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旁路保護系統(tǒng)和電動旁路保護系統(tǒng)的典型布置及功能原理，分析了兩種旁路保護系統(tǒng)配置高加三通閥的結構特點和工作原理。通過分析可知，液動高加三通閥開關迅速，但電動高加三通閥結構簡單、控制方便、密封更可靠。
一、前言
高壓加熱器是火力發(fā)電廠凝汽式抽汽回熱系統(tǒng)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加熱高壓給水，提高給水溫度，減少進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機組正常運行，高壓加熱器設置了旁路保護系統(tǒng)。超(超)臨界火電機組高壓加熱器旁路保護系統(tǒng)按高加三通閥驅動方式分為電動旁路保護系統(tǒng)和液動旁路保護系統(tǒng)。
二、液動旁路保護系統(tǒng)
1. 系統(tǒng)布置
液動旁路保護系統(tǒng)包括液動高加入口三通閥、液動高加出口三通閥、氣動快啟閥、注水閥及其控制系統(tǒng)等，系統(tǒng)的典型布置如圖1所示。
圖1 液動旁路保護系統(tǒng)
1.注水閥 2.液動高加入口三通閥 3.氣動快啟閥 4.泄壓管路 5.旁路 6.液動高加出口三通閥 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閉旁路開啟狀態(tài)，給水經旁路進入鍋爐。高壓加熱器投運時，首先打開高加三通閥上部鎖緊手輪，將上閥桿旋至全開位置，同時開啟注水閥，給水經注水管路進入高壓加熱器，當高壓加熱器管側壓力升至一定值后，介質作用在閥桿橫截面上的升力大于填料摩擦力和活動部件自重，閥桿帶動閥瓣上移，打開高加三通閥主路關閉旁路，高壓加熱器投運。當高壓加熱器發(fā)生故障時，殼側水位急劇上升超過允許值時，液位控制系統(tǒng)會給出信號，使氣動快啟閥迅速開啟，將高加三通閥活塞缸下腔的介質泄壓，上腔介質推動高壓活塞帶動閥瓣迅速下移，打開旁路關閉主路，使高壓加熱器安全解列，給水經旁路進入鍋爐。
3. 液動高加三通閥
液動高加入口三通閥與液動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，但液動高加出口三通閥結構簡單，以液動高加入口三通閥為例進行分析研究。
(1)結構原理 液動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(jié)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，通過閥瓣壓蓋與閥瓣連接；活塞缸上腔通過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(jié)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。
液動高加三通閥的開啟、關閉均由30MPa以上的高壓水驅動，整個動作時間小于5s。閥門主路和旁路關閉時的密封力均由閥瓣上下腔的介質壓差作用力提供。
圖2 液動高加入口三通閥
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(jié)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閉后的密封性是閥門一項重要性能指標，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，高壓介質會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，真空技術網(http://genius-power.com/)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生7%～30%的彈性變形，對密封槽壁面產生一定的初始接觸壓力p0，形成初始的密封圈壓力，實現密封；在工作狀態(tài)下，O形密封圈在介質壓力的作用下會發(fā)生位移，移向低壓側，同時其彈性變形進一步加大，填充和封閉上閥座與閥體間隙。此時，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——被密封介質的壓力，單位為MPa。
(3)旁路減壓設計 當介質流經高壓加熱器時，約有0.3MPa的壓力降，為保證高壓加熱器投運和解列時進入鍋爐的介質壓力平穩(wěn)，閥體上腔的旁路流道設有節(jié)流套，起到節(jié)流減壓作用。節(jié)流套的減壓面積按式(2)進行計算。
式中 F——減壓面積，單位為cm2；Q——介質流量，單位為t/h；f——閥門流阻系數；γ ——介質密度，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、電動旁路保護系統(tǒng)
1. 系統(tǒng)布置
超(超)臨界火電機組電動旁路保護系統(tǒng)的典型布置如圖3所示，系統(tǒng)包括電動高加三通閥、電動閘閥、注水閥及其控制系統(tǒng)等。電動高加三通閥安裝在高壓加熱器入口管道，電動閘閥安裝在出口管道。
圖3 電動旁路保護系統(tǒng)
1. 注水閥 2.電動高加三通閥 3.旁路 4.電動閘閥 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，電動高加三通閥主路開啟旁路關閉，電動閘閥處于開啟狀態(tài)，給水經高壓加熱器進入鍋爐。當高壓加熱器泄漏而使水位超過允許值時，DCS控制系統(tǒng)給出信號使電動裝置動作，迅速關閉電動高加三通閥主路開啟旁路，同時關閉電動閘閥，使高壓加熱器解列。當高壓加熱器投運時，先開啟注水閥向高壓加熱器內注水，借助介質對閥桿的提升力和電動裝置力開啟電動高加三通閥主路關閉旁路，同時開啟電動閘閥。
3. 電動高加三通閥
(1)結構原理 電動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(jié)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；閥桿通過閥瓣壓蓋與閥瓣連接，并通過T形螺紋與電動裝置連接。
電動高加三通閥的開啟與關閉由電動裝置控制，受電動裝置轉速和閥桿螺距的限制，閥門的全行程時間為30～45s。閥門主路和旁路關閉時的密封力均由閥瓣上下腔的介質壓差作用力加電動裝置力提供，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；當閥門旁路關閉時，介質力進一步壓緊自密封圈，達到可靠的密封性。
(3)旁路減壓設計 與液動高加三通閥一樣，電動高加三通閥的旁路流道也設有節(jié)流套，保證介質流經旁路產生的壓力降與流經高壓加熱器時基本相同，從而使鍋爐壓力平穩(wěn)。
圖4 電動高加三通閥
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.電動裝置 11.閥蓋12.節(jié)流套 13.螺栓 14.壓環(huán) 15.上閥座
四、結語
通過上述分析，液動和電動旁路保護系統(tǒng)均能起到保護高壓加熱器的作用，液動和電動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。但液動高加三通閥全行程時間小于電動高加三通閥；閥門關閉時，電動高加三通閥的密封力是由介質作用力加上電動裝置力提供的，密封更可靠；電動高加三通閥結構簡單，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。
