高压加热器保护阀的开发与应用

        300MW以上大型火电机组由于具有热效率高、经济性好、变负荷调节功能以及自动化程度高的特点，已成为我国火电机组的主要发展方向，每年装机容量约为3000万kW。但这些大型火电机组辅助系统的设备及各系统的阀门性能要求很高，如300MW火电机组锅炉给水系统高压加热器保护阀门的工作温度为265°C，工作压力为28.0MPa；600MW火电机组锅炉给水系统高压加热器保护阀门的工作温度为280°C，工作压力为35.0MPa。这些参数不仅比超临界机组的参数要求高，而且要求阀门有更好的流通特性、更高的运行可靠性能。然而我国大型火电机组辅机设备系统的高压加热器保护阀门在工作参数、结构、执行标准、检验标准、密封性能等方面与世界先进水平还存在一定的差距。这些差距的存在已经成为国内大型火电机组技术发展的瓶颈，许多阀门成品不得不从国外进口，不仅费用昂贵，且供货时间长。因此，迫切需要开发300MW以上大型火电机组使用的高参数、高性能国产高压加热器保护阀。
        1 高压加热器保护系统简介
        高压加热器保护阀用于火电机组锅炉给水系统的高压加热器给水保护系统。高压加热器给水保护系统正常工作时，给水通过高压加热器保护阀经高压加热器至锅炉。当高压加热器出现故障时，通过高压加热器保护阀快速切断给水保护高压加热器，锅炉给水由旁路供给。
        高压加热器保护阀对加热器的保护有两种保护系统，一是通过3台电动闸阀组合完成；二是通过1台旁路阀与1台出口电动闸阀（或止回阀）完成。
        1.1 3台电动闸阀组合系统
        3台电动闸阀组合完成高压加热器给水保护系统功能的工作原理见图1。高压加热器给水保护系统正常工作时，阀1关闭，阀2、阀3打开，给水经高压加热器至锅炉；当高压加热器出现故障时，阀1打开，阀2、阀3关闭，高压加热器给水切断，锅炉给水由旁路供给，完成对高压加热器的保护，保障整个机组正常运行。

        1.2 旁路阀与出口电动闸阀（或止回阀）组合系统
        旁路阀与出口电动闸阀（或止回阀）组合的给水保护系统工作原理见图2。高压加热器给水保护系统正常工作时，给水经旁路阀高压加热器出口进入加热器，通过高压加热器出口电动闸阀至锅炉；当高压加热器出现故障时，给水经高压加热器旁路阀旁路出口直接进入锅炉，高压加热器旁路阀和高压加热器出口电动闸阀切断高压加热器供水，完成对高压加热器的保护，保障整个机组正常运行。

        1.3 两种保护系统优缺点
        利用3台电动闸阀组合完成的高压加热器给水保护系统，其造价较高，且由于电动闸阀的启闭行程较长，高压加热器给水保护系统保护的反应时间较长。
        由旁路阀与其出口电动闸阀（或止回阀）组合的高压加热器给水保护系统的关闭时间小于30s，其旁路阀阀体为三通结构，具有结构紧凑、流阻系数较小、性能可靠以及可提高电站系统效率的显著特点，是高压加热器保护阀主要的发展和研究方向。
        2 组合式高压加热器保护阀结构形式
        笔者研制的高压加热器保护阀根据不同机组及系统要求分为液控四通高压加热器保护阀和电动三通高压加热器保护阀两种结构形式。
        2.1 液控四通高压加热器保护阀
        四通形式的高压加热器旁路阀通常应用于300MW以下机组（国内），利用现场给水系统作为动力源驱动阀门，阀门关闭速度快。根据系统要求，该四通阀也可采用电动控制，由事故反馈信号通过阀门上部的电动装置驱动阀门动作来实现高压加热器给水保护的功能。

        液控四通高压加热器保护阀结构见图3，工作原理如下：①给水由侧面进口引入，经下阀座由另一侧出口进高压加热器，2个上出口与旁路管道相连。②阀门有上、下2个密封面，高压加热器正常运行时，靠作用于阀瓣上、下2密封面的压差而使阀门自动开启，阀瓣上浮，与上密封接触，旁路切断。③当高压加热器发生事故或管系破裂而使水位超过允许水位时，水位信号通过电器装置打开快速启闭阀，凝结水进入液压缸上部，推动活塞，阀瓣下落，关闭阀门，给水通过上出口经两路旁通管道直接进入锅炉。
        液控四通高压加热器保护阀的结构特点：有2个阀座，密封面堆焊司太立合金，下阀座直接焊于阀体上，上阀座与阀体采用两道自密封结构，保证正常工作和长期运行不发生泄漏，阀门动作时间小于2s。由于通向旁路的管道分为两路，故阀门整体流阻大，流通特性差，中腔为法兰密封，承压能力低，适用于压力小于25.0MPa的系统。
        2.2 电动三通高压加热器保护阀
        电动三通高压加热器保护阀根据阀体结构分为电动三通铸造高压加热器保护阀和电动三通锻造高压加热器保护阀两种型式。
        2.2.1 电动三通铸造高压加热器保护阀
        电动三通铸造高压加热器保护阀具有介质流线好、流阻小、密封和启闭性能可靠的特点，其主要结构示意图见图4。电动三通铸造高压加热器保护阀为三通结构，给水由侧面进口引入，下出口进高压加热器，上出口与旁路管道相连，阀门有上、下2个密封面。正常运行时，阀瓣上浮，与上密封接触，旁路切断。当高压加热器发生故障或其它原因要断开高压加热器给水时，电动装置驱动阀杆使阀瓣下落，关闭阀门，给水通过上出口由旁通管道直接进入锅炉[1~3]。该阀有2个阀座，下阀座直接焊于阀体上，上阀座与阀体采用密封圈密封。密封面堆焊司太立合金，耐磨损，抗擦伤，寿命长，开关时间小于30s。

        2.2.2 电动三通锻造高压加热器保护阀
        亚临界、超临界火电机组配套使用的高压加热器保护阀采用锻造结构能够满足使用工作温度大于等于300°C、最大工作压力32.0MPa、通径350mm的阀门使用要求。
        电动三通锻造高压加热器保护阀是在电动三通铸造高压加热器联成保护阀的基础上改进的结果，阀门自密封和上阀座与阀体之间的密封环处均采用增力型密封环结构，密封环在原来60°密封面的基础上又增加一个45°斜面，从而增加了中腔的密封力，减少了预紧螺栓的预紧力，使中腔自密封更容易实现。填料采用蝶式增强+编织柔性石墨组合填料，预紧力小，能承受的密封力大，其主要结构示意图见图5。

        3 高压加热器保护阀设计计算
        3.1 阀体壁厚SB
        公制阀门的阀体壁厚按第四强度理论进行计算[4，5]：

       
        式中，SB为阀体壁厚，DN为阀体中腔最大的内径，C为考虑铸造偏差、工艺性和介质腐蚀等因素而附加的裕量，mm；p为设计压力，[σ1]为阀体材料的许用拉应力，MPa。
        英制阀门的阀体壁厚SB按ASMEB16.34非强制性附录B计算[6]：

        
        式中，p1为压力等级额定指数，S为基本应力系数，MPa；d为阀体端部内径的90%，mm。
        3.2 阀体三通部位强度计算
        阀体三通肩部尺寸对阀体强度有决定性作用。三通肩部尺寸包括肩部的内壁半径、外壁半径和肩部壁厚，这3个参数不仅相互关联，而且还涉及三通外径与内径的比值及支管与主管直径的比值。加大三通肩部外壁半径，能够增大三通的承载面积，但是肩部外壁半径应小于支管承载长度，以确保三通支管有一定直管段。
        铸钢阀体三通部位的强度按ANSI/ASMEB16.34强制性附录V6.1的规定计算[7]。采用整体自由锻造的锻造阀体，其强度按ANSI/ASMEB31.3附录D中的规定计算[8]，且要符合ANSIB16.9的三通计算规定：

        
        式中，pm为阀体材料在38°C（100°F）时的2/3屈服强度、1/4最大拉伸强度或许用应力的较小值，p0为38°C（100°F）时的额定工作压力，MPa；Af为流体面积，Am为金属面积，mm2。
        3.3 阀体限定流体面积和金属面积的界限
        阀体限定流体面积和金属面积根据阀盖中心线和流道中心线在同一平面的阀体拐弯区平面位置来确定。
        3.3.1 铸造阀体限定流体面积和金属面积界限[5]
        铸造阀体限定流体和金属面积界限的主要结构尺寸示图见图6。在图6中，限定流体和金属面积界限的垂直距离Ln和水平距离La分别按公式确定：

        式（4）~式（5）中，d为阀体拐弯区颈部内径，δb为阀体拐弯区颈部壁厚，δr为阀体拐弯区通道壁厚，r为阀体拐弯区外部圆角半径，mm。
        如果所计算的界限位于阀体通道末端或颈部末端之外，则用作确定面积的截面应终止于阀体通道末端或颈部末端。
        3.3.2 锻造阀体构成流体面积和金属面积界限
        锻造阀体构成流体面积和金属面积界限的主要结构尺寸示图见图7。图中，限定流体和金属面积界限的垂直距离Lb和水平距离Lr分别按以下公式确定[6]：

       
        式（6）~式（7）中，Dib为阀体拐弯区颈部内径，Dir为阀体拐弯区通道内径，mm。
        4 结语
        高压加热器保护阀应用于300MW、600MW等大型火力发电机组高压给水管道高压加热器入口处，是高压加热器检修的关键设备。河南开封高压阀门有限公司研发生产的各种类型高压加热器保护阀先后为陡河电厂、石家庄电厂、浙江三星电厂、山东南山电厂、贵州电厂等国内众多火电机组配套，并出口伊朗、土耳其、孟加拉、巴基斯坦等多个国家，其性能稳定，运行可靠。
        国产火电机组高压加热器保护阀的成功研制与应用，打破了此类阀门长期依赖进口的局面，取得了良好的经济效益和社会效益。
        随着我国大容量、高参数火电机组建设规模的不断加大，对配套的高压加热器保护阀的要求也在不断提高。因此，根据高压加热器保护阀应用现场的管道布置、可利用的动力源、系统的运行参数以及对阀门动作时间的要求等，选择合适的结构、合理阀体材料及科学的加工方法，提高此类国产高端阀门产品的设计和制造水平是今后的研发方向。
        参考文献：
        [1]鹿焕成.大电站高压加热器旁路阀[J].通用机械，2006，（5）15-18.
        [2]孟新凌，程俭学，俞树荣，等.1000MW超临界火电机组用WB36钢阀门研制[J].石油化工设备，2008，37（5）：22-25.
        [3]孟新凌，程俭学，俞树荣，等.超超临界火电机组阀门国产化研究[J].石油化工设备，2008，37（6）：29-33.
        [4]杨源泉.阀门设计手册[M].北京：机械工业出版社，1992：359.
        [5]付青林.阀体受力与强度计算公式的理论依据[J].阀门，2006，（4）11-12.
        [6]ASMEB16.34）2004，法兰、螺纹和焊接端连接的阀门[S].
        [7]ASMEB16.34）2004，法兰、螺纹和焊接端连接的阀门[S].
        [8]ASMEB31.3）2006，压力管道规范）））工艺管道[S].