高压加热器保护阀的开发与应用.pdf

第 4 O卷第 5期 2 O 1 1年 9月 石油化工设备 PETRO CHEM I CAL EQUI P M E NT Vo1 ．4 0 NO． 5 Se pt ． 2 011 ， ‘ ” “ “ ． 卜 ” “ “ 、 i 技术应用 、 L ． ． ． ．． ． ． ． ． 文 章 编 号 1 0 0 0 7 4 6 6 2 0 1 1 0 5 0 0 7 0 0 4 高压加 热器保 护 阀的开发 与应 用 唐 林 。 ，张希恒 ，程俭 学 ，许 惠云 1 ．兰州 理工大学 石油化工学 院，甘肃 兰州 7 3 0 0 5 0 ；2 ．河南 开封高压阀 门有限公 司，河南 开封4 7 5 0 0 2 摘 要 介 绍 了火 电机 组 高压加 热 器保 护 阀的几 种 结构形 式 、 特 点和 工作原 理 ， 分析 了各 种结 构 的优 缺 点及其 适 用 工况 ， 给 出 了不 同结构 阀体壁 厚及 三 通部位 的强度计 算方 法。 关键 词 高压加热器 ；保护阀；三通阀；结构分析 中图分 类号 TE 9 2 7 ． 9 ；TQ 0 5 0 ． 2 文献 标 志码 A Te c h n o l o g y De v e l o p me nt a n d Ap p l i c a t i o n o f Hi g h Pr e s s u r e He a t e r S a f e g u a r d Va l v e TANG Li n ～，ZHANG Xi h e n g 。CHENG J i a n x u e ，XU Hui y u n i ． La nz hou Uni v e r s i t y of Te c hn o l o g y I ns t i t u t e of Pe t r oc h e mi c a l Te c hn o l o gy，I a n z h ou 7 3 00 5 0， Chi n a；2． He n an Ka i f e ng Hi gh Pr e s s ur e Va l v e Co． Lt d． ，Ka i f e n g 47 5 0 02，Ch i na Ab s t r a c t Th e h i g h p r e s s u r e h e a t e r s o f s a f e g u a r d v a l v e ’ S s e v e r a l s t r u c t u r e f o r ms ，c h a r a c t e r i s t i c s a n d wo r ki ng p r i nc i pl e we r e de s c r i be d ． Th e a dv a n t a ge s a nd d i s a dv a n t a g e s o f v a r i ous s t r uc t u r e s a nd a p pl i c a bl e o c c a s i o ns，r e s p e c t i v e l y，we r e gi ve n a nd s t r e ng t h c a l c u l a t i o n o f di f f e r e nt b od y wa l l t hr e e ～ wa y p os i t i o n we r e a n a l yz e d ． Ke y wo r d s h i g h p r e s s u r e h e a t e r ；s a f e g u a r d v a l v e ；t h r e e wa y v a l v e ；s t r u c t u r e a n a l y s i s 3 0 0 Mw 以 上 大 型 火 电机 组 由 于 具 有 热 效 率 高 、 经 济性好 、 变负荷 调 节功 能 以及 自动化 程度 高 的 特点 ， 已成 为我 国火 电机 组 的主要 发展 方 向 ， 每年装 机 容量 约 为 3 0 0 0万 k w 。但 这 些 大 型 火 电机 组辅 助 系统 的 设 备 及 各 系 统 的 阀 门 性 能 要 求 很 高 ， 如 3 0 0 Mw 火电机组锅炉给水系统高压加热器保护阀 门的 工 作 温 度 为 2 6 5 。 C， 工 作 压 力 为 2 8 ． 0 MP a ； 6 0 0 Mw 火 电机组 锅炉 给水 系 统 高 压加 热 器 保 护 阀 门的工 作温 度 为 2 8 0℃ ， 工作 压力 为 3 5 ． 0 MP a 。这 些参数不仅 比超临界机组 的参数要求高， 而且要求 阀门有更好 的流通特性 、 更高的运行可靠性 能。然 而我国大型火电机组辅机设备系统的高压加热器保 护阀门在工作参数 、 结构、 执行标准 、 检验标准、 密封 性 能等 方 面与世 界先 进水 平还 存在 一定 的差 距 。这 些差 距 的存 在 已经成 为 国 内大 型火 电机 组技 术 发展 的瓶 颈 ， 许 多阀 门成 品不 得不 从 国外进 口， 不仅 费用 昂贵 ， 且 供货 时 间长 。因此 ， 迫 切需 要 开发 3 0 0 Mw 以上大 型火 电机 组 使 用 的 高 参数 、 高性 能 国产 高压 加 热器 保护 阀 。 1 高压 加热器保护 系统简介 高压加 热器 保护 阀用 于火 电机 组锅 炉 给水 系统 的高压 加 热器 给水保 护 系统 。高 压加 热器 给水 保护 系统正 常 工作 时 ， 给水 通 过 高 压 加 热 器保 护 阀 经 高 压加热器至锅炉。当高压加热器出现故 障时， 通过 高压加热器保护阀快速切断给水保护高压加热器 ， 收 稿 E l 期 2 0 1 1 - 0 4 1 8 作者简 介 唐林 1 9 6 7 一 ， 女 ， 江苏南京人 ， 高级工程师 ， 工程硕士 ， 主要从事 阀门设计 、 研发及技术管 理工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 期 唐林 ， 等 高压加热器保护 阀的开发与应用 锅 炉 给水 由旁路 供 给 。 高压加热器保护阀对加热器的保护有两种保护 系统 ， 一是通过 3台电动闸阀组合完成 ； 二是通过 1 台旁路 阀与 1台 出 口电动 闸阀 或 止 回阀 完 成 。 1 ． 1 3台电动闸阀组合系统 3台 电动 闸 阀组合 完成 高 压加 热 器 给 水保 护 系 统功能的工作原理见 图 1 。高压加热器给水保护 系 统正常工作时 ， 阀 1关闭， 阀 2 、 阀 3打开， 给水经高 压加热器至锅炉； 当高压加热器出现故障时， 阀 1打 开， 阀 2 、 阀 3关闭， 高压加热器 给水切断 ， 锅炉给水 由旁路供给， 完成对高压加热器的保护 ， 保障整个机 组 正 常运行 。 锅炉给 阀2 至锅 炉 图 1 3台 电动 I嗣阀组 合 的高 压 加 热 器 给水保护系统 1 ． 2 旁路阀与出口电动闸阀 或止回阀 组合 系统 旁路阀与出口电动闸阀 或止 回阀 组合的给水 保护系统工作原理见 图 2 。高压加热器给水保护系 统正常工作时 ， 给水经旁路 阀高压加热器 出口进入 加 热器 ， 通 过高 压加 热器 出 口电动 闸 阀至锅 炉 ； 当高 压加热器出现故障时 ， 给水经高压加热器旁路 阀旁 路 出口直接进入锅炉 ， 高压加热器旁路 阀和高压加 热器出口电动闸阀切断高压加热器供水 ， 完成对高 压加热器的保护 ， 保障整个机组正常运行。 锅 炉 给 至 锅 炉 图 2旁 路 阀 与 出 口电 动 闸 阀 组 合 的 高压加热器给水保护系统 1 ． 3 两种保护系统优缺点 利用 3台电动闸阀组合完成 的高压 加热器给水保 护系统 ， 其造 价 较 高 ， 且 由于 电动 闸阀 的启 闭行 程 较 长， 高压加热器给水保护系统保护的反应时间较长。 由旁 路 阀与其 出 口电动 闸 阀 或止 回阀 组 合 的 高压加热器给水保护系统的关闭时间小于 3 0 S ， 其 旁 路 阀阀体 为三 通结 构 ， 具 有 结构 紧凑 、 流阻 系数 较 小 、 性能可靠以及可提高电站系统效率的显著特点 ， 是高压加热器保护阀主要 的发展和研究方向。 2组合式高压加热器保护 阀结构形式 笔者研 制 的高压 加 热器保 护 阀根据 不 同机组 及 系统要 求分 为 液控 四通 高压加 热器 保护 阀和 电动 三 通高 压加 热器 保护 阀两 种结构 形式 。 2 ． 1 液控四通高压加热器保护阀 四通形 式 的 高压 加 热 器 旁 路 阀通 常 应 用 于 3 0 0 MW 以下机 组 国 内 ， 利 用 现 场 给水 系统 作 为 动力 源驱动 阀门 ， 阀门关 闭速 度快 。根据 系统 要求 ， 该 四通 阀也 可 采用 电动 控 制 ， 由事故 反馈 信 号 通 过 阀门上部的电动装置驱动阀门动作来实现高压加热 器 给水 保护 的功能 。 液控四通高压加热器保护阀结构见图 3 ， 工作 泵 一 图 3液 控 四通 高 压 加 热 器 保 护 阀结 构 不 图 原理如下 ①给水由侧面进口引入 ， 经下阀座由另一 侧出 口进高压加热器 ， 2个上出口与旁路管道相连 。 ② 阀门有上 、 下 2个 密 封 面 ， 高 压 加 热 器 正 常 运 行 时 ， 靠作用于阀瓣上、 下 2密封面的压差而使阀门自 动 开启 ， 阀瓣 上浮 ， 与上 密 封接 触 ， 旁 路 切 断 。③ 当 高压加热器发生事故或管系破裂而使水位超过允许 水位时 ， 水位信号通过 电器装置打开快速启闭阀， 凝 结水进入液压缸上部 ， 推动活塞 ， 阀瓣下落， 关闭阀 门， 给水通过上出口经两路旁通管道直接进入锅炉 。 液控 四通高 压 加 热 器 保 护 阀 的结 构 特 点 有 2 个阀座 ， 密封面堆焊司太立合金 ， 下阀座直接焊于阀 体上， 上阀座与阀体采用两道 自密封结构 ， 保证正常 工 作和 长 期 运 行 不 发 生 泄 漏 ， 阀 门 动 作 时 间 小 于 2 S 。由于通向旁路的管道分为两路 ， 故 阀门整体流 阻大， 流通特性差 ， 中腔为法兰密封， 承压能力低 ， 适 用 于压力 小 于 2 5 ． 0 MP a的系统 。 2 ． 2 电动三通高压加热器保护阀 电动三通高压加热器保护阀根据阀体结构分为 电动三通铸造高压加热器保护阀和电动三通锻造高 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工设备 2 0 1 1 年第 4 O卷 压加热器保护 阀两种型式 。 2 ． 2 ． 1 电动三通铸造 高压加 热器保 护 阀 电动三 通铸 造高 压加 热器 保护 阀具 有介 质 流线 好、 流阻小、 密封和启闭性 能可靠 的特点 ， 其 主要结 构示意图见图 4 。电动三通铸造高压加热器保护 阀 为三通结构 ， 给水由侧面进 口引入 ， 下出口进高压加 热器， 上出口与旁路管道相连 ， 阀门有上 、 下 2个密 封面。正常运行时 ， 阀瓣上浮 ， 与上密封接触 ， 旁路 切 断 。 当高 压加 热器 发生 故 障或其 它 原 因要 断开高 压 加热 器 给水 时 ， 电动装 置驱 动 阀杆使 阀瓣 下 落 ， 关 闭阀门， 给水通 过上 出 口由旁 通管 道直 接进 入锅 炉l 1 ] 。该 阀有 2 个 阀座 ， 下 阀座 直接 焊 于 阀体 上 ， 上阀座与阀体采用密封圈密封 。密封面堆焊司太立 合金 ， 耐磨损 ， 抗擦伤， 寿命长 ， 开关 时间小于 3 0 S 。 』 密 封 阀 密 封 I 阀 图 4 电动三通铸造高压加 热器保护阀结构示图 2 ． 2 ． 2 电动三通锻 造高压加热 器保护 阀 亚 临界 、 超 临 界 火 电机 组 配 套 使 用 的高 压 加 热 器 保护 阀采用锻 造 结构 能够 满足 使用 工作 温 度大 于 等 于 3 0 0 、 最 大工 作压 力 3 2 ． 0 MP a 、 通 径 3 5 0 r fi r n 的 阀门使 用要 求 。 电动三通锻造高压加热器保护阀是在电动三通 铸 造高 压加 热 器联 成 保 护 阀的 基 础 上 改进 的结 果 ， 阀 f - j 自密 封和 上 阀座 与阀体 之 间的 密封环 处 均采 用 增 力 型 密 封 环 结 构 ， 密 封 环 在 原 来 6 0 。 密 封 面 的 基 础 上 又 增 加 一 个 4 5 。 斜 面 ， 从 而 增 加 了 中腔 的 密 封 力 ， 减 少 了预 紧螺 栓 的预紧 力 ， 使 中腔 自密封 更容 易 实现 。填料采 用蝶式增强 编织柔 性石 墨组 合填 料， 预紧力小 ， 能承受的密封 力大 ， 其 主要结构示意 图 见图 5 。 3 高压加热器保护 阀设计计 算 3 ． 1 阀体壁厚 s 公制阀门的阀体壁厚按第四强度理论进行计 预紧螺柱 门； 板 p U ， I 环 环 密封 环 【 阀胯 图 5 电 动 三 通 锻 造 高 压 加 热 器 保 护 阀结 构 不 图 算 s n 一 C 1 式中， S 为阀体壁厚 ， D 为阀体中腔最大的内径 ， c 为考 虑铸 造偏 差 、 工 艺性 和介 质 腐 蚀 等 因 素 而 附加 的裕量 ， IT I IT 1 ； P为设计压力 。 [ ] 为阀体材料 的许用 拉应 力 ， MP a 。 英制 阀 门的 阀 体 壁 厚 5 ； 按 AS ME I 3 1 6 ． 3 4非 强制 性 附 录 B计 算 ] s” 一 2 式 中 ， P 为压力 等 级额 定 指 数 ， s为 基 本应 力 系数 ， MP a ； d为阀体端部内径的 9 0 ， r n Y n 。 3 ． 2 阀体三通部位强度计算 阀体三通肩部尺寸对 阀体强度有决定性作用 。 三通 肩 部尺 寸包 括 肩部 的 内壁 半 径 、 外 壁 半 径 和 肩 部 壁厚 ， 这 3个参 数不 仅相 互关 联 ， 而且 还涉 及 三通 外径与 内径的比值及支管与主管直径的比值 。加大 三 通肩 部外 壁半 径 ， 能够增 大 三通 的承 载面 积 ， 但 是 肩 部外 壁半 径应 小 于 支 管 承载 长度 ， 以确 保 三 通 支 管 有一 定 直管段 。 铸 钢 阀体 三 通 部 位 的 强 度 按 ANS I ／ AS ME B 1 6 ． 3 4强制性 附 录 V 6 ． 1的规 定 计 算 。。 。采 用 整 体 自由 锻 造 的 锻 造 阀 体 ， 其 强 度 按 ANS I ／ AS ME B 3 1 ． 3附 录 D 中 的 规 定 计 算 ] ， 且 要 符 合 ANS I B 1 6 ． 9的三通 计算 规定 ≥ 0 ． 5 P 。 3 式 中 ， P 为 阀体 材 料 在 3 8 C 1 0 0。 F 时 的 2 ／ 3屈 服强 度 、 1 ／ 4最 大 拉 伸 强 度 或 许 用 应 力 的 较 小 值 ， P ． ． 为 3 8。 C 1 0 0。 F 时 的额 定工 作压 力 ， MP a ； Af 为 流体 面 积 ， A 为金 属面积 ， I I 1 1“1 2 。 3 ． 3 阀体限定流体面积和金属面积的界限 阀体限定流体面积和金属面积根据阀盖中心线 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 唐林 ， 等 高压加 热器保 护阀的开发与应用 和流道中心线在同一平面的阀体拐弯区平面位置来 确定 。 3 ． 3 ． 1 铸 造 阀体 限 定流体 面积和 金 属 面积 界 限 L 铸造阀体限定流体和金属面积界限的主要结构 尺寸示 图见 图 6 。在 图 6中 ， 限定 流体 和金 属 面积界 限的垂直距离 L 和水平距离 L 分别按公式确定 图 6 铸造阀体流体和金属面积界限示 图 L -- 0 ． 5 r o ． 3 5 4 4 La 一 0 5 一 取两者 中较大值 5 L 一 式 4 ～式 5 中， d为阀体拐弯区颈部 内径 ， 为阀 体拐弯区颈部壁厚 ， 为阀体拐弯 区通道壁厚 ， r为 阀体拐弯区外部圆角半径， mm。 如果所计算 的界限位于阀体通道末端或颈部末 端之外 ， 则用作确定 面积 的截面应终止 于阀体通道 末 端 或颈部 末 端 。 3 ． 3 ． 2锻 造 阀 体 构 成 流 体 面 积 和 金 属 面 积 界 限 锻造阀体构成流体面积和金属面积界限的主要 结构尺寸示 图见 图 7 。图中， 限定 流体 和金属 面积 界 限 的垂直 距 离 L 和 水平距 离 L 分别 按 以下公 式 确 定[ 6 ] 图 7 锻造 阀体 流体 和金属 面积界 限图 L b Va b D。 b b 6 L 一、 而 7 式 6 ～式 7 中， D 为 阀体拐弯 区颈部内径 ， D ， ， 为 阀体 拐弯 区通 道 内径 ， mm。 4 结 语 高压加热器保 护阀应用 于 3 0 0 Mw、 6 0 0 Mw 等大型火力发 电机组高压给水管道高压加热器人 口 处， 是高压加热器检修的关键设备 。河南开封高压 阀门有限公 司研发生产的各种类型高压加热器保护 阀先后 为 陡河 电厂 、 石家 庄 电厂 、 浙 江 三 星 电 厂 、 山 东南 山 电厂 、 贵州 电厂 等 国内众 多火 电机组 配套 ， 并 出口伊朗、 土耳其、 孟加拉、 巴基斯坦等多个国家 ， 其 性能稳定 ， 运行可靠 。 国产火 电机组高压加热器保护阀的成功研制与 应 用 ， 打破 了此 类 阀门 长期依 赖进 口的局 面 ， 取得 了 良好 的经济 效 益和社 会效 益 。 随着 我国大容量 、 高参数 火 电机组 建设 规模 的不 断加大 ， 对配套 的高压加 热器保 护 阀的要求 也在 不断提高 。因此 ， 根据 高压加热 器保护 阀应 用 现 场 的 管 道 布 置 、 可 利 用 的 动 力 源 、 系 统 的 运 行 参 数 以及 对 阀 门动 作 时 间 的 要 求 等 ， 选 择 合 适 的结构 、 合 理 阀体 材料 及科学 的加工 方法 ，提高 此 类 国 产 高 端 阀 门 产 品 的 设 计 和 制 造 水 平 是 今 后 的 研 发 方 向 。 参 考文献 [ 1 ] 鹿焕成．大 电站 高压 加 热 器 旁路 阀[ J ] ．通 用 机械 ， 2 O 06， 5 1 5 1 8 ． [ 2 ] 孟新凌 ， 程俭学 ， 俞树荣 ， 等． 1 o 0 0 Mw 超 临界火 电机 组用 WB 3 6钢 阀门研 制 [ J ] ．石油 化 工设 备 ， 2 0 0 8 ， 3 7 5 2 2 2 5 ． [ 3 ] 孟新凌 ， 程俭学 ， 俞树荣 ， 等． 超超临界火 电机组 阀门国 产化研究[ J ] ．石油化工设备 ， 2 0 0 8 ， 3 7 6 2 9 3 3 ． [ 4 ] 杨源泉．阀门设计手册 [ M] ．北京 机械工 业出版社 ， 1 99 2 3 59 ． [ 5 ] 付青 林．阀体受力与强度计算公式 的理论依据 [ J ] ．阀 门 ， 2 0 0 6， 4 1 1 - 1 2 ． [ 6 ] A S ME B 1 6 ． 3 42 0 0 4 ， 法 兰、 螺纹 和焊 接端 连 接 的阀 门I s ] ． E 7 ] AS ME B 1 6 ． 3 4 2 0 0 4 ， 法兰 、 螺 纹 和焊接 端 连接 的 阀 门I s ] ． [ 8 ] A S ME B 3 1 ． 3 -2 0 0 6 ， 压 力 管 道 规 范 一工 艺 管 道 I S ] ． 杜编 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m