迷宫式调节阀的研究和应用
孙强
（上海电力修造总厂有限公司 上海 201316）
摘要：随着600MW超临界及1000MW超超临界机组大规模建设，笼罩式及孔板式结构调节阀已经无法适应高压差、高流速的工况条件。而采用迷宫技术的调节阀给出了很好的解决方案。本文提出了迷宫式调节阀的工作原理、独特结构特点和理论依据，并通过与孔板式笼罩式调节阀的比较，展现其极高的调节性能。 关键词：调节阀 迷宫式芯包 气蚀 围堰 流量 节流减压 中图分类号：TG156
0 前言
随着我国经济的高速发展，居民用电量的急剧攀升，我国各地的新建电厂如雨后春笋不断孕育而生。“低碳经济”的来临及全球的节能减排浪潮的席卷，能耗更低、发电效率更高的600MW超临界机组及1000MW超超临界机组将成为发展的必然趋势，300MW及以下机组将被取代甚至关停。
虽然超临界及超超临界机组工作效率高、能耗少，但是由于其工作压力及温度要求更高，相应对设备要求也提出了更高的要求。调节阀作为电站常规设备，在电站内被大量使用，其作用就是调节系统内的流量、压力等的变化，其调节的灵敏度及调节线型的精确性对电厂系统内部的能耗也起着极其重要的作用，扮演着重要的角色。600MW超临界机组及1000MW超超临界机组的高参数及恶劣工况对调节阀精确调节提出了挑战。同时也给如何防止气蚀、闪蒸、紊流等现象对调节阀的致命破坏，振动及噪音对安全的影响出了一道难题。
1 迷宫式调节阀工作原理
高流体速度是产生汽蚀、闪蒸、振动及噪音的元凶，迷宫式调节阀能实现抗汽蚀、抗闪蒸、低振动及低噪音，是由于它有效地控制高流体速度产生，同时也满足最终控制的目的：就是更有效地在整个阀门行程中都能控制系统压力和流速。
普通的阀门，介质进入阀门时其工况条件为：压力为P1，流速为V1，当介质流动到阀芯部分时，由于阀芯与阀座的节流作用，产生颈缩现象，因此速度会迅速增加至V2，而压力会迅速降低至P2，低于该介质的饱和蒸汽压力PV。在这种情况下，介质汽化，形成气泡。当介质流过阀芯和阀座形成的颈缩部后，由于通道的改变，工况条件也发生了改变，压力回升动能转换为势能，此时的压力回复为P3，速度回复为V3，当压力超过该介质的饱和蒸汽压力PV时，刚才形成的气泡就会发生破裂，产生极强的局部压力。气泡破裂时产生的巨大能量能在瞬间对阀芯、阀座等节流元件产生严重的破坏，形成所谓的汽蚀现象。如图1所示。这样势必造成阀门的损坏、冲蚀，产生泄漏，并会产生严重的噪音以及引起阀门内件的震动，从而影响整个系统的安全性和效率。由于汽蚀现象发生时，会产生很大的表面应力，因此单纯靠采用提高阀芯、阀座的表面硬度是无法从根本上解决汽蚀现象所造成的后果。
从上可以发现，恶劣工况下阀门问题的产生主要来源于过高流速的介质流过阀芯。汽蚀、冲刷、高噪音及管道振动都是介质流速未能得到控制的典型现象。
迷宫式调节阀门的抗汽蚀设计是利用迷宫式芯包多级降压的原理，通过强制介质流经一系列的直角弯道使流速得到完全的控制，达到逐级降压的目的。无论压降大小，这些弯道的阻力使得介质流速流出芯包的速度受到限制。经过多级降压，使介质的压力始终维持在介质的汽化压力PV之上，从而避免了汽蚀现象，消除了不安全因素。
迷宫式芯包（图2）包括很多迷宫片，经过电腐蚀加工形成很多通道，而每个通道能通过定量介质。通道内由一系列的直角弯道提供介质阻力，根据电厂各种机组不同的参数，经过精确的计算，选定不同弯道数，使得流经迷宫式芯包的介质速度始终限制在?30m/s。参照国外的成熟经
验，当流速小于30m/s时，对图1 流速与压力的变化
节流元件的冲蚀影响最小。
迷宫式阀芯把流体分为很多平行的流道，每一流道有特定数量的直角转弯——迷宫，而每一个直角都减低流道介质的速度头。如“N”代表直角数量，则截流器速度V=2gh 便变成新的方程V=2gh/N。
这原理用于迷宫阀门的阀芯盘片，使每一盘片每一通道的介质速度得以控制在预定范围，利用阀塞打开不同盘片数量，整个阀门行程控制都完全把介质速度限制在预定值。这种设计跟多孔截流式阀芯是两种完全的对比：截流器只把位能转换为动能，但这样便有惊人的速度上升。迷宫阀芯能控制速度，保证
收缩断口压力在汽化压
图2 迷宫式芯包 力以上（阀后压力高于汽
化压力），便可防止汽蚀和闪蒸现象的形成。
2 独特结构特点
2.1加压阀芯
在高温工况下，对关闭性又要求很高时，加压式阀芯就被采用在迷宫式调节阀中。加压式阀芯可提供非平衡式阀芯的封闭性能，而对执行机构推力要求只相当于平衡式阀芯。 迷宫式加压阀芯组件包括：一个先导阀、一个主阀芯及一个平衡密封件。一个很小的得到控制的流量由阀门入口通过阀帽流入阀盖空间，对先导阀及主阀芯加压。
当阀门关闭时先导阀关闭，从而使整个阀芯成为一个不平衡阀芯。 加压式阀芯可达到很高的关闭要求。在阀盖空间阀芯之上的关闭压力，施加在阀芯上而关紧阀门。执行器只要具有关闭先导阀在主阀上的力即可。 当阀门收到开启信号时，执行器提起先导阀杆，打开先导阀。先导阀使在阀盖空间的压力迅速消失，阀芯得到平衡。阀杆继续开启，拉起主阀芯。执行器只需具有提升平衡式阀芯的力即可。 2.2围堰
迷宫片还有一个显著的特点就是采用围堰结构（图3所示）。其主要作用：均匀阀芯周围压力，保持阀芯对中；上层盘片与下层盘片出口处介质相互作用，降低介质流动速度；避免下层盘片出口介质对阀座的直接冲刷。
图3 围堰设计
3 迷宫式调节阀实际应用
3.1具体要求
某电厂600MW超临界火电机组锅炉给水泵再循环系统调节阀，能承受较大的压降，调节灵敏性较好。
3.2基本参数
表1 迷宫式调节阀基本参数
温度℃ ?200
进口压力MPa
35
出口压力MPa
0.6~0.8
压差MPa
34
正常流量t/h
270
特性曲线 线性
3.3选型：
考虑到迷宫片的加工周期和生产成本，以及成熟的加工工艺，选择迷宫片每片厚度为2.5mm，按流量特性曲线，入口设计为双入口。并且考虑到系统中有可能存在垃圾微粒、焊渣等容易堵塞入口，因此在设计时要增加陋余入口，每一入口的截面积为1.5×1.8。
3.4计算
根据迷宫式调节阀的工作原理：当介质流经迷宫片通道时，经过多级转弯，限制介质流速增加，保证每级流速?30m/s，从而降低对阀门密封面的冲刷。经过多级转弯后，V出口=V
2GH。其中N为转弯级数，H为压头，H=ΔP ,亦即入口与出口的势能差全部入口,V出口=γN转化为出口的动能。?P=P入口-P出口，?为介质密度，水T=180~200?C时，?=0.9X103kg/m3,根据工程流体力学定水头下园柱形管嘴的出流:
Q=AV出口=?A2GHN=?A2G?P?N
迷宫式调节阀的研究和应用
