1 概述

    高壓差給水調(diào)節(jié)閥是廣泛用于電力、冶金、石化、輕紡、供熱、制冷、造紙和煤化工等工業(yè)領(lǐng)域中減溫減壓裝置的核心部件之一，直接影響減溫減壓裝置的使用性能。傳統(tǒng)的給水調(diào)節(jié)閥易汽蝕，閥門密封填料易破損泄漏的幾率比較大，出現(xiàn)噴水孔堵塞的現(xiàn)象。同時(shí)，對(duì)于大變工況條件的增加和復(fù)雜工藝參數(shù)的使用要求，減溫減壓裝置在調(diào)節(jié)性能和安全性能方面常會(huì)出現(xiàn)一些問題。高壓差單座密封給水調(diào)節(jié)閥在結(jié)構(gòu)、加工工藝、可靠性和降低成本等方面都有很大的改進(jìn)和完善，滿足了大變工況和復(fù)雜工藝參數(shù)的要求。

    2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

    高壓差單座密封給水調(diào)節(jié)閥（圖1）由閥體、閥蓋、閥座、閥桿、壓套、填料、隔環(huán)和電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。閥門的開啟、調(diào)節(jié)或關(guān)閉是通過壓力變送器和調(diào)節(jié)器，再由執(zhí)行機(jī)構(gòu)操縱，帶動(dòng)閥桿，使閥桿在閥座內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)，改變介質(zhì)的流通面積來改變流量。給水由進(jìn)水管進(jìn)入閥門上腔。當(dāng)閥桿上下移動(dòng)時(shí)，使給水經(jīng)過流線型錐體通道，向下運(yùn)行，進(jìn)入上、中、下閥座腔內(nèi)。通過閥桿調(diào)節(jié)其在閥座內(nèi)的相對(duì)位置，控制錐體流通面積，以改變介質(zhì)流通面積達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。

1.下閥座2.中閥座3.填料隔環(huán)4.填料壓套

5.電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)6.防轉(zhuǎn)螺釘7.填料8.閥桿

9.閥蓋10.壓套11.密封填料12.上閥座13.閥體

圖1 高壓差單座密封給水調(diào)節(jié)閥

    高壓差單座密封給水調(diào)節(jié)閥的閥體為鍛件，單座密封結(jié)構(gòu)如圖2所示。閥桿與閥座間錐面密封，閥桿在結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)上采用流線型，使給水在流動(dòng)過程中走圓滑路線。該閥密封面堆焊CoCr硬質(zhì)合金，耐沖刷、耐腐蝕，閥桿通過不同方式可方便的實(shí)現(xiàn)等百分比和線性等調(diào)節(jié)特性。為避免填料受力不均勻，發(fā)生泄漏現(xiàn)象，填料中間設(shè)置填料隔環(huán)。為防止壓套旋轉(zhuǎn)、影響給水流量，閥蓋上設(shè)置防轉(zhuǎn)螺釘。為防止密封填料破碎、流入給水管道內(nèi)造成減溫減壓裝置的噴嘴堵塞，壓套和上閥座、下閥座與閥體采用嵌入式（圖3）。在高壓差情況下，由于容易產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，采用多級(jí)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，以消除因汽蝕而破壞閥門的隱患。

    閥體、閥桿和閥座是此閥門的關(guān)鍵部件，其密封面的質(zhì)量將直接影響閥門的整體性能。傳統(tǒng)的閥門結(jié)構(gòu)為單座單導(dǎo)向，加工方法不甚合理。其工藝方法為閥體中閥本體與閥座組焊，至使閥桿與變形的閥座配合時(shí)，間隙比較大，密封填料變形后一部分易沖刷進(jìn)入閥內(nèi)腔中?，F(xiàn)把工藝方法改為閥門為單座雙導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，壓套與下閥座采用嵌入式，閥桿與閥座直接配合密封，以達(dá)到零泄漏的效果。

1.閥瓣2.壓套3.上閥座4.密封填料5.閥體

圖2 閥桿、閥座與閥體、壓套、上閥座密封結(jié)構(gòu)

1.中閥座2.閥體3.下閥座4.密封填料

圖3 閥體、下閥座密封結(jié)構(gòu)

    高壓液體流經(jīng)節(jié)流孔時(shí)，閥座相當(dāng)于節(jié)流孔板（圖4），靜壓能與動(dòng)壓能相互轉(zhuǎn)換，流速的增加導(dǎo)致壓力降低。當(dāng)壓力降低至等于或低于該液體在入口溫度下的汽化壓力P_V時(shí)，液體中的氣核即膨脹而形成汽泡。流過節(jié)流面后，在寬敞的下游流道中流速下降，壓力回升。當(dāng)壓力回升至P₂時(shí)，并≥P_V時(shí)，汽泡潰裂，這即是汽化過程。汽泡潰裂時(shí)，釋放出巨大的能量，對(duì)閥座、閥瓣等節(jié)流元件產(chǎn)生破壞即汽蝕。汽蝕的破壞力很大，一般的閥門在汽化條件下，運(yùn)行一定時(shí)間后即遭受嚴(yán)重汽蝕，致使閥座泄漏量高達(dá)額定流量的30%以上，調(diào)節(jié)閥完全喪失調(diào)節(jié)控制功能。

圖4 閥內(nèi)流體速度－壓力變化及汽蝕形成原理

    汽蝕與壓差有關(guān)，當(dāng)閥的實(shí)際壓差△P大于產(chǎn)生汽化的臨界壓差△PC時(shí)，并在出口壓力P₂≥P_V時(shí)，產(chǎn)生汽化。由此，將閥的總壓差用分級(jí)降壓的方法，使每一級(jí)壓差△P_i＜△P_C，即可防止汽化產(chǎn)生。多級(jí)壓降是以改變流體在閥內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，從閥的結(jié)構(gòu)上保證了高壓液體在節(jié)流降壓過程中不產(chǎn)生汽化，是目前對(duì)高壓差產(chǎn)生汽化的有效方法。防汽蝕高壓差調(diào)節(jié)閥的關(guān)鍵技術(shù)是節(jié)流組件。根據(jù)多級(jí)降壓防汽化原理，采用了多級(jí)分流多級(jí)閥座式節(jié)流的組件。

    高壓差調(diào)節(jié)閥是將閥的全開度分成若干組相互獨(dú)立的空間（圖5），每個(gè)獨(dú)立空間都設(shè)有徑向流道、節(jié)流孔和緩沖室，按一定規(guī)律分布于若干閥座上，閥座經(jīng)加工成型組裝，采用上閥座密封結(jié)構(gòu)，單座密封，實(shí)現(xiàn)零泄漏。

圖5 高壓差多級(jí)降壓原理

    由于鍋爐給水調(diào)節(jié)閥為變壓差運(yùn)行，因此，該高壓差給水調(diào)節(jié)閥具有在小流量（小開度）時(shí)能承受很高的壓差而不產(chǎn)生汽化。在大流量下則要求閥的阻力盡量小，以減少給水泵的能源損耗，亦即要求閥具有變流阻特性。通常，閥的固有流量特性是在恒壓差下測(cè)得，當(dāng)用于變壓差工況，其實(shí)際工作流量特性會(huì)產(chǎn)生畸變。直線特性變?yōu)榭扉_特性，致使調(diào)節(jié)閥通常在40%開度達(dá)到飽和，不能進(jìn)行全程控制。鑒于此，將25%以下開度采用多級(jí)降壓，25%～100%開度范圍為一般套筒結(jié)構(gòu)，固有流量特性為修正等百分比，這樣能有效防止汽化與汽蝕，流體阻力小，節(jié)省電力，并能補(bǔ)償變壓差的影響，滿足實(shí)際工作流量特性的要求。

表1 高壓差單座密封給水調(diào)節(jié)閥與傳統(tǒng)的給水調(diào)節(jié)閥性能比較

    3 設(shè)計(jì)計(jì)算

    根據(jù)工藝參數(shù)要求，計(jì)算流量系數(shù)Cv，為避免汽蝕現(xiàn)象，應(yīng)根據(jù)壓差判定或選用多級(jí)高壓差調(diào)節(jié)閥，推薦采用IEC標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算。按△P＜F_L²（P₁-F_fP_V）判斷是否為阻塞流。

    若△P＜F_L²（P₁－F_fP_V）成立，則為非阻塞流，其流通能力Cv為

    若△P＜F_L²（P₁－F_fP_V）不成立，則為阻塞流，其流通能力Cv為

    式中 Cv———流量系數(shù)

    F_L———壓力恢復(fù)系數(shù)

    Q———流量

    r———密度（閥前條件下）

    △P———壓降

    △P=P₁－P₂

    P₁———閥進(jìn)口壓力

    P₂———閥出口壓力

    F_f———臨界壓力比系數(shù)

    P_V———流動(dòng)溫度下的飽和蒸汽壓力

    P_C———熱力學(xué)臨界壓力

    選擇調(diào)節(jié)閥按計(jì)算Cv值的1.2～1.4倍作為其額定流量系數(shù)，開度大致范圍為70%～90%（最大開度），常用開度為40%～70%，最小開度為10%。

    4 試驗(yàn)及使用

    4.1 型式試驗(yàn)

    通過型式試驗(yàn)確認(rèn)閥門的設(shè)計(jì)加工質(zhì)量，承壓能力，啟動(dòng)裝置的動(dòng)作性能。①按公稱壓力的1.5倍進(jìn)行水壓殼體試驗(yàn)，觀察填料部位、中法蘭墊片各處及殼體全表面應(yīng)無滲漏。②試驗(yàn)介質(zhì)為5～40℃的水或煤油，試驗(yàn)介質(zhì)壓力為0.35MPa，，泄漏等級(jí)不低于Ⅲ級(jí)。③閥門動(dòng)作試驗(yàn)。將閥門關(guān)閉后，加壓至設(shè)計(jì)壓力，開啟驅(qū)動(dòng)裝置，確認(rèn)閥門開啟狀態(tài)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)行程。

    4.2 使用結(jié)果

    在某工況系統(tǒng)中，其工藝參數(shù)為給水流量Q=20t/h，給水調(diào)節(jié)閥進(jìn)口壓力P₁=8.0～8.3MPa，出口壓力P₂=2.0MPa，給水溫度t_b=90～130℃，選用高壓差給水調(diào)節(jié)閥的規(guī)格為DN50，PN110。采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的給水調(diào)節(jié)閥與高壓差給水調(diào)節(jié)閥，其運(yùn)行結(jié)果見表2。高壓差給水調(diào)節(jié)閥投產(chǎn)運(yùn)行良好，閥門操作輕便，密封可靠，完全滿足工藝參數(shù)的需要。

表2 運(yùn)行結(jié)果

    在某專用減溫減壓裝置裝備配套中，采用高壓差給水調(diào)節(jié)閥，進(jìn)口壓力P₁=8.6MPa，出口壓力P₂=1.5MPa，減溫水溫度t_b=104℃，減溫水流量Q=2.5t/h，選用高壓差調(diào)節(jié)閥的規(guī)格為DN20、PN100。樣機(jī)試驗(yàn)時(shí)，取工況點(diǎn)共11個(gè)，對(duì)各個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行性能試驗(yàn)及整體破壞性試驗(yàn)（表3），均達(dá)到技術(shù)要求。

表3 性能試驗(yàn)及整體破壞性試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)語

    高壓差給水調(diào)節(jié)閥與傳統(tǒng)的給水調(diào)節(jié)閥相比，密封結(jié)構(gòu)更加合理。單座密封給水調(diào)節(jié)閥在工況系統(tǒng)中的可靠性和調(diào)節(jié)性能等方面都有很大的改進(jìn)和完善，維修更加方便，滿足了大變工況和復(fù)雜工藝參數(shù)的要求。

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