超临界火电机组给水再循环调节阀汽蚀分析及处理

1、概述

　　目前超临界火电机组的给水再循环系统均装设调节阀，该阀将部分除氧器水由给水泵升压后重新回流至除氧器内。

2、工况条件

　　某电厂两台（取编号为A和B）超临界机组给水系统再循环用调节阀均为笼罩式7级减压低进高出式结构，除氧器内给水处于饱和状态运行（除氧器内给水压力对应的饱和温度等于给水温度）。A调节阀安装在除氧器顶部，出口直接水平接入除氧器内。B调节阀低于除氧器顶端4 m部位，出口经过5 m垂直管道（即在阀后建立5 m高的水柱压力）后接入除氧器内，两个调节阀的运行模式和工况相同（表1）。

      A调节阀运行120 d后，减压阀笼整体被汽蚀侵蚀造成穿透性损坏，阀瓣完全破坏（图1）。B调节阀运行2 a后，减压阀笼整体无损坏、阀座密封面完好、阀瓣密封面有比较明显的冲刷损坏（图2）。从实际使用情况分析，安装位置较低的调节阀整体运行状况较好。调节阀的可靠性受安装位置的影响明显，即阀后压力高于除氧器压力的调节阀使用状况优于阀后与除氧器压力相同的调节阀。调节阀后建立的一定压力，比较有效的减弱了给水在调节阀减压过程中出现汽蚀时的强度，提高了调节阀的可靠性。

3、汽蚀分析

　　汽蚀分为两个阶段，第一阶段是液体内部形成空腔或汽泡（即闪蒸阶段），第二阶段是汽泡的破裂（即空化阶段）［1］。汽泡破裂会产生微射流和冲击波，冲击波的作用时间为微秒级，对流体产生机械搅拌作用，靠近阀笼位置产生极高的射流速度，对阀笼表面产生极高的压强。高频的冲击作用在阀笼部位，造成阀笼部位金属的抗疲劳强度降低直至其表面被破坏［2］。

　　再循环调节阀在减压过程时，将除氧器内的饱和水经给水泵升压后达到极高的压力，再经过调节阀的减压重新回到除氧器内。该过程中由于调节阀前后有很大的压差存在，必然导致调节阀阀笼内经过的给水流速极高才能保证系统足够的流量。由于调节阀阀笼前后总压差的存在，需要通过阀笼足够的流量保证调节阀的有效性。阀笼D7减压层的水流一定会存在足够的流速ν1，减压孔内设计压力为P1，阀笼设计出口压力为P3（一般取除氧器的工作压力P2，与除氧器内给水的饱和压力Pv相同，P2= Pv），设计出口流速为ν2（图3）。

　　在阀笼减压的初始阶段压力比较高，不会出现动压低于饱和压力，因此这个阶段不会出现闪蒸和汽蚀问题。在阀笼减压的末级部位D7减压层，此阶段由于接近阀笼出口部位，减压后的压力理论上高于饱和压力Pv，而实际上由于此阶段的水流速仍然很高，其动压P1会低于汽化压力Pv而达到汽化临界压力Pc，发生闪蒸，水流中夹杂汽泡发生。在阀笼末级减压孔出口的边缘部位（A部位），由于该部位上部区域的流体流速很低，高速液流临近该区域会带动该区域的流体产生涡流现象，减压孔边缘的流体流速急剧降低，导致其压力快速升高至P2，接近饱和压力Pv，水流中夹杂的部分汽泡出现破裂，产生巨大的局部压强作用在减压孔的边缘A部位，发生汽蚀，形成对减压孔边缘的侵蚀。

长时间汽蚀的破坏超过阀笼金属的屈服极限，会导致阀笼边缘发生撕裂性破坏，使减压孔逐步失去减压作用。当末级减压层D7减压效果失效后，D1～D6减压层的压差分配重新调整，其分别承受的压差增大，有效减压孔继续向D6减压层快速移动，直至D1减压层失效，整个减压孔出现撕裂性损坏，阀笼减压孔组件的减压作用全部丧失。此时，阀瓣部位直接承受全部的压差，汽蚀强度达到最大，导致阀瓣快速发生损坏。

笼罩式调节阀阀笼汽蚀的破坏损伤呈现减压孔由内向外撕裂性的扩孔。

　　给水再循环调节阀减压过程中，由于阀门出口压力为饱和压力Pv，仅通过设计时增加减压级数的方式缓慢降低减压孔出口流速而避免剧烈的流速突降，仅能降低减压孔出口部位的汽蚀裂度，但不能避免汽蚀的发生。

4、汽蚀强度的影响因素

4.1空化数

　　空化的剧烈程度影响汽蚀的破坏强度，空化剧烈程度越大，汽蚀的强度越大，对末级减压级的破坏也越大。

　从式（1）中分析，调节阀的阀笼末级设计流速v0越低，流体恢复压力P2越大，则其Ci越大，汽蚀的剧烈程度越小。在调节阀减压级设计时，采取减压级增加和恢复压力提高等措施，降低末级减压级压降而降低其易空化区域的流速，Ci变大而降低减压级的汽蚀剧烈程度，调节阀的抵抗汽蚀能力也相应提高。

4.2流体恢复压力

当调节阀的型号选定后，调节阀末级流速v0已经确定，不会发生变化，只有从增加P2-Pv值方面入手提高调节阀的抗汽蚀能力。当P2-Pv选择至大于临界压差时，理论上整个调节阀减压过程中不会出现闪蒸和空化现象。对于给水泵再循环调节阀计算时可以选择汽化压力Pv近似为临界压力Pc。对于多级减压阀笼，汽蚀发生在末级减压层。要使末级减压层整个减压过程不出现压力低于Pv的情况，须提高恢复压力P2，使

式中v1——调节阀内减压阀笼后流体流速

在末级减压层以前的各级减压层，由于其分配压力较高，在整个减压过程中即使出现流速过高的情况，也不会出现减压过程中的压力低于汽化压力Pv的情况。在该状况下，减压阀笼整个减压过程的各段压力均被提高，使减压过程不会出现压力低于汽化压力Pv的情况，整个各级减压过程均不出现闪蒸和空化现象。

提高流体恢复压力一般采用调节阀后安装二级调节阀、调节阀内主调节阀笼后加装副减压阀笼或降低调节阀的安装高度等方式。

（1）调节阀后安装二级调节阀的方式是将调节阀后管道内流体压力高于除氧器压力，将调节阀内各减压级压力提高至汽化压力以上，阀内不会出现汽蚀问题。但是，调节阀的汽蚀将后移至二级调节阀，二级调节阀的汽蚀问题明显，阀内件的损坏会比较严重。二级调节阀的安装会增加系统的复杂性和运行成本，降低再循环系统的可靠性。

（2）调节阀内主调节阀笼后加装副减压阀笼可以直接提高主调节阀笼的出口压力和各减压级的压力，在主调节阀笼内不会发生汽蚀，而是将汽蚀转移至副减压阀笼出口部位。副减压阀笼受到汽蚀损坏后不会影响主减压阀笼和阀瓣部位的密封，也能够有效的保证其调节性能。副减压阀笼为单层结构，表面可以进行单独硬化处理，抗汽蚀性能较强、成本也较低，比较容易更换。该方案需对阀门内部结构重新设计，替代已有的调节阀。

（3）降低调节阀的安装高度是在调节阀后建立一段水柱，水柱产生的压力会提高调节阀内各减压层内流体的压力，使其高于原设计压力，接近甚至高于汽化压力Pv，可以比较有效的减弱和消除汽蚀。

经分析，降低调节阀的安装高度是现场可行的方式。增加调节阀后的水柱压力后，阀门的固有特性Kv、qv和Δpr不变，系统的压力损失ΔpL增加。调节阀系统总压力损失Δpso=ΔpL+Δpr，对于超临界机组给水压力达到29 MPa，Δpr接近28 MPa，而ΔpL仅为约01 MPa，ΔpL仅为Δpso的035 %，可以按照Δpso=Δpr考虑，系统中阀门的qv′也不会发生变化。阀门安装高度的降低不影响阀门的自身特性［4］。

5、应用

5.1管路振动处理

调节阀安装高度降低后，阀后的垂直管道长度增加，阀后流体存在不稳定流动状态，引起管道的振动。当管道的自振频率与流体的激振频率接近时，管道振动振幅会明显增加，否则就不会发生较大的振动。由于低位安装的调节阀后汽蚀剧烈程度较小，阀门后紧邻的一部分管道由于阀门出口流体出现的不稳定流动状态导致管道出现振动。通过增加阀后管道的支撑刚度提高管道自振频率，避免共振现象发生，降低管道对激振力的响应程度，减小管道振动，也可安装阻尼、吸振装置等消耗能量装置降低管道的振动响应程度［5］。

5.2降低安装标高

根据A、B再循环调节阀设计末级减压孔流速为15 m/s，阀后流速为3 m/s。经计算，将调节阀的安装标高低于阀后管道出水高度11 m时，可以消除调节阀内的汽蚀问题。但由于安装位置的限制，将B调节阀安装标高比A调节阀降低5 m，即B调节阀后建立5 m高垂直水柱，阀内各减压级压力提高约004 MPa。降低B调节阀的安装标高5 m不能消除汽蚀问题，但可以有效的减弱汽蚀的强度，提高调节阀的使用周期。降低安装高度的调节阀由于阀后管道支撑刚度足够，管道未出现共振导致的振动增大问题。

6、结语

在给水泵再循环系统中，调节阀后的汽蚀（空化）问题由于系统的原因会一直存在，即使采用增加调节阀减压级数来降低流速的方式也不能消除调节阀内和阀后的汽蚀问题，仅能延长阀门的使用周期。建议通过降低调节阀的安装高度提高调节阀后的压力，以达到减弱甚至消除阀内汽蚀问题。选择调节阀的安装标高低于阀后出口位置在阀后建立一定的水柱压力，将高差控制在接近（v02- v12）/2g，以减弱或消除调节阀的汽蚀问题。安装高度降低后，应采用提高调节阀后管道支撑刚度或加装阻尼装置等措施，消除调节阀后管道的振动。