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电站气动疏水阀的选型与设计

来源: 上海阀门 时间: 2012-04-28 点击: 3,915

1.前言

用于火电厂高加疏水、再热器疏水、过热器疏水等系统疏放水的关闭与排放阀门具有以下使用特点:

(1)密封要求高

由于这类系统压力高,压差大,起初轻微的渗漏,很快会被高速气流快速冲刷出大的缺口,小漏变成大漏,因而即使轻微的泄漏也会导致机组出力不足,煤耗上升,成本增加。

(2)须快开快闭,具备故障保护功能

一旦机组出现故障,要求阀门能即时迅速打开或关闭,以最大限度保证设备的安全,同时故障状态也许会失电或失气,这时要求阀门能按工况设计要求自动打开或自动关闭。

(3)具备自动控制功能

这主要是电厂自动控制的要求。

(4)较高的可靠性

要求阀门在温度变化状态、高压差状态、不常动作状态,压力波动状态均能具有较高的密封性能、可靠的动作性能。

针对上述要求,气动控制的疏水阀成为这类系统的首选产品,它比较圆满地适应上述要求。这主要体现在以下几方面:

(1)持久稳定的密封比压

弹簧力或气缸推力能始终保证活塞推杆一步到位地作用于阀芯,并作用到阀座关闭阀门。弹簧力或气缸推力比较稳定,较之于电动装置能始终维持设计所要求的密封比压,不会因温度变化或调试问题产生泄漏。

(2)调试简单,维护要求低,故障低,可靠性高

电动装置调试繁琐,很多用户不会调试,常出现故障,要么调不到位,要么调过头,常出现不应有的用户投诉。气动装置则结构简单,维护要求低,调试方便,故障率低。

(3)失气失电自动保护

单作用气缸靠复位弹簧,可方便地回复到故障所要求的阀门控制状态。

(4)快速启闭

与电动装置相比,气缸执行速度更快,对要求故障快速反应复位的工况更适应。

除上述特点外,还具有价格相对低廉,节能环保等特点,因而在电厂这类工况用气动疏水阀替代原电动、手动阀门正成为一种趋势。

2.阀门及气动执行机构的选型

这类阀门一般设计为全开全闭,而从流量特性考虑截止阀球阀具有启闭行程短,速度快,密封可靠,启闭静态力矩小等特点,因而两类产品都得到应用,随着硬密封球阀制造技术的日趋成熟,气动球阀也获得了一席之地,但从可靠性考虑主流产品仍然是气动截止阀。

选型的另一个问题是控制方式的选择。气缸为定型产品,依作用方式可分单作用和双作用。单作用产品带复位圆柱弹簧,具有失气自动复位功能,即失气时气缸活塞(或膜片)在弹簧作用下,驱动气缸推杆回复到气缸初始位置(行程的原始位置);双作用气缸无复位弹簧,推杆进退须依靠变换气缸气源的进出口位置。气源从活塞上腔进时,推杆向下运动;反之气源从活塞下腔进时,推杆向上运动。由于不带复位弹簧,双作用气缸对比同径单作用气缸具有更大的推力,但不具备自动复位功能。显然不同的进气位置使推杆有不同的方向运动,当进气位置在推杆的背腔时,进气使推杆前进,这种方式又称为正作用气缸,反之进气位置在推杆同侧时,进气使推杆后退,这种方式又称反作用气缸。对气动疏水阀因为一般需要失气保护功能,通常选用单作用气缸,图1为以上两类气缸结构简图。

正作用与反作用气缸

从以上分析可知,当阀门保护方式为失气打开时,我们必须选择单作用的正作用气缸;当阀门的保护方式为失气关闭时,我们必须选择单作用的反作用气缸。前者阀门关闭时必须维持持久的稳定气源压力,对气源的稳定性持久性要求较高,常闭阀尽可能地避免选择这种设计,一般用于常开阀;后者则相反,适用于常闭阀,但对于弹簧的要求较高,应具有稳定持久的弹力。

3.气缸推力计算

除了作用方式的选择,计算所选气缸推力是设计的重要工作,这里以常见的常闭式气动疏水阀说明如下:

图2为产品结构设计简图

因压力较高,为尽可能选择较小的气缸,采用了上进流(倒流)的阀门设计方式,为提高密封比压,采用了锥面密封的密封面设计形式。

3.1 气缸关闭力的计算

关闭状态受力分析如图3(a)

图中:

Qt为填料摩擦力

Qj为介质静压力

Qf为阀杆截面的介质推力

Qm为阀门达到必须密封比压时的密封面作用力

Qg为气缸关闭时输出力

Qk为气缸打开时输出力

各受力计算公式如下:

f为填料摩擦系数,bt为填料宽度,P为阀门设计压力。

qMF为密封面必须比压。

要实现阀门的有效密封,必须Qg-Qf-Qt+Qj≥Qm即Qg≥Qf+Qt+Qm-Qj

当然关闭力也不是越大越好,还须校核密封面实际比压q,并使其小于许用比压[q]

式中:Q1m为作用于密封面的实际密封力,由气缸实际推力减去相关阻力得出。

通过以上计算可确定关闭状态的弹簧预紧力,为弹簧选型确定依据。

3.2 开启状态气缸力的计算

开启时瞬间阀门受力分析如图3(b)。

当阀门被打开后Qj,会消失为零,但Qg会逐渐增加,两者部分抵消,到开启行程末端(最高位),气缸推力Q1k应使

式中:Q1s为此位置弹簧的压缩力。

比较以上两式确定其中较大者为气缸推力,再根据实际输入气源额定压力可大致推算出所选择气缸的直径,考虑一定的安全系数,最终确定气缸大小。

4.出厂试验

工厂型式试验是确认产品性能的重要依据,通过试验可确认阀门的设计加工质量,承压新能,启动装置的动作性能,一般应进行以下试验。

(1)密封试验

撤除气源,让弹簧复位至阀门关闭后,从设计流向向阀芯密封面逐步加压,进行承压密封试验,全程分3—4个压力阶段,分别观察阀门各阶段保压性能,到最高设计压力的1.1倍压力为止均应无泄漏。以此验证阀门在压力波动时也能稳定密封。

(2)壳体试验

依公称压力的1.5倍进行水压壳体试验,观察填料部位、中法兰垫片各处以及壳体全表面应无渗漏。

(3)动作试验

阀门关闭后,将阀门打压到设计压力,给气缸通气(压力控制O.4-O.45MPa)确认能否开启阀门,能否达到设计行程,到达设计行程后撤除气源,阀门应能自行复位。此试验至少反复3次以上。

5.附件的选择

除阀门和气缸外,气动疏水阀应配备以下附件:电磁阀、行程开关、调压阀(含过滤器、油雾器,即三联件)、手动装置。对电磁阀一般单作用气缸选择二位三通即可,并按安装位置确定电磁阀的结构形式;行程开关可选择摇臂式,调整方便,三联件用于气源处理及压力调节,如气源统一处理,可不必单配。手动装置用于辅助强制密封,分为上装式和侧装式,配置应考虑安装空间及合同规定。

连接管及管件应选择金属材料的,因介质温度比较高。支架尽可能高一些,使气缸内部橡胶件远离热源,延长内部橡胶密封件的适用寿命。

最后需要说明的是,气动阀门虽然有很多优点,但其缺点也是明显的:气动装置不可能做得很大,因而对高压大口径阀门的应用受到限制,安装空间有限时也无法安装。

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