為提高汽輪機調節(jié)閥的抗沖蝕性能，同時使其滿足調節(jié)特性需求，提出對調節(jié)閥進行分段設計，并采用了鼠籠式多級降壓結構。對調節(jié)閥的流量特性進行了計算，分析了滑閥間隙對流量特性的影響，修正了流量特性曲線。通過調節(jié)閥流量特性的測試，分析了小開度下產(chǎn)生誤差的主要原因。結果表明：計算值與試驗值能較好地吻合。

調節(jié)閥又稱為控制閥，是控制系統(tǒng)的重要組成部分。根據(jù)控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號改變汽輪機蒸汽調節(jié)閥開度以及汽輪機的進汽量，從而實現(xiàn)汽輪機功率的調整。為滿足汽輪機調節(jié)特性要求，閥門通流面積與開度之間應保持一定的變化規(guī)律。 
    汽輪機調節(jié)閥長期處于高溫、高壓狀態(tài)，工作條件十分惡劣，特別在低負荷工況下調節(jié)閥承受的壓差巨大，極易造成閥門零部件的沖蝕。為改善調節(jié)閥工作狀態(tài)，減小汽流帶來的沖擊，通常可采用多級降壓式的結構，如多層套筒式、多級閥芯式等，以提高調節(jié)閥的抗沖蝕性能，延長設備的使用壽命。

    1 抗沖蝕調節(jié)閥的結構與工作原理

    某汽輪機采用節(jié)流調節(jié)方式，蒸汽調節(jié)閥為套筒式結構，由于長期處于低負荷工況運行，滑閥沖蝕現(xiàn)象較為嚴重。

    根據(jù)汽輪機使用要求，蒸汽調節(jié)閥應能夠實現(xiàn)：

    （1）在高壓差、小流量工況時具有良好的抗沖蝕性能。

    （2）在大流量工況下具有較小的壓降，減小汽輪機進汽壓力損失。

    （3）調節(jié)閥流量特性曲線光滑連續(xù)，滿足機組調節(jié)需求。

    為使蒸汽調節(jié)閥滿足上述功能要求，對其采用了分段設計，結構見圖1。

圖1 改進的蒸汽調節(jié)閥結構示意圖

    調節(jié)閥采用套筒式結構，蒸汽由閥體底部進入，經(jīng)調節(jié)閥節(jié)流后由側面流出。調節(jié)機構由鼠籠和套筒組成：鼠籠結構用于閥門小開度時（30%流量以下）高壓差工況的調節(jié)；套筒采用一定型線的窗口，用于大流量工況（30%流量以上）的調節(jié)。

    鼠籠結構采用小孔多級節(jié)流形式，共分為五級，各級小孔的直徑和數(shù)量均有不同，通流面積從第一級至最后一級逐漸增大。 高壓蒸汽從閥體進入鼠籠后，由內圈向外圈逐級膨脹，最后流出調節(jié)閥；第一級鼠籠小孔布置于滑閥底部，當調節(jié)閥開啟時，可使第一級與第二級鼠籠通流面積同時變化；為滿足汽輪機調節(jié)需求，第一級鼠籠小孔分多排布置，數(shù)量由上至下逐漸增多，使調節(jié)閥通流面積與開度呈等百分比變化。

    2 調節(jié)閥流量特性計算

    2.1 調節(jié)閥流量特性的計算

    蒸汽調節(jié)閥流量特性計算參數(shù)主要包括：

    （1）不同開度下套筒及鼠籠結構總通流面積：

        （1）

    （2）調節(jié)閥流量公式：

        （2）

    式中：p0為調節(jié)閥閥前壓力；υ0為調節(jié)閥閥前蒸汽質量體積；Φ為閥門流量系數(shù)βυ為彭臺門系數(shù)。

    （3）彭臺門系數(shù)公式：

        （3）

    式中：ε為調節(jié)閥前后蒸汽壓比；εc為蒸汽的臨界壓比。

    （4）弗留格爾公式：

        （4）    

    式中：Qc、Qcp為噴嘴變工況以及額定工況時的流量；p1、p1p為噴嘴前變工況以及額定工況時的壓力；p2、p2p為級后變工況以及額定工況時的壓力。    

    （5）流量守恒公式：

        （5）

    根據(jù)以上計算公式，則可求出調節(jié)閥流量特性，即不同開度下調節(jié)閥流量

        （6）

    計算結果見圖2。由于采用了分段設計，在相對開度＜0.33（即鼠籠結構）進行調節(jié)時斜率較小；在相對開度＝0.33時（套筒窗口開啟）曲線斜率隨即增大；當相對開度＝1時，流量達到最大值。    

圖2 調節(jié)閥流量特性曲線

    2.2 間隙流動對流量特性的影響

    上述計算未考慮滑閥與套筒間的間隙對流量的影響，為提高計算結果的準確度，針對調節(jié)閥結構特點，對其小開度時間隙泄漏情況作了進一步的分析。圖3為間隙流動計算節(jié)點圖。    

圖3 間隙流動計算節(jié)點圖

    當調節(jié)閥處于小開度狀態(tài)時，蒸汽一方面經(jīng)第一級鼠籠小孔流過，另一方面通過滑閥與套筒間的間隙流過。在間隙流動計算節(jié)點圖中，F(xiàn)g1為滑閥下端與套筒的間隙，F(xiàn)g2為滑閥上端與套筒的間隙，F(xiàn)h1為第一級鼠籠小孔已開啟的通流面積，F(xiàn)h2為第二級鼠籠小孔已開啟的通流面積，F(xiàn)h3為第二級鼠籠小孔未開啟的通流面積，F(xiàn)s為套筒的通流面積；p0為閥前壓力，pa為經(jīng)第一級鼠籠以及滑閥下間隙后的壓力，pb為第二級鼠籠后的壓力，pc為第一次流過滑閥上間隙后的壓力，pd為第二次流過滑閥上間隙后的壓力，pe為閥后壓力；Q1～Q7分別為蒸汽流經(jīng)各處的流量。 根據(jù)計算節(jié)點及流量守恒方程可知：

        （7）

    在不同開度下，F(xiàn)h1、Fh2、Fh3隨之發(fā)生變化，可根據(jù)前兩級鼠籠小孔分布計算得出，F(xiàn)g1、Fg2可根據(jù)閥門結構尺寸給出，根據(jù)閥前壓力p0以及閥后壓力pe（即噴嘴前壓力），可求得考慮間隙泄漏后的總流量Q。

    在考慮間隙泄漏后，修正的開度－流量特性曲線見圖4。與修正前的曲線相比，主要變化在于小開度時（x＜0.33）蒸汽流量有所增加；而開度較大時（x＞0.33），由于壓差相對較小，因此間隙泄漏量對整個流量的影響較小。

圖4 修正后的流量特性曲線

    3 調節(jié)閥流量特性的測試

    調節(jié)閥試驗臺原理見圖5，參試設備主要包括調節(jié)閥、汽輪機、負載等。通過調節(jié)閥開度的調整可改變汽輪機的進汽量，負載的變化可使汽輪機實現(xiàn)不同功率的輸出。管路上設置有流量計、壓力表等，分別用于測取蒸汽流量、壓力、調節(jié)閥前后壓力以及汽輪機排汽壓力等。

圖5 調節(jié)閥試驗臺

    在給定蒸汽參數(shù)以及負載后，對調節(jié)閥不同開度下的通流量進行了測定。圖6為根據(jù)計算值及兩次試驗結果所得的開度－流量特性曲線。

    由圖6可以看出：試驗值與計算值基本吻合，但在小開度狀態(tài)下，試驗值略高于計算值，產(chǎn)生偏差的原因主要有：

圖6 流量特性曲線對比

    （1）間隙的影響。在計算中，滑閥與套筒的間隙為給定值，與實際工作狀態(tài)存在一定的偏差；此外滑閥密封環(huán)處也會產(chǎn)生一些泄漏，導致調節(jié)閥的泄漏量較計算值偏大。

    （2）蒸汽參數(shù)以及負載的影響。在試驗過程中，蒸汽參數(shù)以及負載有一定的波動區(qū)間，而在小開度時，由于機組負載較小，穩(wěn)定性相對較低，即使蒸汽參數(shù)或負載微小的波動也會對汽耗量產(chǎn)生較大影響。

    （3）讀數(shù)誤差。開度－流量特性曲線是根據(jù)調節(jié)閥不同開度下蒸汽通流量的測定所得到的。由于開度值是人工讀取的，因此難免存在一定的誤差，特別在小開度時，微小的讀數(shù)誤差都會對流量特性曲線產(chǎn)生影響。

    以上三個方面是造成小開度下試驗值與計算值產(chǎn)生偏差的主要原因。當調節(jié)閥開度增加，蒸汽流量較大時其影響減小。

    4 結語

    試驗結果表明：

    （1）滑閥與套筒之間存在的間隙使調節(jié)閥在小開度時的流量較設計值有一定的增加，當開度增大時，間隙影響逐漸減小。

    （2）調節(jié)閥流量特性的計算值與試驗值吻合較好，說明給出的計算方法是合理的，可滿足工程計算需求。

    （3）滑閥間隙、蒸汽參數(shù)以及負載的波動、讀數(shù)誤差等因素是造成小開度時試驗值與計算值偏差的主要原因；在大開度時，以上因素影響較小。