基于新型中压调节阀设计的供热调节设计

王 瑞

（重庆川仪调节阀有限公司，重庆 400707）

0 引言

4.0MPa左右的中压蒸汽广泛应用于化工工艺中，高效中压汽轮机可通过与供热控制相连的中压控制阀向加热段输送大量中压蒸汽。这种供热改造项目的优点是投资少，施工时间短，利润高，市场前景好，推广价值大。后加热段供热改造的关键在于如何提高汽轮机中压调节阀的控制能力，以及如何确保供汽质量和可靠性[1]。

在现有的再热汽轮机中，除个别机组的中压控制阀设计为参与热量输入外，大部分机组的中压控制阀在运行过程中并不独立参与负荷控制，其控制特性相对较差。在中压控制阀参与热输入控制的情况下，由于必须对阀板进行调节以控制热输入流量和压力，因而阀门通常位于阀板上下游压差较大的小型或中型孔板上[2]。如果使用传统阀门来控制供热量，在供热条件下，阀杆有可能过度振动。如果大量改造项目在热泵过热段进行泵送，则必须更换特殊的控制阀。本文提出了一种主要可用于此类供热的新型阀门设计方法，并对典型供热条件下的流场进行了分析。

1 中压调节阀的设计方案概述

常见的涡轮控制阀设计包括几种主要类型，如图1所示。图1（a）所示的球阀具有高流量系数和低阻力；图1（b）所示的圆盘阀扩散角略小，由单个圆弧连接；图1（c）所示的平底笛形阀的设计使碟形阀的底部减少了对喉部蒸汽流动的影响。连接圆顶管线下方的尾部被完全阻断，阀板形成锥体的一部分[3]。试验表明，这种管路具有出色的抗振性、低脉动力和良好的稳定性，但阻力系数略高。图1（d）显示的是缺口阀“G1”型，其特点是这种执行机构将接触线部分从球面圆盘头上切断，并将其沿锥体部分固定，因此蒸汽流的脉动力介于图1（b）和图1（c）之间。

图1 几种典型的阀碟与阀座型线Fig.1 Several typical valve disc and seat profiles

大量流体力学和运行研究的数值结果表明，在上述类型的中小孔径调节阀中，阀板受到碰撞，出现滞流现象，阀座下出现图2所示的“气蚀区”，蒸汽流从阀板形成的环形流道汇聚到阀板上，空化区由此形成。在粘性作用下，空腔区的蒸汽继续被下游蒸汽流排出，而周围的蒸汽流继续渗透，充满空腔，形成非静止流。随着阀门冲程的增大，空化区减小，流场分布趋于均匀，波动流逐渐转变为粘滞流。

图2 空穴区域示意图Fig.2 Schematic diagram of hole area

2 参与供热控制的中压调节阀设计新方案

阀瓣下“空腔”区域的不稳定气流是造成喉管附近流体参数分布不均的主要原因，从而引起阀瓣和阀杆的振动。在中小孔径调节阀的运行过程中，空腔区域气流长时间的突然变化是衡量设计是否合适的重要标准。由于调节阀的设计尺寸较小，由气流力引起的阀瓣和阀杆的表面积也相应较小，因而阀杆振动问题可能并不明显。随着设计尺寸的增大，由气流激振力引起的阀瓣和阀杆表面积也相应增大，中压控制阀的大尺寸设计会显著增加振动风险，这是因为冷凝器再热控制阀仅相对于主蒸汽控制阀开启，用于两级串联旁路的斜率控制，或有时参与低负荷控制（通常小于30%的负荷）[4]。低负荷时，再热调节阀内压力低，阀板上下游压差小，蒸汽容积流量大，阀门开度相应大，流场分布趋于均匀，阀板和阀杆因蒸汽流动而产生的流量小。对于大流量热泵机组的热力部分，中压控制阀往往需要用中压孔板控制热流量和压力。再热部分的蒸汽排气会导致低压和中压气缸中的蒸汽流量减少，从而降低中压控制阀下游的压力，通常会增大阀门上的压差[5]。向加热装置供应蒸汽的过热器部分的中压控制阀的运行条件，可以概括为与单独的凝汽式汽轮机的运行条件明显不同。如果在清洁凝汽式机组中继续使用常用的中压控制阀，尺寸较大的阀板将显著增加“空腔区域”中不确定流动所产生的力，并极有可能导致阀杆振动等问题。下文将提出一种新的中压控制阀设计方案，主要通过根据再热段的加热条件改变流量特性，提高中小孔径阀门的运行安全性和可靠性以及控制性能。

这项工作主要从3个方面入手，提出了一种与热流控制方案和结构设计相关的新型中压控制阀。

1）中、小冲程长度的离心式压力控制阀，喉部由阀板下端和阀座通道上端组成。在上扇区设计阀板导向和阀座，以提供具有缝合开口幅度的通道喉区，从而改善调节器。

调节阀可精确控制热流量和压力。同时，参与加热控制过程的阀门行程变化幅度也相应较小，提高了液压执行器运行的稳定性。

2）对阀板、阀座和阀壳进行相应的优化，可以改变流道的形状和截面，更好地满足蒸汽膨胀的需要，防止在中小孔道中阀板底部形成空腔，降低阀板中蒸汽流动的激振力，提高阀门运行的稳定性[6]。

3）优化自由起动阀的设计，利用未加载腔流出的蒸汽，改善阀盘下的流场分布。独立设计，中压调节阀和主蒸汽阀采用阀杆、阀板、阀座等部件独立设置，阀体和阀座共用的阀门方式，主蒸汽阀水平布置，调节阀垂直布置，无主蒸汽阀和调节阀时采用焊接对应阀壳，整体几何形状如图3所示。

图3 中压主汽调节阀总体布置图Fig.3 General layout of medium pressure main steam regulating valve

如图4所示，在控制阀阀盘和阀盖延伸部分之间安装了一个导向销，以防止阀盘在蒸汽流动过程中旋转，控制阀采用自由启动阀结构。自由启动阀盘和阀杆为一体化结构，自由启动阀座集成在控制阀阀盘内部，中海与东洋660MW：超高压二次加热调节阀预启动阀的设计与不带预启动阀的空载腔气压性能对比分析。结合预启动阀，阀门下的流场更加对称，阀门在阀杆噪声和振动方面也表现得更好[7]。究其原因是因为在空腔区域，从干排放腔流出的滞留流体的粘性效应会导致部分蒸汽逸出。因此，新设计的自由启动阀的中压调节阀，旨在优化排出室流区的合理结构。当蒸汽流经排出室流区时，足以将空腔区的部分蒸汽阻力降至板面以下，同时将提升力控制在合理范围内，减小空腔区的尺寸。

图4 新型中压调节阀结构简图Fig.4 Structure diagram of the new medium pressure regulating valve

调节阀的流场结构主要分为阀体腔、阀板底部和阀座三部分，而阀座中的环形通道和延伸通道[3]根据对调节阀流场的多次数值分析和实验研究，阀体腔的空间相对较大。由于尺寸较大，流速降低。当蒸汽进入系统时，流速会降低。气动参数的微小变化：当蒸汽在环形通道中进入阀板和阀座时，蒸汽的快速膨胀会导致静压在极短的冲程时间内迅速下降，图5所示为阀瓣开启流道变化过程示意图。

图5 调节阀开启过程流道变化示意图Fig.5 Schematic diagram of flow channel changes during regulating valve opening process

阀座与孔板、阀喉与圆盘的部分俗称第一喉。阀座上流量最小的部分通常称为第二喉管，其流通面积始终相同。随着阀门的开启，第一喉管的流通面积逐渐增大，当开启度达到一定值时，阀门流量不再随行程的增加而变化，此时阀门为干开。中压控制阀主要参与控制由于初始喉管流量变化而引起的加热。

图5显示了新型阀门结构中阀瓣和阀座的主要参数。新型中压调节阀的阀瓣采用类似子弹头的大弧形转子部分作为基本结构，因此阀瓣的流通部分较长，阀座采用锥面。通过改变圆盘和阀座轮廓的相应参数，喉部表面积在开启过程中的变化率更加适中，中低冲程速率下的踏面形状变化更能适应蒸汽膨胀的需要，以及适应衰减体中局部快速自由流和涡流引起的截面尺寸的变化，可以避免踏面形状的突变[8]。充分考虑蒸汽流动的运行条件，精心选择阀板和直径为D的阀座。通过调节阀盘的半径R和圆弧中心与旋转轴之间的距离，可以改变阀盘和阀座之间的长度，从而根据开启速度的变化率有效控制阀门的行程和压降。通过调节阀座锥角和阀体与阀座偏置角，在适度开启时，第一孔口面积的变化相对较小。与传统调节阀相比，第一孔口面积相对于相对行程d/H的变化率也较低，从而提高了中等开度时流量和压力控制的精度。

由于控制阀腔体结构复杂，阀喉座和阀盘接触区（第一喉管）部分开放。气门流通面积是气门升程高度的函数，而阀门压力随着阀门的开启和阀门的变化而变化。因此，还必须通过数值分析或气动测试来获得流量特性，因为理论计算很难获得准确的流量结果。

3 新型调节阀的流场分析

计算流体动力学（CFD）的进步使得计算结果能够满足工程应用的精度要求，通过数值模拟可以捕捉到调节阀工作状态下内部流场的细节，了解其变化规律。在本案例中，以特定类型的330MW亚临界蒸汽回收再热段模型为参考模型，设计了一种新型中压控制阀，并按照上节所述方法使用Pro/Engineer软件建立了固定模型，如图6所示。

图6 调节阀几何模型Fig.6 Geometric model of regulating valve

数值模拟分析使用市售的CFX嵌套模拟软件进行，工作流体为蒸汽，湍流模型为K-Epsilon Turbulence。相关计算条件根据上述330MW亚临界再热段模型设定，输入参数为总压和温度，输出值为静压。由于调节阀的外壁是绝热的，因而假定壁面也是绝热的。由于蒸汽操作阀门的设计非常复杂，因而使用了专门的ICEM网络预处理软件来定义阀门的非结构网络（四面体网络）。考虑到附着面层的影响，为了更好地捕捉阀壁附近流场的细节，对阀壁附近的表面进行了遮蔽处理，最终网格总数约为850000个。为了获得阀门的流动特性，通过将相对开度h/D从全关到全开增加10%来构建模型，并在不同压力比下通过数值模拟获得阀门的临界流速与关闭阀门的紧缩因子之间的关系，从而得到流动特性曲线。验证上述阀门设计方法在加热条件下能否达到预期效果。在参考模型的一般加热条件下，对中压调节阀的流场进行了数值模拟分析[9]。在380h的加热条件下，加热压力为3.6MPa.a（即调节器前的压力），排汽再加热段的温度为535℃，根据蒸汽分布曲线的流动特性，阀门的h/D比为19.8%。根据获得的阀门开度变化分析，速度矢量图以及压力分布图显示，调节阀可以有效限制空腔对加热工况下阀门稳定流动的负面影响[10]，可以证实优化方向和措施是有效的。

4 结束语

本文提出了一种新的中压控制阀设计方法，应用于备用加热段热输入的控制。该设计主要探讨了流量控制特性的中小间隙，优化了阀瓣、阀座的轮廓，开阀前阀瓣结构的合理设计使阀瓣的流场分布更加均匀，促进了传热控制，有助于从根本上解决与传热相关的阀杆振动问题。新型中压控制阀以传统阀门的高效控制作用为基础，当阀门打开时，流场会略微增加，从而在一定程度上减缓了变化率，提高了控制精度。