超超临界660 MW机组给水泵再循环阀的优化改造

陈友顺

(浙江浙能乐清发电有限责任公司，浙江 温州 325609)

0 引言

良好的给水温度及稳定性是保障燃煤机组热效率的关键因素[1]，而给水泵再循环阀又称最小流量阀是锅炉给水泵系统的最关键阀门[2]。由于此阀门承受高温、高压差，运行环境极为恶劣，其前后压差为火电厂最大差压，致使该阀极易汽蚀、侵蚀及冲刷，阀门内漏故障频发，严重影响机组安全经济运行[3-6]。我国现有超超临界机组给水泵再循环阀基本上采购进口设备，投资费用及后续维修费用较高，尽管如此，再循环阀的阀门故障依然频发，整体使用寿命不高[7-9]。实际再循环阀门故障的处理及改造经验具有重要的参考价值。

某电厂660 MW超超临界机组原配用的再循环阀为进口的美国Copes-Vulcan 阀(简称CV阀)，自投运以来，一直存在着频繁内漏的问题，甚至在更换新阀内件后不到半年，再次出现内漏情况，严重影响着机组的安全运行。本文分析了某厂进口再循环阀故障原因，提出一种采用镶嵌式节流迷宫式结构的国产化改造方案，并介绍了国产化改造技术特点，使用结果表明，经改造后的再循环阀在机组整个检修周期内均无内漏情况发生，改造效果显著。

1 再循环阀的工作原理及内漏故障分析

1.1 给水泵再循环阀的工作原理简介

燃煤机组给水泵的作用是将除氧器中的水送往锅炉，其中给水泵再循环调节阀如图1所示，安装在给水泵出口管道的支管上，接入除氧器，在机组启动或低负荷运行中，确保给水泵具有维持安全运转的水流量[10]。当锅炉给水需要量很小或不需要流量时，为防止其产生过热和汽蚀，就会打开再循环阀，使一部分高压给水再回流到除氧器，来保证给水泵的安全运行。所以，在任何情况下都要求给水泵必须有一个最基本的流量，即给水泵的最小流量[11]。当锅炉给水流量达到一定值时，再循环阀将会逐渐关闭，以提高给水泵运行的经济性。

图1 再循环调节阀流程图

1.2 实际案例分析

为直观的了解对再循环阀的影响，现结合某电厂解列装置进行检查。如图2所示为机组运行一段时间后，CV阀内件的冲蚀情况。该阀长期处于漏流状态，密封面在短期内就会被高速流体冲坏，以致无法关严，随着漏流越来越多，给水泵出口的高压流体又重新回到除氧器，严重影响机组发电效率。

图2 原CV阀内件冲蚀图片

经过对阀门的解体研究，针对材质在密封设计上的特点，并结合电厂实际运行工况，分析原因可能是给水系统水质不佳和冲管质量管控不严有关，水中杂质颗粒镶嵌，导致了阀芯与阀套出现划伤和压痕。

机组常态运行下，水质的处理技术要求及系统的安装检修工艺，难以保证给水品质，水中存在的悬浮颗粒，对软密封带来损害。同时，对管道内部的清洁标准要求不够，也是造成管道内留有较多杂质的因素之一。然而，机组的安装和检修过程，检验程序和施工工艺相对简单，无法做到无杂物及颗粒。所以，在现有条件下，对再循环阀进行相应改造是解决此问题的可选方向。

1.3 再循环阀内漏故障及其原因分析

内漏是给水泵再循环阀最常见故障，引起内漏的原因一般包括冲刷和汽蚀两种。

(1)再循环阀的冲刷分析

由于介质速度跟压差有密切关系，流体速度在阀门内的最小断面的下游少许最高，这种高流速现象会引起汽蚀腐蚀和磨损出现，阀门很快就会被冲毁，产生内漏。

在超超临界机组中给水泵再循环阀的调节参数，如表1所示，要将给水压力由38 MPa以上直接降为除氧器的压力，阀前后压差较高，即使阀门在小开度时，流速也非常高。所以，如果结构上无有效的节流措施，阀门的密封面就在短期内遭到严重冲刷，以致损坏。

表1 某超超临界机组在循环阀最小流量参数

超(超)临界机组采用直流锅炉，要求再循环阀可调节给水流量，而不是开-关两位式调节阀。同时，对给水泵再循环阀的严密性要求更高，容许内漏量很小；否则，不仅将对阀门本身造成冲刷，还会导致机组的效率降低。所以，大型机组给水泵再循环阀是火电厂最高端的流体控制组元，对其设计、加工和选材等，提出了很高的要求。

(2)再循环阀的汽蚀分析

由伯努利方程可知，流体在通过给水泵最小流量阀的密封面处时，通流面积减小，而流速增加，其静压力将急剧下降到流体的饱和压力之下，从而产生严重汽蚀现象，在此过程中,冲击波的压力可高达2 000 MPa以上,远超金属材料的疲劳破坏极限，以至于给密封面带来致命的破坏。

2 对再循环阀的优化改造方法

机组现采用的进口阀价格高昂，且存在严重的冲刷及汽蚀问题，阀门内漏频繁，经多次检修无法彻底解决问题。为此，针对再循环阀的结构特点，并结合电厂的实际情况，对原CV再循环阀进行了国产化改造。

为解决阀门高压差问题，在再循环阀的阀芯上加节流槽、内镶节流小件的迷宫式笼套阀套、提高阀内件的硬度、使用先导迷宫式结构等措施。在阀门构造上的具体改进方法如下：

(1)阀芯上加节流槽，可降低介质流速，减少冲刷，其结构见图3。介质在经过间隙流时，由于轴与套的间隙极小，增加节流槽会使介质从间隙处流入节流槽时空间突然增大，介质会在节流槽中形成涡流，减缓流通速度。因此每增加一道节流槽，就会减小介质的渗漏，增大对密封面的保护。

(2)高进低出先导式整阀结构，上阀盖处加金属自密封，杜绝外漏，见图4。

图3 国产阀节流槽

图4 国产阀先导迷宫式密封

(3)阀芯外径处配密封环，对密封面起到辅助作用，减少了阀门开启与关闭时发生异常振动；

(4)阀座下方加弹簧密封圈，配合石墨缠绕垫密封，防止介质冲刷阀体，造成内漏；

(5)阀套为迷宫式笼套，内镶节流小件，节流小件通过不断改变流向，降低流速，并将节流小件的位置布置为等百分比调节型，可保证全行程调节。现有的常规叠片式迷宫阀笼，所采用的节流型式均为转折节流，而改造后采用镶嵌式节流小件，节流型式为转折对冲式节流，节流能力是国内外同类型产品的3倍以上，并实现了迷宫式阀门保证关断型的同时也具备了调节性；

(6)阀内件硬度达到HRC70度，耐冲刷能力强，寿命更长。阀内件选用硬度极高的440B(9Cr18MoV)，采用高级热处理工艺，使阀内件的硬度达到HRC70度左右，远远高于同类产品HRC45左右，硬度的保证，极大提高了阀门的耐冲刷能力。

3 实际改造及效果分析

3.1 内镶节流小件的设计

改造后的迷宫式结构见图5,由迷宫式阀芯、笼套阀套和节流小件组成，和此前相比，更为先进合理。流体每通过一个节流小件时，经过九道迷宫，流体方向不断改变，通过10级以上节流降压后，能量大量消耗，保证了在密封面处的速度不会很高，减弱了流体对密封面的冲刷的同时，又防止了闪蒸空化破坏。

图5 改造后内镶节流小件的迷宫式笼套阀套

流体介质在节流小件内多次90°折转,每次折转相互对冲，能量不断消耗；折转流向的同时,介质在通过节流小件时，分路流入的流体同时发生正面对冲，能量相互消耗，如图6所示。迷宫阀套布置成整体对冲结构，使得流体介质在阀套进行空间对冲，能量相互消耗。可根据实际情况,设置不同的节流折转级数，如图7所示。

图6 节流小件内对冲

图7 迷宫阀套整体对冲

3.2 关断严密方面的技术要点

在解决关断严密性的问题上，采用了以下方法：阀内组件的热处理工艺，确保了高硬度(HRC70左

右)的同时，又具有极好的韧性；锥型硬密封，确保关断比压，实现泄漏标准；合理的间隙控制，实现过封组合密封；迷宫型节流，避免阀内空化作用的发生。

在调节灵活性的设计上，改造后的调节阀采用以下方法：阀芯不受阀门前后高压差的影响，消除了不平衡力，阀门的开启和关闭，只取决于填料摩擦系数；阀杆直径设计很小，减小了填料摩擦力；采用柔性石墨加镍丝填料，可显著减小摩擦。

3.3 国产化改造效果

从2015年开始，某厂连续投用过4台，整个投用过程中有一台阀芯下端出现过卡涩，经过计算、分析，是由于安装时同轴度问题所致，其余阀门运行均处于正常状态，在机组检修周期内均无内漏情况发生。

4 结论及展望

针对进口的再循环阀频繁内漏的故障，结合国内水质特点，在超超临界660 MW机组上进行了再循环阀国产化改造，采用先导密封、节流小件等特殊的结构及流体控制方式，有效的解决了密封面汽蚀、冲刷等严重问题。经一个检修周期的运行，现场阀门关闭严密，阀门在关闭情况下，阀体温度保持在50 ℃左右，节省能耗，提高热经济性，保证了阀门及系统长期经济安全运行。

给水泵再循环阀在发电机组中因所受运行环境影响，损耗较大，尽管采取其他措施可减缓损坏，但仍属于耗材。尤其在当下形式，使用进口原件检修、更换代价高，给发电厂带来较大负担，所以本文所提出的改造技术，也可以应用于同类型的阀门；所倡导的改造思想值得所有工业生产单位学习，打破技术壁垒，加强自主创新。