减温水调节阀流量特性预补偿

    减温水调节阀是火力发电厂关键的控制阀之一。在火力发电机组中，锅炉过热器系统、再热器系统、高压旁路系统和低压旁路系统都配备有减温水调节阀。减温水调节阀根据管道内的蒸汽温度、压力信号调节进水量，可以控制相应系统的蒸汽状态，满足电厂不同的负荷要求。还用于事故状态下的快速喷水减温，对电厂安全可靠运行非常重要。

    减温水调节阀（见图1）使用工况恶劣。阀门设计时如果没有采取有效的防汽蚀结构，在高压差工况下，汽蚀现象会使阀门产生快速破坏，使阀的密封功能严重损伤。泄漏量过大丧失密封功能后，大量冷段给水进入蒸汽空间，会影响机组热效率，造成能源浪费。十多年来，随着工程技术人员的努力，多级节流结构、迷宫式结构、环流对冲结构等新式防汽蚀结构不断成熟，减温水调节阀的使用寿命有效延长，可以说已经解决了“能用”的问题。但是要做到“好用”，阀门就必须在不同的开度对系统都有良好的响应，也就是要有合适的工作流量特性。

图1 减温水调节阀    

    二、流量特性及工作流量特性

    流量特性是指介质流过阀门的相对流量与阀门相对开度之间的函数关系。如果假定两端压力保持恒定，此时流量特性即为理想流量特性（见图2）。然而实际工作中，调节阀的开度改变时，由于管线中其他设备的相互作用，不仅流量会发生变化，阀前、阀后压差也会发生变化，这时阀的流量特性就会偏离理想流量特性，发生畸变。调节阀在管路中的实际流量特性即工作流量特性。减温水调节阀需要等百分比的工作流量特性。

图2 理想流量特性

    减温水调节系统中（见图3），系统对减温水调节阀工作流量特性影响很大，使减温水调节阀工作流量特性发生较严重的畸变。由于使用要求，减温水调节阀一般情况要求工作在小开度、低流量以保证机组运行经济性，此时系统压差基本上是作用在减温水调节阀上，就会使阀门的流量增加，超出预期；当系统处于紧急情况，阀门要处于大开度、多喷水以保证安全性时，压差主要作用于喷嘴及管线其他部分，减温水调节阀上作用的压差要低很多，会大幅削弱调节阀的调节功能。一台在实验室测试中流量特性为直线形的调节阀，用在减温水系统中可能变为快开特性。即使是等百分比流量特性，在实际工况下也会向快开畸变。

图3 减温水调节系统

1.蒸汽管道2.温度计3.节流阀4.调节阀5.止回阀

    三、畸变的预补偿

    减温水调节阀系统是典型的串联系统，通过引入一个称为阀阻比的系数S，来界定畸变的严重程度。阀阻比指在串联系统中阀门压差与系统总压差之比。图4中Δp为管路系统的总压差，Δp1为调节阀的压差，Δp2为串联管道及设备上的压差。S＝Δp1m/Δp，Δp1m为阀全开时的调节阀两端压差。在不同的S值下，对于理想特性为直线和等百分比（对数）流量特性的调节阀，工作特性如图5所示。当S＜1时，相对理想流量特性而言，工作特性发生了畸变，成为一组向上拱起的曲线簇。从减温水调节阀使用的实际情况看，流量特性的畸变是不可避免要发生的，而且是较严重畸变。

图4 典型串联系统

相对行程（%）

（a）直线流量特性

相对行程（%）

（b）对流流量特性

图5 串联管路工作特性    

    抗畸变的方法通常有两种，即补偿和预补偿。流量特性的补偿通常是利用电子模块或机械结构对控制系统进行函数变换，当调节阀现场使用情况发生变化时可对流量特性作快速处理。这种方法适用于普通工况，对于一些恶劣工况下的阀门，只是简单的变换会对本来就已经工作困难的调节阀造成早期的损坏。所以在恶劣工况下的调节阀，一般采用第二种方法，就是流量特性的预补偿。原理是已知流量特性曲线会向上拱起，在阀门设计时预先将理想流量特性曲线设计在所需流量特性曲线的下方，在实际使用时向上拱起正好达到要求。这种在设计上提前设置补偿量，确保调节阀流量特性满足实际使用的做法即流量特性预补偿。

    表1列出相关资料介绍的一般情况下，为了抗畸变流量特性预补偿选用的方法。可以看到S＞0.6时，可以不进行预补偿，轻微的畸变不足以影响调节阀正常工作。当S＜0.6时，要用位于快开特性下方的直线特性来预补偿，达到实际工作的快开；用位于直线特性下方的等百分比特性来预补偿，达到实际工作时的直线。减温水调节阀需要等百分比的工作流量特性，自然会想到使用流量特性曲线位于等百分比曲线下方的双曲线特性（见图2）来预补偿，达到等百分比工作流量特性的要求。    

表1 流量特性预补偿选用

    但表1并没有推荐使用双曲线特性，主要有两个原因：一是理想等百分比流量特性本身的抗畸变能力较好，普通低S值的情况下可以应对；二是该特性的调节阀设计、制造中会存在相当的困难，主要是小开度汽蚀和流量特性曲线变化剧烈不易获得。

    实际使用中减温水调节阀的S值最低会达到0.1左右，是一个严重偏离理想特性的工况。如果采用普通的等百分比套筒阀来控制减温水，已较难进行小流量调节。在阀门稍微开启时，流量即可能超过最小流量要求。凸显了采用双曲线的流量特性来预补偿实现等百分比工作流量特性的必要性，但要实现双曲线流量特性就必须对其仔细分析，并通过不断实践、努力创新，采用合理的结构才能达到目的。    

    四、双曲线特性的实现

    双曲线特性的解析式为：

        （1）

    式中Q/Qmax——相对流量；

    l/L——相对行程；    

    当l/L＝0时，Q/Qmax＝2%；当l/L＝1时，Q/Qmax＝100%。对应到不同的开度得到表2。

表2 不同开度下的相对流量

    从表2可以看出，在阀门的前50%行程流量系数的增加是一个非常缓慢的进程，在50%～80%是逐步改变，80%以后是快速增加。

    要在套筒式结构调节阀上实现双曲线流量特性，套筒组件要经过全新的设计，采用环流对冲盘片叠加，辅以多窗口的结构形式，并通过焊接的连接方式成为一个整体，作为整个调节阀的核心功能件（见图6）。    

图6 调节阀的核心功能件

    环流对冲式盘片如图7所示，在圆盘上加工有数道沟槽，其沟槽由同心的环形槽和径向槽相互贯通，相邻的沟道间可以互通，流体由外环经由径向槽流入内环，在流动过程中，一部分流体一分为二，背向流去。另一部分流体合二为一，相向汇合。高速流动的分子产生撞击、摩擦和漩涡，大量消耗能量，使压力更能有效降低。其压降效果比迷宫式盘片更好，防汽蚀效果更佳，使用寿命也更长。环流对冲式盘片有效降低流速、防止汽蚀和减少噪声问题的同时，也限制了流体的通过，可实现较小的流量系数。同时通过多片的叠加，可使调节阀前半段小开度时流量易于控制，实现缓慢的线性增长。    

图7 环流对冲式盘片    

    窗口可以实现大开度时流量的迅速提升，同时可以方便地通过改变窗口形状得到合适的后半段流量特性。窗口的下部是较窄的细缝，确保和环流对冲盘片的过渡；窗口上部是较宽的尺寸，决定最大的流量系数；上部和下部之间是平滑过渡，保证最终流量特性曲线的平滑。

    五、实际应用

    以超（超超）临界电站用锅炉过热器喷水调节阀为例说明一下验证过程，该阀的参数如下。

    公称通径：65mm；

    公称压力：35MPa；

    设计温度：360℃；

    最大开启/关闭压差：12MPa；

    理想流量特性：近似双曲线；

    泄漏率：V级；

    主体材质：ASTMA105。

    结构上采用10片盘片叠加，单片厚3mm，共30mm。套筒上的窗口高度30mm，总行程60mm。窗口采用上宽下窄结构，中间自然过渡。完成结构设计后使用软件进行计算机模拟（见图8），根据Kv值的计算公式：

        （2）

    式中Q——初始体积流量；

    G_f——介质密度；

    Δp——出入口端的压差。

    经计算，流量系数Kv＝36.1。

    阀门加工完成后，在流量台架进行试验（见图9），试验过程按照GB/T4213—2008，试验数据全部计算机采集，得到试验数据见表3。    

图8 流场的有限元分析    

图9 流量试验

    通过将数据绘成曲线，同时与理想等百分比特性曲线和理想双曲线特性曲线绘在一起，对比如图10所示。从图上可以看到，实测曲线位于等百分比流量特性曲线下方。0～50%的部分和双曲线流量特性相当贴合，成近似线性增加；50%～70%的部分较早脱离近似线性的增加，这是因为盘片构成的行程已经结束，如果需要修正曲线可通过增加盘片数量、减小窗口高度的方法实现；实测流量曲线在70%以上流量受该阀门设计流量系数较小这一因素的影响亦有所偏离，可以通过加宽窗口的方法进一步提高大开度时流量系数的增加速度。对于局部的不平滑，可以通过修改窗口形状的办法对流量特性曲线进行局部修正，最终获得连续的特性曲线。从试验结果看，采用的结构发挥了预期的效果，可以说明该盘片和套筒复合的结构可以通过调整最终实现双曲线流量特性。同时可以看到通过相应的改进，也可以设计成其他的非标准流量特性曲线。    

表3 试验数据

图10 双曲线特性曲线对比    

    六、结语

    通过合理的选用流量特性曲线，并通过合适的结构加以实现，可以较好解决减温水调节阀工作流量特性畸变的问题。工程化的产品已在陕西、山东、河南等地多个火电机组上得到应用，响应准确、工作稳定、泄漏小、寿命长，得到用户的好评。这更进一步说明了通过流量特性预补偿提高减温水调节阀工作性能的方法是正确的、有效的。同时说明该方法可推广到其他低S值工况的调节阀使用。