此危急疏水阀的运行可靠性和性能，直接影响机组的运行安全性和经济性[1]。根据在役危急工况疏水调节阀出现的一些问题，如高加危急疏水阀打不开、阀体冲蚀穿孔的这些问题，在设计过程中专门进行了优化设计，使该阀门具有更好的可靠性和使用寿命，保证再热系统的稳定运行[4]。

1 危急疏水调节阀运行工况参数及要求

要求高压加热器危急疏水调节阀具有高参数和长设计使用寿命的特点，如：1）密封等级要求高，泄漏量要求ANSI/FCI Ⅴ级；2）介质温度高，温度在210 ℃左右；3）压差大，最大压差达到2.5 MPa；3）阀门动作速度要求快，执行器失效全行程时间≤3 s，如果阀门动作超过系统响应时间，可能导致系统报警。

依据表1的工艺参数，通过选型软件计算得出6号、7号急疏水调节阀的选型参数如表2、表3所示。

表2 7号危急疏水调节阀的选型参数

综合表1～表3的数据可以看出，7号危急疏水调节阀最大压差达到了2.5 MPa，要求Ⅴ级密封，6号危急疏水调节阀最大压差为1.7 MPa，泄漏量要求同为Ⅴ级，且危急疏水调节阀会出现闪蒸，高流速等恶劣工况，为了保证危急疏水调节阀能在这些恶劣工况下可靠、稳定地运行，结合现役阀门的使用情况及此次参数的计算结果，对CAP1400机组常规岛6号、7号高压加热器危急工况疏水调节阀结构进行了如下优化设计。

表3 6号危急疏水调节阀的选型参数

1.1 先进预启式笼式导向设计

预启式笼式导向危急疏水调节阀的工作原理如图1所示，当阀门在要求关闭时，阀杆在执行机构的驱动下向下推动预启阀芯关闭，由于预启弹簧的反作用力，首先将使主阀芯和阀座密封面接触，随着执行机构输出力的增加，预启弹簧被压缩，预启阀芯随即关闭，此时介质通过主阀芯平衡孔和阀笼间隙进入阀笼上腔体，使阀芯部件形成背压，阀芯部件在执行机构和背压力的共同作用下，与阀座密封面严密贴合[3]。介质压力越高，阀门密封越严密，因此只需要较小的执行机构输出力就能实现阀门的严密、可靠的密封[7]。

图1 预启式笼式导向设计

当阀门打开时，执行机构带动阀杆向上移动，同时在预启弹簧的张力作用下，预启阀芯先打开，卸去背压力，执行机构只要克服阀芯组件的重力即可开启阀门。

采用预启阀芯来降低阀门启闭时所受介质不平衡力，使阀门能够进行比较平稳的开启和关闭，预启阀芯的流通能力要大于主阀芯与阀笼间隙的流通能力。预启阀芯的行程应控制在阀门额定行程的8%以下[2]，否则将会影响阀门打不开或小流量范围内无法调节的问题。为控制预启阀芯和主阀芯上下方向的振动趋势，在主阀芯腔体内设置一个高能蓄力弹簧，该弹簧具有良好的缓冲吸收振动的能力，能够很好地保持主阀芯和辅助阀芯在调节状态时的相对位置，保证调节性能的稳定。

同时阀芯导向采用特瑞堡TurconRM12材料的耐高温导向环，该材料具有耐高温、线膨胀系数小、摩擦因数低等特点，配合特殊切口设计可以完全消除阀芯卡涩、振动等问题。通过导向环和硬化处理的阀笼导向内壁相互配合，可以消除阀芯部件因高温膨胀而加大的配合间隙，降低了阀芯部件的振动风险，提高了危急工况疏水调节阀在苛刻工况下运行的可靠性。

如图2所示，通过高温热态性能试验发现，优化后的危急疏水阀在高温热态性能试验过程中动作顺畅、无卡顿，死区、回差等技术指标大大低于设计大纲要求。

图2 危急疏水调节阀高温热态性能试验

1.2 均压阀笼保护设计

从现役阀门的实际使用情况发现，由于管道杂质随介质流入阀芯、阀笼之间的间隙，造成阀芯卡涩，更有甚者一些硬质颗粒随阀芯动作划伤阀笼导向内壁，导致导向失效并引起阀芯部件振动。通过优化设计（如图3），在阀笼外设置1个带有细小出液孔的均压阀笼，通过均压阀笼过滤掉介质中的杂质和硬质颗粒，防止杂质、硬质颗粒进入配合间隙造成阀芯卡涩和阀座密封面冲刷，同时均压阀笼还会起到一定的稳流作用，避免高压介质直接冲击阀笼。

图3 均压阀笼保护设计

通过对试验后的危急疏水调节阀解体，发现阀腔内有大量焊渣、锈渣等硬质颗粒等（如图4），通过对比分析发现均压阀笼将管道内的大量杂质过滤在了阀笼外，起到了过滤保护作用，达到了此次优化设计的要求。

图4 阀腔内过滤出的硬质颗粒

2 阀芯部件可靠性优化设计

目前使用的同类产品大都采用了限位压盖、螺栓等机械连接方式将主阀芯和预启阀芯连接为一个整体，由于高压差工况下介质的流态为典型的高速喘流，流体产生剧烈的压力脉动和漩涡，诱发流体激振[5]，流体激振等原因会导致上述连接方式失效，造成主阀芯与辅助阀芯分离，阀门无动作。如图5所示，优化结构后的阀芯部件由主阀芯、预启阀芯、高能蓄力弹簧及重载轴向挡圈几个零件构成，阀芯部件零件数量少、质量轻、连接可靠，重载弹簧挡圈卡在主阀芯凹槽内，无需其他的机械方式固定，不会因为振动等原因造成螺纹松动、连接失效等致命故障的出现，并且弹簧挡圈选用高强度的镍基合金材料，抗剪强度高，可承受交变载荷冲击，大大增加了阀芯组件各零件之间连接的可靠性，并且挡圈安装简便，拆装容易。优化后的阀芯组件结构紧凑，体积和常规阀芯相同，可以完美互换，通用性强。当阀门动作时，预启阀芯打开一个小开度时，弹簧的预紧力将主阀芯和预启阀芯连接为一个可靠整体随执行机构的运动来改变流量孔的面积来调节流量的大小。

图5 阀芯部件可靠性优化设计

3 阀体免介质直接冲蚀设计

从目前使用的情况发现，阀体经常过早出现穿孔、渗漏等致命问题，无法满足机组60 a寿命的使用要求。因为危急工况疏水调节阀是在正常疏水阀不能及时将疏水排出的情况下，高压加热器处于高水位时，阀门需要快速打开将疏水排出的一个使用工况[1]，由于高压差，疏水通过阀座节流孔时流速急剧增加，同时静压力的骤然下降，部分介质汽化形成气体，出现一个气液共存的闪蒸现象，随着阀后压力的逐步恢复，气泡破裂而出现空化现象，由于气泡的爆裂，所有的能量集中在破裂点上，产生极大的冲击力会对阀体造成爆裂式的冲击破坏[6]，造成材料晶粒的不断剥离，阀体壁厚减薄，直至穿孔，同时产生振动、噪声等危害，引起管道、支吊架、管件产生疲劳破坏，甚至破裂，直接影响整套机组的运行安全[1]。为此优化了阀座结构（如图6），采用了多孔降噪、底部完全封闭，且内壁经过特殊硬化处理的防介质直接冲击的阀座结构，优化后的阀座相当于一个多孔阻尼装置，介质进入阀座后压力有所提高，从而大大减少了闪蒸量，有效地降低了流速，介质通过阀座侧壁的降噪孔流出，避免高速流体直接冲击阀体内壁，完全避免了高速介质对阀体的直接冲击，能够大大延长阀体寿命。

图6 阀体免介质直接冲击设计

4 结语

预启式笼式导向危急疏水调节阀，具有典型的耐高温、密封等级高、开关响应时间短等特点，优化的降噪防冲刷阀座能有效保护阀体受高速介质的直接冲击，很大程度上延长了阀门使用寿命，提高了机组的运行效率。通过热态循环等相关试验验证了此次优化设计的有效性，希望在后续大量的实际应用中进一步去检验相关的结构优化能否解决危急疏水阀在苛刻工况下出现的相关问题。