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1、泵再循环系统中调节阀的设计与选型 德国霍尔特调节阀公司 一、综述 在火电厂，作功的过程是依靠水的循环（即水由给水泵加压送到锅炉，在锅炉内 受热产生蒸汽，蒸汽在气轮机内膨胀作功后经冷凝器冷凝为水，并如此循环往复。 ）来实现 的。在整个循环过程中，给水泵的安全运行是实现这个循环的关键。 给水泵的出水量是随 锅炉负荷而变化的。在启动时或在负荷很低时，给水泵很可能在给水量很小或给水量为零 的情况下运行，水在泵体内长期受叶轮的摩擦发热，而使水温升高，水温升高到一定程度 后，会发生汽化，形成汽蚀。造成给水泵的损坏。为防止上述现象的发生，在给水泵出口 至除氧器（或冷凝器）水箱之间安装再循环系统，在给水泵刚启
2、动或在给水量小到一定程 度时，可打开再循环系统。将一部分水返回除氧器水箱，以保证有一定的水量（一般约为 额定流量的 30%）通过水泵，而不致使泵内水温升高而汽化。而当给水量处于正常条件下 时，再循环系统关闭。 再循环系统由最小流量阀、止回阀、流量测量系统组成。 系统 中流量测量系统确定何时开启或关闭再循环系统； 止回阀的目的是只允许水泵往外送 水，而不允许水反向流回水泵。 防止水泵突然停止运转时，高压水反向流回水泵造成水泵 倒转； 最小流量阀保证在再循环系统处于开启状态时高压水经过减压使阀出口压力与 除氧器（或冷凝器）水箱压力接近而不致造成除氧器（或冷凝器）水箱压力震荡和发生汽 蚀。在再循环系
3、统中很明显最主要的、工作条件最恶劣的无疑是最小流量阀。二、最小流量阀的运行工况及其对最小流量阀可能产生的破坏 最小流量阀是火电厂中运 行工况最为恶劣的几种调节阀之一。因其安装位置处于给水泵出口与除氧器水箱（或冷凝 器）之间，两者间巨大的压差由该阀门承受。无论在开启或关闭状态下，再循环系统最小 流量阀始终是在高压差下工作。在最小流量阀处于开启状态时，将高压水通过逐级减压后 排至除氧器水箱（或冷凝器） ，并且在减压过程中不能发生气蚀；而当其处于关闭状态时， 应能承受高达 350bar 甚至更高的静压差，并做到关闭紧密。 众所周知，液态介质在高压 差下会产生空化。有研究表明，空化产生于液态区的气泡，
4、生成气泡的必要条件是液态介 质所处的绝对压力低于该液体的饱和蒸汽压力。当高压液体流经节流元件，静压能与动压 能相互转换，流速增加导致压力降低，其压力降低至低于该流体在入口温度下的饱和蒸汽 压力时，液体中形成气泡发生空化现象。流过节流面之后，在相对宽敞的下游流道中流速 下降，压力回升，当压力高于该流体在入口温度下的饱和蒸汽压力时，汽泡溃裂释放出巨 大的能量，对阀座、阀芯等节流元件产生破坏，即汽蚀。据测算，气泡破裂时的瞬时压力 高达 3000bar，现有的工程材料均难以抵抗其破坏力。而当流体流过节流面之后，在相对宽 敞的下游流道中流速下降，压力回升不高于该流体在入口温度下的饱和蒸汽压力时，在节 流
5、降压过程中产生的气泡不会破裂，而是夹在液体中成为“二相”流，通常称此为“闪蒸”。 “闪蒸”一般不会对节流元件产生破坏，但会产生阻塞流。使调节阀流量减小，与此同时还 会产生强烈的噪声和震动。在电厂中除氧器（冷凝器）水箱的压力高于或等于该温度下的 饱和蒸汽压力，所以“闪蒸”现象在此不会发生。 汽蚀与压差直接相关。因此，如果将高压 液体经过节流元件的压力始终控制在高于该流体在入口温度下的饱和蒸汽压力时，就不产 生“空化”，当然也就不会发生“汽蚀”。这既是现今各种多级降压防汽蚀高压差调节阀的理 论基础。 三、HORA 公司提出的解决方案 HORA 公司成立于 1967 年，经过 30 余年的发 展已经
6、成长为一家具有独立研发能力、拥有 15 项国际专利的能够生产全系列电厂调节阀并 享誉欧洲的电站供应商。 调节阀是生产过程自动化系统中的一种执行器。电厂所用的汽、 水调节阀常常在高温、高压状态下运行，工作环境是相当严酷的。为此，设计师在满足控 制性能要求的前提下，还应满足以下的要求： 调节性能良好 长使用寿命 维护方 便 性能价格比高。 HORA 综合数十年的设计、使用经验，提出下面的设计原则供公司 的设计人员遵守，理想地解决了这些矛盾。 流速控制 工质在阀内的流速，是影响阀门使用寿命的重要因素。同时也影响到阀门的流量特性和控制。 HORA 控制阀内工质流速 为：28 米/秒；推荐流速为：25
7、米/秒。并根据流速确定阀门的通径。工质流速低，可最 大程度地减小工质对节流元件的冲刷，延长阀门的使用寿命。而且使得阀门理想流量特性 曲线尽量接近实际的工作流量特性曲线，提供良好的调节性能。 材料选择 众所周知， 阀门材料是决定阀门寿命与成本的主要因素之一。 HORA 根据给出的工况，在阀门的不 同部位采用不同的材料，并对关键 的部位进行硬化处理，有效地延长关键节流元件的寿命。 成功地解决了阀门寿命与成本的矛盾。 结构设计 结构设计是实现过程控制、保证阀门 安全、正常运行、提高阀门使用寿命 和性能价格比最根本的工作。HORA 可根据不同的 控制要求和工况条件采用笼式、针式、曲线等阀芯结构形式，提
8、供快开结构、直线结构、 抛物线结构、等百分比流量特性的各种调节阀。并在阀体内部结构设计时，运用了如下方 案以解决阀门使用中的各种问题。 环 流 板： 防止工质对节流元件的冲刷，调节性能 良好。 平衡阀室： 避免小流量高压差时阀门开启困难。开启灵活，调节性能良好。 多级减压： 防止气蚀发生。提高阀门寿命。 阀门予起： 密封面不参与节流，防止高 流速对密封面的冲蚀。 在线维护： HORA 生产的所有阀门须进行维护、维修时，均不 必自管道上拆下即可将阀门解体进行维护工作。 HORA 公司根据上述防汽蚀理论、遵循 公司的设计原则并结合几十年阀门生产的实际经验，对于泵再循环系统提出三种最小流量 阀的方案
9、，并且在九十年代初创造性的推出了自力式泵自动循环保护系统，用以替代传统 的再循环系统。 Conventional System-传统型的最小流量再循环系统 此主题相关图片如 下： Automatic recirculation valve 泵自动再循环系统 此主题相关图片如下： 1、开关型多 级减压最小流量阀 用于非流量调节型再循环系统。特点：在再循环系统中设定开、关阀值 用以控制最小流量阀的开启、关闭，将再循环系统的流量认定为常值。对于此种工况 HORA 公司采用轴向多级碟状降噪孔板减压最小流量阀（图 1）在阀杆的轴向布置了多级 减压降噪碟状孔板，首先将进入阀门时具有极大动压能的的流体在进入
10、节流部件后分散成 多股动压能较小的流线，使流体能量对节流元件的冲刷降低。其次由于采用多级减压降噪 板，通过计算相邻两极的孔径错位重叠面积，使阀门承受的总压差分布在各级节流元件 （即减压降噪孔板）上并控制每一级的压降，使流体在每一级的降压过程中其压力都大于 该流体在入口温度下的饱和蒸汽压力，达到防汽蚀的目的。 阀门的使用寿命主要表现为阀 内节流元件的使用寿命，考虑减轻液体对阀门的冲刷在此也应表现为减轻对节流元件的冲 刷。高压液体在阀内经过多次的增速、降压；减速、升压的循环，最终达到所要求的出口 压力。在减压过程中高压液体的流速一直在进行变化，而且在通过节流元件时的流速要高 于液体在阀内的正常流速
11、。因此，HORA 设计原则中对阀内液体的流速控制在这种工况下 的作用就更加重要。可以有效地减轻对节流元件的冲刷，增大使用寿命。 由于对流速进行 控制以及采用了多级减压降噪碟状孔板，有效地降低高压差所派生出的噪音和振动。 另外， 在阀芯内部结构设计采用了平衡阀室结构，保证阀门在高压差下开启灵活。 特点：结构简 单、安全可靠、可更换性强、实现在线维护、维护方便、具有较高的经济性。 此主题相关 图片如下： 图 一 调节型最小流量阀 前面我们说过，给水泵的出水量是随锅炉负荷而变 化的。为保证给水泵的安全运行应有一定的水量（一般约为额定流量的 30%）通过水泵。 开关型的再循环系统开关阀值一般设为额定流
12、量的 30%，其流量一般也设定为额定流量的 30%，只要主给水流量低于额定流量的 30%，再循环系统就将开启。这样，就可能会有大 量的高压水流回水箱，造成能源的浪费，造成电厂的整体经济效益降低。 为解决能量损失， 很多电厂采用流量调节型再循环系统。即将再循环系统的流量设定为额定流量的 030%， 可调。 针对流量调节型再循环系统 HORA 公司提出：阀杆式多级减压最小流量阀；多级 笼式套筒减压最小流量阀两种方案。 2-1 流量调节型阀杆式多级减压最小流量阀 流量调 节型再循环系统与开关型再循环系统相比较，区别在于调节型在满足开关型再循环系统的所有要求的同时对流量进行调节。 HORA 的流量调节
13、型阀杆式多级减压最小流量阀结构 （如图 2）：采用中心阀杆配合阀座在阀杆轴向形成多级 节流面，实现多级减压，防止汽 蚀。通过计算节流面与阀杆开度的配合,可满足等百分比、线性等流量曲线的要求。实现流 量的调节。并在阀芯始、末端设置减压降噪孔板，降低噪音和振动。同时，防止系统内夹 带的一些固体杂质进入阀芯，造成对节流面的损坏。 特点：整个减压过程在阀芯与阀座内 完成对阀体没有冲刷，阀内流场平稳顺畅、安全可靠、结构简单、可更换性强、实现在线 维护、维护方便、具有较高的经济性。 此主题相关图片如下： 图 二 2-2 调节型笼式多 级减压最小流量阀 （予启式） （如图 3）：采用在阀杆径向设置多级笼式套
14、筒，孔径错 位重叠，承担阀门承受的总压降。最高可达 9 级笼式减压构成，可以承受 500bar 的压差。 开启阶段：两级主副密封结构，在阀门开启阶段，阀芯套筒予开启 2-3mm，此时介质没有 流动，避免了主密封面在开启或关闭阶段高流速流体的冲蚀。阀芯在完成予开启后主阀芯 进入开启阶段（内置叠型弹簧联动作用） ，此时调节阀进入正常的调节阶段。关闭阶段同开 启阶段相反。进入阀门时具有极大动压能的的流体在进入节流部件后分散成多股动压能较 小的流线，使流体能量对节流元件的冲刷降低。其次由于采用多级减压，通过计算相邻两 极的孔径错位重叠面积，使阀门承受的总压差分布在各级节流元件上并控制每一级的压降， 使
15、流体在每一级的降压过程中其压力都大于该流体在入口温度下的饱和蒸汽压力，达到防 汽蚀的目的。笼式阀芯的特点是流体在笼体四周均匀的流入或流出，流场相对阀杆的任何 变化均没有中断和突变现象，具有光滑的流动特性。可极大地降低噪音和减轻振动。同时， 由于流体在流场内是径向均匀进出，不会造成阀杆的应力集中。阀芯始、末端设置笼式减 压降噪孔板，防止系统内夹带的一些固体杂质进入阀芯，造成对节流面的损坏。 配合阀杆 的移动计算孔径错位重叠面积，可提供等百分比、线性等流量特性曲线的结构。 特点：主 副密封结构，有效的保护主密封面不受高流速介质的冲蚀。低噪音、整个减压过程在阀芯 与阀座内完成对阀体没有冲刷、阀内流场
16、平稳顺畅、阀杆受力合理不存在应力集中、安全 可靠、实现在线维护。 此主题相关图片如下： 此主题相关图片如下： 图 三 4、泵自动 循环保护阀 HORA PSG 系列自动循环泵保护阀是专为液体输送系统中泵再循环系统而设 计的自力式自动循环阀。以往的再循环系统由流量计、控制回路、最小流量调节阀、电动 （或气动）执行机构、止回阀组成。应具备如下功能：流量测量、逆止阀、减压泄荷与流 量调节。HORA PSG 系列自动循环泵保护阀以巧妙的设计，简单的结构将上述功能集成在 一个阀门内，替代了传统的泵再循环系统，大大降低设备的投资。 工作原理：（如图四） 此主题相关图片如下： 图 四 高压液体经过阀门入口进入阀体，阀芯利用浮子流量计原理 测量主流量的大小。阀芯根据主流量的大小变化发生左、右方向的位移并带动旁路阀杆同 向移动，开启或关闭旁路。当主流量小于设定值时，旁路处于开启状态。液体通过阀座上 的开孔进入阀杆与旁路阀座组成的具有减压、流量调节旁路通道，经过减压后回到初始储 液箱（罐） ，完成旁路循环。当通过阀门的主流量大于
