超(超)臨界高加三通閥的研究
介紹了超(超)臨界火電機組高壓加熱器液動(dòng)旁路保護系統和電動(dòng)旁路保護系統的典型布置及功能原理，分析了兩種旁路保護系統配置高加三通閥的結構特點(diǎn)和工作原理。通過(guò)分析可知，液動(dòng)高加三通閥開(kāi)關(guān)迅速，但電動(dòng)高加三通閥結構簡(jiǎn)單、控制方便、密封更可靠。
一、前言
高壓加熱器是火力發(fā)電廠(chǎng)凝汽式抽汽回熱系統的重要部件，它安裝在給水泵和省煤器之間，利用汽輪機各級抽汽來(lái)加熱高壓給水，提高給水溫度，減少進(jìn)入鍋爐給水和爐膛的溫差，提高機組發(fā)電效率。
為保證高壓加熱器解列時(shí)機組正常運行，高壓加熱器設置了旁路保護系統。超(超)臨界火電機組高壓加熱器旁路保護系統按高加三通閥驅動(dòng)方式分為電動(dòng)旁路保護系統和液動(dòng)旁路保護系統。
二、液動(dòng)旁路保護系統
1. 系統布置
液動(dòng)旁路保護系統包括液動(dòng)高加入口三通閥、液動(dòng)高加出口三通閥、氣動(dòng)快啟閥、注水閥及其控制系統等，系統的典型布置如圖1所示。
圖1 液動(dòng)旁路保護系統
1.注水閥 2.液動(dòng)高加入口三通閥 3.氣動(dòng)快啟閥 4.泄壓管路 5.旁路 6.液動(dòng)高加出口三通閥 7.高壓加熱器 8.主路 9.注水管路
2. 功能原理
高壓加熱器投運前，高加三通閥處于主路關(guān)閉旁路開(kāi)啟狀態(tài)，給水經(jīng)旁路進(jìn)入鍋爐。高壓加熱器投運時(shí)，首先打開(kāi)高加三通閥上部鎖緊手輪，將上閥桿旋至全開(kāi)位置，同時(shí)開(kāi)啟注水閥，給水經(jīng)注水管路進(jìn)入高壓加熱器，當高壓加熱器管側壓力升至一定值后，介質(zhì)作用在閥桿橫截面上的升力大于填料摩擦力和活動(dòng)部件自重，閥桿帶動(dòng)閥瓣上移，打開(kāi)高加三通閥主路關(guān)閉旁路，高壓加熱器投運。當高壓加熱器發(fā)生故障時(shí)，殼側水位急劇上升超過(guò)允許值時(shí)，液位控制系統會(huì )給出信號，使氣動(dòng)快啟閥迅速開(kāi)啟，將高加三通閥活塞缸下腔的介質(zhì)泄壓，上腔介質(zhì)推動(dòng)高壓活塞帶動(dòng)閥瓣迅速下移，打開(kāi)旁路關(guān)閉主路，使高壓加熱器安全解列，給水經(jīng)旁路進(jìn)入鍋爐。
3. 液動(dòng)高加三通閥
液動(dòng)高加入口三通閥與液動(dòng)高加出口三通閥工作原理基本相同，均采用內置高壓活塞驅動(dòng)，但液動(dòng)高加出口三通閥結構簡(jiǎn)單，以液動(dòng)高加入口三通閥為例進(jìn)行分析研究。
(1)結構原理 液動(dòng)高加入口三通閥的結構如圖2所示，由閥體、上閥座、下閥座、高壓活塞、閥瓣、彈簧蓄能圈、閥蓋、節流套及活塞缸等組成。閥體與閥蓋處采用壓力自緊式密封設計，壓力越高密封性越好；高壓活塞與閥桿為一體式結構，通過(guò)閥瓣壓蓋與閥瓣連接；活塞缸上腔通過(guò)連通管與閥體中腔相連，下腔與泄壓管路相連；下閥座與閥體焊接連接；上閥座與節流套、活塞缸為一體式結構，與閥體間采用彈簧蓄能圈和O形圈。
液動(dòng)高加三通閥的開(kāi)啟、關(guān)閉均由30MPa以上的高壓水驅動(dòng)，整個(gè)動(dòng)作時(shí)間小于5s。閥門(mén)主路和旁路關(guān)閉時(shí)的密封力均由閥瓣上下腔的介質(zhì)壓差作用力提供。
圖2 液動(dòng)高加入口三通閥
1.閥體 2.下閥座 3.閥瓣 4.上閥座 5.彈簧蓄能圈 6.O形圈7.節流套 8.活塞缸 9.活塞 10.上閥桿 11.手輪 12.四合環(huán)13.自密封圈 14.閥蓋 15.閥桿 16.閥瓣壓蓋
(2)上閥座密封機理 高加入口三通閥旁路關(guān)閉后的密封性是閥門(mén)一項重要性能指標，上閥座與閥體間密封可靠性是保證該指標的重要因素。因此，上閥座與閥體間采用彈簧蓄能圈和O形圈兩道密封。第一道密封是彈簧蓄能密封圈，它由聚合物材料密封殼和耐腐蝕的不銹鋼金屬彈簧組成。密封圈安裝在溝槽內，彈簧受壓形成向外的張力，使密封唇緊密地貼合在密封溝槽壁上，由此形成初始的密封。工作狀態(tài)下，高壓介質(zhì)會(huì )輔助彈簧壓緊密封唇，壓力越大，密封唇與溝槽壁貼合得越充分，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為由此形成可靠的高壓密封。
第二道密封是O形密封圈，它是一種擠壓型密封。O形密封圈裝入密封槽后，其橫截面受到接觸壓縮應力而產(chǎn)生7%～30%的彈性變形，對密封槽壁面產(chǎn)生一定的初始接觸壓力p0，形成初始的密封圈壓力，實(shí)現密封；在工作狀態(tài)下，O形密封圈在介質(zhì)壓力的作用下會(huì )發(fā)生位移，移向低壓側，同時(shí)其彈性變形進(jìn)一步加大，填充和封閉上閥座與閥體間隙。此時(shí)，作用于密封副耦合面的接觸壓力上升為pm，達到零泄漏的密封性。pm按式(1)計算。
式中 pm——接觸壓力，單位為MPa；K——壓力傳遞系數，橡膠制O形密封圈K=1；p——被密封介質(zhì)的壓力，單位為MPa。
(3)旁路減壓設計 當介質(zhì)流經(jīng)高壓加熱器時(shí)，約有0.3MPa的壓力降，為保證高壓加熱器投運和解列時(shí)進(jìn)入鍋爐的介質(zhì)壓力平穩，閥體上腔的旁路流道設有節流套，起到節流減壓作用。節流套的減壓面積按式(2)進(jìn)行計算。
式中 F——減壓面積，單位為cm2；Q——介質(zhì)流量，單位為t/h；f——閥門(mén)流阻系數；γ ——介質(zhì)密度，單位為g/cm3；Δp——高壓加熱器的壓力降，單位為kgf/cm2(1kgf/cm2=9.8×104Pa)。
三、電動(dòng)旁路保護系統
1. 系統布置
超(超)臨界火電機組電動(dòng)旁路保護系統的典型布置如圖3所示，系統包括電動(dòng)高加三通閥、電動(dòng)閘閥、注水閥及其控制系統等。電動(dòng)高加三通閥安裝在高壓加熱器入口管道，電動(dòng)閘閥安裝在出口管道。
圖3 電動(dòng)旁路保護系統
1. 注水閥 2.電動(dòng)高加三通閥 3.旁路 4.電動(dòng)閘閥 5.高壓加熱器6.主路 7.注水管路
2. 功能原理
高壓加熱器運行時(shí)，電動(dòng)高加三通閥主路開(kāi)啟旁路關(guān)閉，電動(dòng)閘閥處于開(kāi)啟狀態(tài)，給水經(jīng)高壓加熱器進(jìn)入鍋爐。當高壓加熱器泄漏而使水位超過(guò)允許值時(shí)，DCS控制系統給出信號使電動(dòng)裝置動(dòng)作，迅速關(guān)閉電動(dòng)高加三通閥主路開(kāi)啟旁路，同時(shí)關(guān)閉電動(dòng)閘閥，使高壓加熱器解列。當高壓加熱器投運時(shí)，先開(kāi)啟注水閥向高壓加熱器內注水，借助介質(zhì)對閥桿的提升力和電動(dòng)裝置力開(kāi)啟電動(dòng)高加三通閥主路關(guān)閉旁路，同時(shí)開(kāi)啟電動(dòng)閘閥。
3. 電動(dòng)高加三通閥
(1)結構原理 電動(dòng)高加三通閥結構如圖4所示，由閥體、上閥座、下閥座、閥瓣、閥蓋、閥桿及節流套等組成。下閥座與閥體焊接連接；上閥座與閥體以及閥體與閥蓋間均采用壓力自緊式密封結構連接；閥桿通過(guò)閥瓣壓蓋與閥瓣連接，并通過(guò)T形螺紋與電動(dòng)裝置連接。
電動(dòng)高加三通閥的開(kāi)啟與關(guān)閉由電動(dòng)裝置控制，受電動(dòng)裝置轉速和閥桿螺距的限制，閥門(mén)的全行程時(shí)間為30～45s。閥門(mén)主路和旁路關(guān)閉時(shí)的密封力均由閥瓣上下腔的介質(zhì)壓差作用力加電動(dòng)裝置力提供，密封更可靠。
(2)上閥座密封機理 上閥座與閥體間均采用柔性石墨自密封圈密封。首先，螺栓將上閥座提起，預壓縮自密封圈，提供初始密封力；當閥門(mén)旁路關(guān)閉時(shí)，介質(zhì)力進(jìn)一步壓緊自密封圈，達到可靠的密封性。
(3)旁路減壓設計 與液動(dòng)高加三通閥一樣，電動(dòng)高加三通閥的旁路流道也設有節流套，保證介質(zhì)流經(jīng)旁路產(chǎn)生的壓力降與流經(jīng)高壓加熱器時(shí)基本相同，從而使鍋爐壓力平穩。
圖4 電動(dòng)高加三通閥
1.閥體 2.下閥座 3.閥瓣 4.閥瓣壓蓋 5.自密封圈 6.四合環(huán)7.壓板 8.自緊式密封圈 9.閥桿 10.電動(dòng)裝置 11.閥蓋12.節流套 13.螺栓 14.壓環(huán) 15.上閥座
四、結語(yǔ)
通過(guò)上述分析，液動(dòng)和電動(dòng)旁路保護系統均能起到保護高壓加熱器的作用，液動(dòng)和電動(dòng)高加三通閥的上閥座均可更換，與閥體采用可靠的密封方式。但液動(dòng)高加三通閥全行程時(shí)間小于電動(dòng)高加三通閥；閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，電動(dòng)高加三通閥的密封力是由介質(zhì)作用力加上電動(dòng)裝置力提供的，密封更可靠；電動(dòng)高加三通閥結構簡(jiǎn)單，且操作、控制方便。因此，應根據超(超)臨界機組的具體要求選配高加三通閥。
