抗沖蝕調(diào)節(jié)閥流量特性分析與測試
為提高汽輪機調(diào)節(jié)閥的抗沖蝕性能，同時使其滿足調(diào)節(jié)特性需求，提出對調(diào)節(jié)閥進行分段設(shè)計，并采用了鼠籠式多級降壓結(jié)構(gòu)。對調(diào)節(jié)閥的流量特性進行了計算，分析了滑閥間隙對流量特性的影響，修正了流量特性曲線。通過調(diào)節(jié)閥流量特性的測試，分析了小開度下產(chǎn)生誤差的主要原因。結(jié)果表明：計算值與試驗值能較好地吻合。
調(diào)節(jié)閥又稱為控制閥，是控制系統(tǒng)的重要組成部分。根據(jù)控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號改變汽輪機蒸汽調(diào)節(jié)閥開度以及汽輪機的進汽量，從而實現(xiàn)汽輪機功率的調(diào)整。為滿足汽輪機調(diào)節(jié)特性要求，閥門通流面積與開度之間應(yīng)保持一定的變化規(guī)律。
汽輪機調(diào)節(jié)閥長期處于高溫、高壓狀態(tài)，工作條件十分惡劣，特別在低負荷工況下調(diào)節(jié)閥承受的壓差巨大，極易造成閥門零部件的沖蝕。為改善調(diào)節(jié)閥工作狀態(tài)，減小汽流帶來的沖擊，通常可采用多級降壓式的結(jié)構(gòu)，如多層套筒式、多級閥芯式等，以提高調(diào)節(jié)閥的抗沖蝕性能，延長設(shè)備的使用壽命。
1、抗沖蝕調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)與工作原理
某汽輪機采用節(jié)流調(diào)節(jié)方式，蒸汽調(diào)節(jié)閥為套筒式結(jié)構(gòu)，由于長期處于低負荷工況運行，滑閥沖蝕現(xiàn)象較為嚴重。
根據(jù)汽輪機使用要求，蒸汽調(diào)節(jié)閥應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)：
(1)在高壓差、小流量工況時具有良好的抗沖蝕性能。
(2)在大流量工況下具有較小的壓降，減小汽輪機進汽壓力損失。
(3)調(diào)節(jié)閥流量特性曲線光滑連續(xù)，滿足機組調(diào)節(jié)需求。
為使蒸汽調(diào)節(jié)閥滿足上述功能要求，對其采用了分段設(shè)計，結(jié)構(gòu)見圖1。
圖1 改進的蒸汽調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)示意圖
調(diào)節(jié)閥采用套筒式結(jié)構(gòu)，蒸汽由閥體底部進入，經(jīng)調(diào)節(jié)閥節(jié)流后由側(cè)面流出。調(diào)節(jié)機構(gòu)由鼠籠和套筒組成：鼠籠結(jié)構(gòu)用于閥門小開度時(30%流量以下)高壓差工況的調(diào)節(jié)；套筒采用一定型線的窗口，用于大流量工況(30%流量以上)的調(diào)節(jié)。
鼠籠結(jié)構(gòu)采用小孔多級節(jié)流形式，共分為五級，各級小孔的直徑和數(shù)量均有不同，通流面積從第一級至最后一級逐漸增大。 高壓蒸汽從閥體進入鼠籠后，由內(nèi)圈向外圈逐級膨脹，最后流出調(diào)節(jié)閥；第一級鼠籠小孔布置于滑閥底部，當調(diào)節(jié)閥開啟時，可使第一級與第二級鼠籠通流面積同時變化；為滿足汽輪機調(diào)節(jié)需求，第一級鼠籠小孔分多排布置，數(shù)量由上至下逐漸增多，使調(diào)節(jié)閥通流面積與開度呈等百分比變化。
2、調(diào)節(jié)閥流量特性計算
2.1、調(diào)節(jié)閥流量特性的計算
蒸汽調(diào)節(jié)閥流量特性計算參數(shù)主要包括：
(1)不同開度下套筒及鼠籠結(jié)構(gòu)總通流面積：
(1)(2)調(diào)節(jié)閥流量公式：
(2)式中：p0為調(diào)節(jié)閥閥前壓力；υ0為調(diào)節(jié)閥閥前蒸汽質(zhì)量體積；Φ為閥門流量系數(shù)βυ為彭臺門系數(shù)。
(3)彭臺門系數(shù)公式：
(3)式中：ε為調(diào)節(jié)閥前后蒸汽壓比；εc為蒸汽的臨界壓比。
(4)弗留格爾公式：
(4)式中：Qc、Qcp為噴嘴變工況以及額定工況時的流量；p1、p1p為噴嘴前變工況以及額定工況時的壓力；p2、p2p為級后變工況以及額定工況時的壓力。
(5)流量守恒公式：
(5)根據(jù)以上計算公式，則可求出調(diào)節(jié)閥流量特性，即不同開度下調(diào)節(jié)閥流量
(6)計算結(jié)果見圖2。由于采用了分段設(shè)計，在相對開度<0.33(即鼠籠結(jié)構(gòu))進行調(diào)節(jié)時斜率較��；在相對開度=0.33時(套筒窗口開啟)曲線斜率隨即增大；當相對開度=1時，流量達到最大值。
圖2 調(diào)節(jié)閥流量特性曲線
2.2、間隙流動對流量特性的影響
上述計算未考慮滑閥與套筒間的間隙對流量的影響，為提高計算結(jié)果的準確度，針對調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)特點，對其小開度時間隙泄漏情況作了進一步的分析。圖3為間隙流動計算節(jié)點圖。
圖3 間隙流動計算節(jié)點圖
當調(diào)節(jié)閥處于小開度狀態(tài)時，蒸汽一方面經(jīng)第一級鼠籠小孔流過，另一方面通過滑閥與套筒間的間隙流過。在間隙流動計算節(jié)點圖中，F(xiàn)g1為滑閥下端與套筒的間隙，F(xiàn)g2為滑閥上端與套筒的間隙，F(xiàn)h1為第一級鼠籠小孔已開啟的通流面積，F(xiàn)h2為第二級鼠籠小孔已開啟的通流面積，F(xiàn)h3為第二級鼠籠小孔未開啟的通流面積，F(xiàn)s為套筒的通流面積；p0為閥前壓力，pa為經(jīng)第一級鼠籠以及滑閥下間隙后的壓力，pb為第二級鼠籠后的壓力，pc為第一次流過滑閥上間隙后的壓力，pd為第二次流過滑閥上間隙后的壓力，pe為閥后壓力；Q1～Q7分別為蒸汽流經(jīng)各處的流量。 根據(jù)計算節(jié)點及流量守恒方程可知：
(7)在不同開度下，F(xiàn)h1、Fh2、Fh3隨之發(fā)生變化，可根據(jù)前兩級鼠籠小孔分布計算得出，F(xiàn)g1、Fg2可根據(jù)閥門結(jié)構(gòu)尺寸給出，根據(jù)閥前壓力p0以及閥后壓力pe(即噴嘴前壓力)，可求得考慮間隙泄漏后的總流量Q。
在考慮間隙泄漏后，修正的開度-流量特性曲線見圖4。與修正前的曲線相比，主要變化在于小開度時(x<0.33)蒸汽流量有所增加；而開度較大時(x>0.33)，由于壓差相對較小，因此間隙泄漏量對整個流量的影響較小。
圖4 修正后的流量特性曲線
3、調(diào)節(jié)閥流量特性的測試
調(diào)節(jié)閥試驗臺原理見圖5，參試設(shè)備主要包括調(diào)節(jié)閥、汽輪機、負載等。通過調(diào)節(jié)閥開度的調(diào)整可改變汽輪機的進汽量，負載的變化可使汽輪機實現(xiàn)不同功率的輸出。管路上設(shè)置有流量計、壓力表等，分別用于測取蒸汽流量、壓力、調(diào)節(jié)閥前后壓力以及汽輪機排汽壓力等。
圖5 調(diào)節(jié)閥試驗臺
在給定蒸汽參數(shù)以及負載后，對調(diào)節(jié)閥不同開度下的通流量進行了測定。圖6為根據(jù)計算值及兩次試驗結(jié)果所得的開度-流量特性曲線。
由圖6可以看出：試驗值與計算值基本吻合，但在小開度狀態(tài)下，試驗值略高于計算值，產(chǎn)生偏差的原因主要有：
圖6 流量特性曲線對比
(1)間隙的影響。在計算中，滑閥與套筒的間隙為給定值，與實際工作狀態(tài)存在一定的偏差；此外滑閥密封環(huán)處也會產(chǎn)生一些泄漏，導致調(diào)節(jié)閥的泄漏量較計算值偏大。
(2)蒸汽參數(shù)以及負載的影響。在試驗過程中，蒸汽參數(shù)以及負載有一定的波動區(qū)間，而在小開度時，由于機組負載較小，穩(wěn)定性相對較低，即使蒸汽參數(shù)或負載微小的波動也會對汽耗量產(chǎn)生較大影響。
(3)讀數(shù)誤差。開度-流量特性曲線是根據(jù)調(diào)節(jié)閥不同開度下蒸汽通流量的測定所得到的。由于開度值是人工讀取的，因此難免存在一定的誤差，特別在小開度時，微小的讀數(shù)誤差都會對流量特性曲線產(chǎn)生影響。
以上三個方面是造成小開度下試驗值與計算值產(chǎn)生偏差的主要原因。當調(diào)節(jié)閥開度增加，蒸汽流量較大時其影響減小。
4、結(jié)語
試驗結(jié)果表明：
(1)滑閥與套筒之間存在的間隙使調(diào)節(jié)閥在小開度時的流量較設(shè)計值有一定的增加，當開度增大時，間隙影響逐漸減小。
(2)調(diào)節(jié)閥流量特性的計算值與試驗值吻合較好，說明給出的計算方法是合理的，可滿足工程計算需求。
(3)滑閥間隙、蒸汽參數(shù)以及負載的波動、讀數(shù)誤差等因素是造成小開度時試驗值與計算值偏差的主要原因；在大開度時，以上因素影響較小。
