徐毅翔,錢錦遠,2*,陳立龍,金志江

(1.浙江大學 化工機械研究所,浙江 杭州 310027;2.浙江大學 流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室,浙江 杭州 310027;3.杭州華惠閥門有限公司,浙江 杭州 311122)

0 引 言

減溫減壓裝置是蒸汽系統(tǒng)中調節(jié)溫度、壓力和流量等熱能參數,利用余熱余壓以及保護系統(tǒng)設備與管路安全的關鍵裝置,廣泛應用于機械、船舶、電力、石化、冶金、制冷等工業(yè)領域。

減溫減壓裝置一般由減壓機構、減溫機構(或減溫減壓一體機構)、安全保護機構、熱力調節(jié)儀表等附件組成。其中:(1)減壓機構。一般由減壓閥和節(jié)流孔板組成,用于完成蒸汽的兩級或多級減壓;(2)減溫機構。一般由給水調節(jié)閥和霧化噴嘴組成,其中給水調節(jié)閥主要用于輸送減溫水;霧化噴嘴主要用于對減溫水進行霧化,以增強減溫水與蒸汽的換熱效果;(3)減溫減壓一體機構。主要指減溫減壓閥,其減溫和減壓過程在閥內同步進行。安全保護機構可以防止二次壓力超過限定值,確保其在安全條件下運行。各類熱力調節(jié)儀表可實時對蒸汽的溫度、壓力和流量等信息進行監(jiān)測,并反饋給執(zhí)行機構,實現自動調節(jié)。

我國減溫減壓裝置的設計和制造起步較晚。最初的減溫減壓裝置主要采用蘇聯的結構,但由于該結構體積大、減溫減壓效果較差,無法滿足現代工業(yè)需求。近幾十年來,我國高?？蒲腥藛T和相關企業(yè)技術人員通過自主研發(fā),推動了減溫減壓裝置設計制造水平的提高,取得了長足的進步。

中國計量大學的袁心億[1]、鶴壁煤電公司的張少坤[2]等人先后研究介紹了減溫減壓裝置的自動控制系統(tǒng),極大提高了蒸汽參數的控制精度,提升了設備運行的平穩(wěn)性,并在鶴壁煤電公司得到了應用。雍麗英等人[3]研發(fā)了一種新型減溫減壓裝置,實現了流量范圍從10%～100%的精確調節(jié)。閻繼宏[4]分析了應用在哈薩克斯坦扎那若爾第三天然氣處理廠的減溫減壓裝置所遇到的故障,提出了增設節(jié)流裝置、增大蒸汽流量等解決方法。陳娟娟[5]、馬力[6]等人對焦化企業(yè)和煤制油企業(yè)在供汽設備中采用減溫減壓裝置后的經濟性進行了分析,指出應用減溫減壓裝置可為企業(yè)節(jié)省大量能耗與運行成本。

隨著現代工業(yè)的不斷發(fā)展,為了提高能源的生產和利用效率,蒸汽系統(tǒng)內的蒸汽參數不斷提升,并朝著高溫、高壓、大流量復雜工況方向發(fā)展,對減溫減壓裝置的精確穩(wěn)定調節(jié)能力提出了更高的要求。

本文以減溫減壓裝置的減壓機構和減溫機構為索引,整理國內外減溫減壓裝置的發(fā)展現狀,并提出減溫減壓裝置未來的發(fā)展方向。

1 一體式減溫減壓裝置

在一體式減溫減壓裝置中,減溫機構與減壓機構組合成一個機構,即減溫減壓閥,適用于入口蒸汽壓力低于9.81 MPa,溫度不超過540 ℃的工況。相比于分體式機構,其結構更加精簡、體積更小、成本更低。

一體式減溫減壓裝置的核心部件是集減壓閥和減溫水噴嘴于一體的減溫減壓閥[7],如圖1所示。

圖1 減溫減壓閥

減溫減壓閥通過控制閥體內啟閉件開度大小來調節(jié)蒸汽流量與壓力,同時借助閥后壓力的作用調節(jié)啟閉件的開度,使閥后壓力保持在一定范圍內,并在閥體內噴入減溫水,將蒸汽的溫度降低。減溫減壓閥主要由閥體、閥蓋、節(jié)流組件、閥瓣、閥桿、減溫水噴管、下閥蓋等組件組成。

最早的一體式減溫減壓裝置是將原本分體式減溫減壓裝置中的減溫水噴嘴與減壓閥簡單安裝在一起形成的管式減溫減壓器,即第二代減溫減壓裝置。相比于分體式裝置,其雖然減小了占地面積,但是體積仍然較大,長度從3 m到7 m不等,有的可達10 m。此外,該結構調節(jié)精度較差,調節(jié)范圍較窄,一般只能在額定流量的60%～120%之間調節(jié)[8],振動噪聲大,安裝維修困難,因此目前還未得到廣泛應用。

在第二代的基礎上,第三代減溫減壓裝置在結構上進行了較多的改進。第三代中的減溫減壓閥采用了直行程的雙座平衡式結構,降低了作用于閥桿的不平衡力,使其能更好地適應大流量工況。該裝置中的減溫水通過閥瓣上的小孔進入閥體內,強化了減溫效果;閥內設置了網罩結構,可有效降低噪聲。與第二代相比,第三代減溫減壓裝置的性能參數有了較大的提升,但是由于減溫水流道不可改變,當流量調節(jié)范圍變大時,減溫水的霧化效果難以達到要求[9]47;而且雙座結構不容易密封,在使用中泄漏量大。

第四代減溫減壓裝置將減溫減壓閥閥體改為了雙球型。其采用雙球型結構可降低閥體所受的交變應力,相比雙座式結構,該裝置又能減少泄漏。其閥內采用套筒式結構實現減壓,流量調節(jié)比可達10 ∶1,既能保護閥座,又能提高調節(jié)精度;閥體下部大球內采用節(jié)流孔罩,增強了減溫水的霧化效果,避免減溫水直接與閥體接觸,保護閥體;孔罩結構在起降噪作用的同時,還可進行二次減壓,增大了減壓幅度;閥內采用自動可調傘形霧化噴嘴,噴水處截面為環(huán)形結構,減溫水呈45°～60°傘形,該結構可保證當蒸汽流量變化時,噴嘴流通面積和減溫水流量能與所需工況同步,使減溫水與過熱蒸汽充分混合,提高減溫效率;減溫水有一定的噴射速度,保證了該閥能滿足流量和減溫幅度變化較大的變工況條件[10]。

但是,該裝置仍存在一些問題,如整個減溫減壓閥結構十分復雜,雙球結構導致內腔所需容積較大,進出口不在同一水平線上且體型偏大成本較高,維修困難。此外,第三代和第四代減溫減壓閥都是單調節(jié)式,不能滿足復雜工況的使用要求[9]47。

針對上述問題,第五代減溫減壓裝置中的減溫減壓閥采用了新的球形閥體。該結構上、下腔均為半球形流線型結構,有利于流體的無阻塞流動;閥瓣與閥座之間、套筒與閥瓣之間的通流面積可通過執(zhí)行機構調節(jié),實現同步的二次減壓;閥瓣上開設噴嘴孔,噴嘴活塞與噴嘴孔的相對通流面積會隨著閥瓣的運動而改變,從而達到減溫可調的目的。

第五代減溫減壓裝置結構合理緊湊,在工況變化大的極端條件下仍能保持優(yōu)良的調節(jié)性能;流量調節(jié)比可達20 ∶1以上,減溫減壓幅度提高;噪聲水平低,從傳統(tǒng)的減溫減壓裝置的87 dB(A)以上降低到84 dB(A)以下。除此之外,第五代減溫減壓裝置還設置了儀表監(jiān)控系統(tǒng),可在現場監(jiān)控柜自動或者手動調節(jié)設備運行[9]48-49。

歷代一體式減溫減壓裝置中,減溫減壓閥在參數、結構和性能上的提升情況總結如表1所示。

表1 歷代一體式減溫減壓裝置對比

2 分體式減溫減壓裝置

分體式減溫減壓裝置中,減溫和減壓過程分開進行。減壓過程通過減壓閥的節(jié)流減壓來實現;減溫過程則通過噴嘴噴出霧化減溫水與蒸汽混合來實現。分體式減溫減壓裝置具有控制精度高、運行平穩(wěn)、調節(jié)靈敏等特點。本文將對減壓機構和減溫機構分別進行具體介紹。

2.1 減壓機構

分體式減溫減壓裝置的減壓機構主要由減壓閥和節(jié)流孔板組成,其減壓級數由減壓前后蒸汽之間的壓差來決定。蒸汽進入減壓閥后,減壓閥通過執(zhí)行器帶動執(zhí)行機構,將蒸汽進口壓力減至某一特定的壓力,并保持穩(wěn)定。往往減壓閥都要求進出口壓差必須≥0.2 MPa。

根據是否帶有執(zhí)行機構,減壓閥可分為自力式減壓閥和控制式減壓閥。我國早期研制和生產的減壓閥雖然可以基本滿足當時的國內工業(yè)需求,但實際上還存在著很多問題,例如:

(1)部分蒸汽管路仍采用自力式減壓閥作為減壓裝置。而自力式減壓閥調節(jié)精度低,且只適用于低參數工況。例如,由沈陽第二閥門廠生產的CY43H-16先導活塞式減壓閥,只適用于壓力≤1.6 MPa,溫度≤200 ℃的工況;

(2)控制式減壓閥設計水平低。例如,我國自主設計的PV8228減壓控制閥在高溫高壓條件下極易出現沖蝕、汽蝕等問題[11];且設計出的減壓閥流量調節(jié)范圍小,蒸汽流量調節(jié)比一般只有10 ∶1;

(3)閥門生產制造水平低。例如,1994年趙彥修等[12]對發(fā)生在河北某工廠采暖蒸汽管道上的減壓閥爆炸事故進行了調查,發(fā)現該減壓閥的材料和鑄造方式均存在嚴重缺陷,并指出當年閥門市場抽查合格率僅為32.8%。

由此可見,早期的減壓閥無法滿足當前高溫高壓、流量變化范圍大和減壓幅度大的復雜工況[13]。如今,國內減溫減壓裝置中普遍采用控制式減壓閥,以精確控制高壓蒸汽出口壓力,并且設計制造水平有了巨大的進步。

國內應用于減溫減壓裝置的控制式減壓閥主要有單柱塞式減壓閥、籠罩式減壓閥和雙座式減壓閥3類,其主要結構特點與性能參數方面的具體情況如下:

(1)單柱塞式減壓閥。

單柱塞式減壓閥的結構形式[14]如圖2所示。

圖2 角式單柱塞式減壓閥

該類減壓閥一般應用于工作壓力≥10 MPa、工作溫度≥540 ℃的高參數工況,因此一般設計為角式結構[15],且大多采用液壓或氣動執(zhí)行機構,具有啟閉速度快的特點;其減壓結構采用了單座柱塞+孔板的形式,可有效降低噪聲;閥瓣處采用一種特殊的流道結構,可將氣流分解成多股梅花狀流出,從而避免閥內出現強烈振動;閥體內采用曲線型多孔鐘罩,可防止蒸汽直接沖擊閥體內表面,延長了閥門壽命;閥桿一般設計為較大直徑,并且與閥瓣一體,該方法可提高閥桿強度和抗振性。此外,單柱塞式減壓閥的密封性及調節(jié)特性也更優(yōu)良。

(2)籠罩式減壓閥。

籠罩式減壓閥的結構形式[16]如圖3所示。

圖3 多級籠罩式減壓閥

籠罩式減壓閥通過控制套筒內的閥瓣位置來調節(jié)蒸汽壓力和流量。相比于單柱塞式減壓閥,籠罩式減壓閥更適用于較低流量和壓力的工況,具有噪音小、精度高等優(yōu)點。

此外,多孔籠罩結構還可起到抑制閥芯處空化的作用[17]39,其特點在于閥芯由帶有節(jié)流孔的閥瓣和套筒組成,籠罩式減壓閥閥內通常可設多級節(jié)流降壓結構,該結構在降噪的同時,還起到了保護閥座及閥體免受沖擊的作用,能夠延長閥門壽命。

根據形式的不同,多級節(jié)流降壓結構可分為:串級式[18]、迷宮盤式[19]、多層套筒式[20],如圖4所示。

(a)串級式

此外,杭州華惠閥門有限公司自主研發(fā)了一種采用單座套筒配合波紋型多孔節(jié)流網罩的新型二級減壓閥結構。該結構降低了32.15%的最大交變應力,使得閥內密封面的受力狀況得到了改善,減少了閥門的泄漏量;其流量調節(jié)范圍可達10%～100%[21]。

(3)雙座式減壓閥。

雙座式減壓閥的閥內設有兩個閥座[22],其結構形式如圖5所示。

圖5 雙座式減壓閥

雙座式結構能在保證閥門工作壓差的同時,減小閥內單個閥座的流量,降低單個閥桿閥芯的受力,因此能更好地適應高參數工況。相較于單柱塞式結構,雙座式結構減少了閥桿處的機械摩擦,降低了閥門噪音,且動作平穩(wěn),基本不會出現卡死現象;相較于籠罩式閥芯結構,雙座式結構更為簡單,其閥芯和閥座在高壓下不容易變形。因此,雙閥座減壓閥在工程中也有著較為廣泛的應用。

上述3種減壓閥的優(yōu)劣對比結果如表2所示。

表2 3種蒸汽減壓閥對比

2.2 減溫機構

在減溫減壓裝置中,減溫機構將減溫水進行霧化形成水霧,與過熱蒸汽充分混合以降低蒸汽溫度。因此,減溫水的霧化效果決定了減溫機構的減溫性能和使用壽命,而減溫機構的結構又是影響減溫水霧化效果的主要因素。

我國早期的減溫機構沿襲了蘇聯的結構形式,主要由給水分配閥、固定噴嘴、節(jié)流裝置等組成。這種結構存在較多問題,包括:(1)固定噴嘴面積不可調,當蒸汽量變化時無法做出相應調整;(2)噴水量由給水分配閥調節(jié),要求水源壓力高于蒸汽壓力一定范圍才能使用;(3)給水分配閥閥內漏流量較大,導致減溫減壓裝置可調比過小,只能在50%～100%負荷工況下使用;(4)減溫水霧化效果差,致使最低可調溫度偏高,二次蒸汽最低溫度只能調到比飽和蒸汽溫度高15 ℃以上[23];(5)結構復雜、體積大、成本高,從制造安裝到后期維修維護都較為困難等。

為了解決減溫機構中減溫水霧化效果差、與過熱蒸汽混合不充分等問題,一系列新型減溫機構應運而生,根據其結構的差異可分為:可調霧化噴嘴型減溫機構和文丘里噴嘴型減溫機構。

可調霧化噴嘴型減溫機構可直接安裝在蒸汽管道上,減溫機構根據入口蒸汽參數的變化,由執(zhí)行機構控制噴嘴的開度和數量,以精確調節(jié)噴水量;噴嘴按流量布置,根據流量的大小逐漸開啟,以保證減溫水始終以完全霧化的方式噴入蒸汽管道[24]37。根據使用噴嘴的結構形式和數量的不同,可調霧化噴嘴型減溫機構可分為兩種:彈簧可調環(huán)形噴嘴減溫機構和可變截面式多噴嘴減溫機構。其中,可變截面式多噴嘴減溫機構流量調節(jié)比大,可達20 ∶1;而彈簧可調環(huán)形噴嘴減溫機構調節(jié)比小,但其結構更為簡單[25]。

當噴水量大于蒸汽量的25%,或當減溫水壓力低至二次蒸汽管線壓力0.4 MPa時,可采用文丘里噴嘴型減溫機構。文丘里噴嘴型減溫機構是基于文丘里效應設計的減溫機構,其霧化液滴大小主要取決于氣體壓力及流量[26]。文丘里噴嘴型減溫機構可以強化減溫水的霧化效果,并使減溫水與過熱蒸汽更好地混合。

過熱蒸汽流經減溫機構漸縮部位時,其流速增加,壓力降低,在喉部時流速達到最大值。由于文丘里效應的作用,高速蒸汽會產生振動,并強制減溫水旋轉噴入蒸汽管道,強化了蒸汽與減溫水之間的傳熱和減溫水的霧化效果。同時,由于噴入管道的減溫水全部汽化并與蒸汽混合,不會對混合處管道產生沖擊,無需額外安裝任何的保護襯墊[27]。

3 減溫減壓裝置關鍵技術研究方法

3.1 流動特性分析

對減壓閥的閥內流動特性的研究一直是一個熱點,浙江大學特種控制閥研究團隊對該熱點問題進行了細致的研究。

JIN Z J等[28]提出了一種新型高參數減壓閥,如圖6所示。

圖6 新型高參數減壓閥結構圖

該結構采用該閥體和孔板的結構改進方法,可以減少能量損失,提高蒸汽流動性能。

CHEN F Q等[29]針對不同結構參數(包括閥門開度、孔板直徑、套筒直徑、孔板倒角半徑、孔板壓力比和開孔板級數),對高多級減壓閥可壓縮湍流流動和能耗的影響因素進行了數值研究。侯聰偉等[17]33-39考察了籠罩式閥芯和節(jié)流孔板的間距對節(jié)流特性的影響,指出隨著節(jié)流孔板位置的下移,湍流耗散率不斷增大;而隨著流場最低溫度的不斷增大,籠罩式閥芯處的減壓效果會逐漸下降。

為了優(yōu)化旁路系統(tǒng)減壓閥閥體結構,以提升其在高參數工況下的安全性能,CHEN F Q等[30]采用流固耦合的方法,對某高壓旁路系統(tǒng)減壓閥的承壓熱沖擊強度進行了分析,并對該減壓閥進行了結構改進,以提高高壓減壓閥的調節(jié)性能。

由此可見,目前,國內減壓閥的流動特性分析技術已經達到了較高的水平,并且能較好地將其運用到實際產品的設計與改進中。

3.2 雙座式減壓閥密封技術

雙座式閥門結構存在一個重要問題,即由于加工精度的問題,難以同時保證閥芯和閥座間兩個密封面的緊密接觸,極易發(fā)生泄漏現象。泄漏會破壞閥門內部的力平衡系統(tǒng),降低閥體內啟閉件的靈敏性,使減壓閥動作緩慢遲鈍;即使是微量的泄漏,也會影響閥的輸出壓力,從而造成閥的失效[31]。

為此,李長松等[32]設計了一種籠式雙座蒸汽減壓閥的閥座結構,如圖7所示。

圖7 籠式雙座蒸汽減壓閥結構圖

該結構閥芯上下兩面都是錐形密封面,分別與上下閥座的錐形密封面緊密接觸;上閥座與閥籠連接處安裝了碟簧,使閥芯向下運動后閥芯與下閥座密封面能緊密接觸,上閥座與閥籠間的密封性能由其間的石墨環(huán)來保證。

此外,梅奎等[33]設計了一種閥瓣與閥桿之間的連接結構,以避免雙閥座減壓閥在使用過程中出現內閥瓣松動脫落的現象;該結構可大大減少減壓閥的檢修次數。

3.3 減溫機構優(yōu)化設計

由于減溫機構內涉及多相流動,且流體流動速度快、湍流程度大,對減溫機構進行優(yōu)化設計十分困難。目前,針對減溫機構的優(yōu)化設計主要集中在噴嘴結構優(yōu)化設計和新型減溫結構設計等方面。

目前,國內應用于減溫機構的可調霧化噴嘴主要是壓力式霧化噴嘴,即通過控制供水壓力和出水孔徑來實現水的霧化,因此,一般噴嘴設計的目的是基于高壓霧化的原理,通過減小出水口徑和增大出水壓力,來提高其減溫水霧化能力[34]。而事實上,越小的出水口徑和越高的出水壓力不僅會極大地提高成本,還易引起噴嘴堵塞,以及對蒸汽水霧混合管道產生嚴重沖擊,因此,研究人員將更多目光投向了噴嘴調節(jié)性能的提升上。

王榮[35]利用離散相模型研究了噴嘴噴出的減溫水水霧與蒸汽混合的情況,分析比較不同混合距離橫截面上蒸汽的溫度分布,得到了設計參數下噴水減溫的最佳混合距離;并指出噴嘴噴射角度為鈍角時,減溫效果要好于銳角。孫麗等[24]32-33設計了一種集減溫水壓力、流量調節(jié)于一體,并可實現多級壓力調節(jié)的傘狀霧化可調噴嘴;該噴嘴具有極細的霧化效果,可有效地避免水積對高溫高壓管道的破壞。張明等[36]26改進設計了一種具有止回和關閉功能的旋轉霧化可調噴嘴,實現了定壓噴射;該噴嘴在噴射過程中,其水珠旋轉霧化粒達300 μm～500 μm,并能自適應地調節(jié)霧化的水量。

由于文丘里結構能強化減溫水霧化效果,并使水霧與蒸汽充分混合,該結構被廣泛應用于新型減溫機構的設計中。袁舒欣等[37]對文丘里噴管進行研究分析,通過實驗發(fā)現在霧化噴嘴中應用文丘里噴管,可有效增加水霧中小顆粒液滴的比例。

WANG Y等[38]為了強化傳熱效率,設計了新型噴霧減溫裝置,如圖8所示。

圖8 新型噴霧減溫裝置

該結構的特點在于采用了兩級文丘里管,離心噴嘴與單級文丘里管的結合優(yōu)化了噴嘴的噴射效果,延長了減溫水的使用范圍;噴嘴噴射效應增大了收縮區(qū)與喉道區(qū)之間的壓差,強化了文丘里效應。由于結合了離心噴嘴和兩級文丘里管,該結構的噴淋霧化效果更好,蒸汽溫度可調范圍更大,可以適應大的蒸汽負荷變化,保持穩(wěn)定工作。

杭州華惠閥門有限公司提出了一種多級調節(jié)閥,配合自動霧化傘狀可調噴嘴進行減溫的高精度減溫機構。該機構采用了高壓差多級調節(jié)閥進行粗調,配合文丘里管內設有的自動霧化傘狀可調噴嘴進一步細調,使減溫水射速保持恒定;同時文丘里管喉部較高的蒸汽流速可改善減溫水霧化效果,從而優(yōu)化減溫效果,擴大流量調節(jié)范圍。該技術可使出口溫度調節(jié)精度達到±2 ℃[21]。

但需要指出的是,由于文丘里管喉部直徑是固定的,僅在大流量工況時能產生較好的減溫水霧化效果及蒸汽與減溫水混合效果;而當面臨小流量工況時,該結構并不能起到很好的減溫作用。因此,如何使文丘里管喉部直徑隨著蒸汽流量的改變而改變,仍是目前一個難以解決的問題。

此外,由于減溫水噴嘴處兩相流流場極其復雜,且不穩(wěn)定,對其進行的研究存在一定的困難,導致目前國內缺乏對減溫機構內部流場的研究分析。

而實際上,對減溫機構內流場進行分析,不僅可以從機理上指導其結構的優(yōu)化設計,從而提高減溫效率,還能從原理上對許多減溫機構的失效現象進行解釋,以便從根源上解決問題。

3.4 減溫減壓裝置降噪減振技術

減溫減壓裝置的降噪減振技術一直受到許多專家學者的重視。振動會使機械設備產生較大的動載荷,從而嚴重影響設備的工作性能和壽命;巨大的噪聲不僅會損壞設備,還會危害操作人員的身體健康,并且巨大的噪聲也會引發(fā)振動。因此,相關標準規(guī)定,減溫減壓裝置中的總體噪聲水平應不大于85 dB(A)[39]。

減溫減壓裝置中的振動噪聲主要來源于減壓機構和減溫機構。在減壓機構中,流體流經節(jié)流元件如閥芯和孔板時,壓力迅速降低,發(fā)生超聲速流動,導致減壓閥內氣體的湍流程度加劇,并由此產生較大的噪聲[40]。在高壓差工況下工作時,減壓閥蒸汽壓力的變化和劇烈的湍流流動,極易引起整個管路系統(tǒng)的振動,同時產生巨大的噪聲。

針對減壓閥噪聲問題,陳立龍等[41]指出,閥內噪聲的強弱與湍流的程度有關。為了降低減壓閥內噪聲,一般的方法有:(1)在減壓閥內增設消聲器,如多孔板或多孔網罩等;(2)改進閥門結構,以減小噪聲。

近年來學者在減壓閥降噪方面的研究進展如表3所示。

表3 減壓閥降噪技術研究進展

根據頻率的大小,振動可分為3種:(1)低頻振動,頻率小于1 000 Hz;(2)中頻振動,頻率介于1 000 Hz～5 000 Hz之間;(3)高頻振動,頻率大于5 000 Hz。

在減溫減壓裝置中,振動一般包括機械振動和流激振動:(1)機械振動。指由于流體與零件碰撞和零件與零件碰撞而產生的振動,為低頻振動,危害較小,相對容易控制;(2)流激振動。是指當設備自然頻率與流體激勵頻率一致時引起的共振,為高頻振動。

高參數蒸汽在通過減壓閥后不但產生巨大的噪聲,還會引起劇烈的高頻振動,高頻振動將嚴重地損害裝置內零部件,降低裝置壽命,是制約減溫減壓裝置向高參數化發(fā)展的重要因素。

ERD?DI等人[52]通過CFD的方法擴展了對減壓閥內聲耦合不穩(wěn)定性的研究范圍,研究了一種會導致閥門震顫的1/4波的不穩(wěn)定性。張雷[53]通過實驗研究發(fā)現,隨著噴入減溫減壓器的水蒸汽參數的升高,管壁的振動總有效值會越來越高。針對這一問題,目前國內主要的解決方法為采用多級減壓結構和增大閥門口徑,從閥門結構設計上來減小振動,同時也能起到部分降噪的作用。

張明等人[36]25-26對各類典型結構的蒸汽減壓閥進行了試驗,發(fā)現采用高減壓比的多級節(jié)流降壓結構能提高蒸汽減壓閥減壓性能,且無明顯振動的發(fā)生。鳳建剛[54]圍繞某公司烯烴裝置內高壓蒸汽減壓閥的振動問題,對閥芯、套筒和密封環(huán)等部件進行了設計改造,使得閥桿處的平均振幅由318 μm/s降至了122 μm/s。

在減溫機構中,減溫水遇到高溫蒸汽后會迅速汽化形成兩相流,從而引起強烈振動和高噪聲[55],并影響整個管路系統(tǒng)。若噴出的減溫水與管壁面發(fā)生直接接觸,則會導致該處壁面出現熱疲勞損傷,繼而產生裂紋;同時,振動又會加快裂紋的擴散,最終導致其失效。

由于減溫機構內的振動噪聲問題不如減壓機構中的嚴重,并未引起研究人員太多的重視。

然而由于減溫機構內部流場的復雜性,對其進行振動噪聲研究難度不比減壓機構小,它已成為了目前減溫減壓裝置的一個主要技術難題。

3.5 減溫減壓閥設計計算與壽命估算

對減溫減壓閥進行設計計算和壽命估算是保證其正常運行和實現安全生產的前提。

上海交通大學的王群慧等人[56]對汽機旁路系統(tǒng)中的減溫減壓閥閥體三維瞬態(tài)溫度場和應力場進行了分析,結果發(fā)現,由于高溫蒸汽與減溫水在閥體內側的閥座處相遇,該處的溫度變化特別劇烈,流動壓差大,剪應力也較大。鄭麗紅[57]以某電廠減溫減壓站的減溫減壓閥為例,提出了減溫減壓閥內減溫水流量、多級減壓流通能力和減溫水噴管流通能力的設計計算方法,為其后續(xù)的研究提供了參考。

早期的減溫減壓閥的壽命評計主要依據的是減溫減壓閥中各個零件材料的低周疲勞特性,該方法雖然簡單方便,但并不準確。上海交通大學的鐘世梁等人[58]以600 MW的發(fā)電機組汽機旁路系統(tǒng)為研究對象,通過計算后認為,對該減溫減壓閥的使用壽命估算應以考慮高溫蠕變破壞為主;并采用θ函數法對閥體的使用壽命進行了估算,得到了閥體的最大應力值,以及破壞出現的位置。

多年來,針對減溫減壓閥進行設計計算和壽命估算的方法研究和案例分析較少。雖然目前已有的方法能基本滿足工業(yè)需要,但如何進一步提高減溫減壓閥的設計水平和其壽命估算精度,仍需要研究人員作更深入的研究。

3.6 減溫減壓閥結構優(yōu)化設計

減溫減壓閥長期處于高溫高壓的工作環(huán)境,因此,其閥體和閥內零部件極易發(fā)生蠕變與過熱氧化。此外,由于減溫水直接噴入閥內與過熱蒸汽混合,接觸瞬間會對閥體產生巨大的沖擊,并引起閥體和閥內零部件產生熱應力和熱疲勞損傷,導致閥門壽命降低,嚴重時可能會危害整個管路系統(tǒng),造成巨大的損失。因此,如何對減溫減壓閥進行結構優(yōu)化,從而在提高其性能參數的同時延長壽命是現階段研究的重點。

國內的減溫減壓閥主要采用籠罩式雙閥座結構。該結構存在的主要問題有:(1)蒸汽中帶有的雜質容易附著在閥籠上,造成閥籠的堵塞;(2)難以保證密封。

針對閥籠堵塞問題,袁偉超[59]指出,在閥內加裝濾網過濾雜質是一個最佳的選擇。張文福等[60]設計了一種能及時有效地排出雜質,防止閥門失效卡死的高溫高壓減溫減壓閥。

而對于密封問題,李新全等人[61]發(fā)明了一種全密封減溫減壓閥,該閥門在關閉狀態(tài)下密封性能好,且減溫控制精度高。

針對套筒式結構中套筒容易失效的問題,李廣軍等人[62]研制了一種噴水型減溫減壓閥,如圖9所示。

圖9 噴水型減溫減壓閥

該結構形式將文丘里管應用到了減溫減壓閥中,有效解決了套筒式結構中套筒容易失效的問題[63，64]。

此外,與減壓閥類似,減溫減壓閥內也存在著過熱蒸汽的高速湍流,會引發(fā)嚴重的振動與噪聲。并且,由于減溫減壓閥內部采用了多級小孔以實現節(jié)流降壓,流道具有典型的縮頸特征,在高壓差下更加容易產生強振動和高噪聲問題[65]。

針對這一問題,雖然可以借鑒減壓閥的減振降噪技術,在減溫減壓閥內增設消音器,如套筒、孔板等結構,但由于閥內還同時進行著減溫過程,使其工況更為復雜,極大地增加了減壓閥的減振降噪難度。

相比于分體式裝置,一體式減溫減壓裝置除了在占地面積和成本上有優(yōu)勢之外,其減溫效果也要強于分體式中的減溫機構,這是由于減溫減壓閥閥瓣后部的蒸汽流速大,更有利于減溫水的汽化;而當進口蒸汽參數超過9.81 MPa,540 ℃時,減溫減壓閥的可靠性就會急劇下降,所以這也成了目前一體式減溫減壓裝置發(fā)展的主要瓶頸之一。

另外,材料問題也是目前亟須解決的問題。良好的材料可以延長減溫減壓裝置在高參數工況下的使用壽命。但一些高溫環(huán)境下使用的材料如鎳基合金,因為價格高,且缺少相關的標準,目前在國內還很少使用。

4 結論與展望

多年來,我國減溫減壓裝置的研發(fā)生產水平有了顯著的進步,并且也建立了一套比較完整的設備設計、研制和生產體系;無論是從高參數工況適應能力、精度控制情況、降噪減振水平、自動化程度等方面來看,都達到了國際先進水平。但隨著現代工業(yè)越來越向著高參數、大型化、精細化、智能化方向發(fā)展,對減溫減壓裝置使用的工況越來越嚴苛,對減溫減壓裝置的要求也越來越高。

為了促進我國工業(yè)水平的發(fā)展,尤其是能源行業(yè)的發(fā)展,筆者提出了未來減溫減壓裝置的主要研究方向:

(1)復雜工況下減溫減壓裝置內蒸汽超臨界流動特性分析,尤其是針對減溫機構和減溫減壓閥內的蒸汽流動特性分析;

(2)減溫減壓裝置密封結構設計,主要針對雙座式結構的減壓閥和減溫減壓閥的密封結構設計;

(3)復雜工況下減溫減壓裝置降噪減振技術,包括減壓閥降噪減振結構設計,以及減溫機構振動噪聲機理的研究;

(4)減溫減壓裝置結構優(yōu)化設計,主要包括流量自適應型文丘里減溫機構、其他新型減溫機構和減溫減壓閥的研發(fā)與應用;

(5)高溫材料的研究與應用,包括已有高溫材料的標準制定與完善,和其他新型高溫材料的研發(fā)與應用。