迷宫式调节阀的研究和应用
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【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
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=便变成新的方程。
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。
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
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入口，V出口=。其中N为转弯级数，H为压头，H=，亦即入口与出口的势能差全部转化为出口的动能。？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：
其中？=0.82，对于迷宫盘片按照电厂提供参数可得：Q？=270t/h，？P=34MPa，A为流道总截面积A=1.5×3×16×n，得n=19.2。考虑到入口堵塞等情况取n=19.2×1.2=23.04，则迷宫片由24片组成芯包。
4 迷宫式与笼罩孔板式再循环调节阀的调节线形精度比较
4.1流量特性
调节阀的固有流量特性，就是流过阀门的相对流量系数和对应的相对的行程之间的固有关系，即=f（）
式中 Cv―某开度下的流量
Cvmax―全启状态下的额定流量
l―某开度下的阀芯相对行程
L―阀芯额定行程
调节阀的固有流量特性与生产效能、能耗等有着莫大的关系。实际的使用过程中调节阀的工作流量特性常偏离设计理想流量特性，这样会影响调节质量，甚至引起安全隐患。因此选取更为优质的流量特性的调节阀极为重要。
4.2阻力特性
调节阀的阻力特性，即阀门阻力系数随开度的变化特征，是描述调节阀运行特性非常重要的参数。阀门阻力系数与测试介质无关，是调节阀固有的特性。对于调节的阻力系数为：
式中ΔΡ―调节阀进出口之间的压差
Ρ―运行介质密度
V―流体流动速度
A―调节阀流道面积
Q―流体流量
4.3用于试验的测试系统
按照国家标准GB/T10869-2008电站调节阀、GB/T4213-2008气动调节阀的具体要求，对试验系统进行设计（图4）。水池水经过加压泵，流过阀前流量计和测压元件，进入迷宫式调节阀，然后流出调节阀的同时经过阀后测压元件并返回水池。试验分别测出阀前阀后的压力，从而得出阀前后的压差，并计算流量系数Cv
Cv=1.17Q
式中Q―液体流量
ΔΡ―调节阀进出口之间的压差
ρ/ρ0―相对密度（常温下的水为1）
4.4测试数据的分析和比较
测试系统运行后，对节流阀进行调节，并将调节阀的进出口压差调整到合理区间，然后缓慢对测试调节阀进行行程的变化操作，对数据进行采样并记录。测试后的数据进行计算整理后得到表2～表5的数据。
根据以上数据，多级笼罩式孔板类和迷宫式再循环调节阀流量特性曲线和流阻特性曲线如图5，6所示，从图5可以不难发现迷宫式再循环调节阀流量特性与理想流量特性对比，显然迷宫式调节阀在20%～80%非常接近理想的线性调节曲线。而笼罩孔板类调节阀相对贴合度就比较差了。从图6中，可以发现迷宫式再循环调节阀在全开时的流阻系数为56.6，是笼罩孔板类调节阀的5倍以上。迷宫式调节阀阻力特性曲线与理想曲线在开度20%至全开状态基本非常接近，几乎重合。而笼罩孔板类的调节阀阻力特性曲线在40%开度时才与理想曲线接近。所以相比下来，迷宫式调节阀调节更加精确更为理想，符合电站运行时的实际需要。
5 结语
随着600MW超临界及1000MW超临界机组的不断投运，由于机组的参数更加高，必定对调节阀设备提出更高的要求。迷宫式调节阀由于其卓越的抗气蚀能力，稳定的节流减压效果以及精确的调节线形精度，将会在大机组上有所作为。本文通过简单的分析，提出了迷宫式调节阀，很好地解决调节阀气蚀、闪蒸、调节灵敏度不高的难点，也为国内技术人员继续深入研究和探索调节阀提供了一种新的解决方案。
参考文献：
[1] GB/T10869电站调节阀[J].2008.
[2] GB/T4213气动调节阀[J].2008.
[3] 陆培文.实用阀门设计手册[M].机械工业出版社.
[4] 李诗久.工程流体力学[M].机械工业出版社.