[发明专利]高压调节阀和调节高压流体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高压调节阀，尤其是一种电站汽轮机高压调节阀。本发明还涉及一种调节高压流体的方法，尤其是调节高温、高压、高速流动的气体的方法。

背景技术

汽轮机是火力发电站和核电站中的关键能源动力设备，高压主汽阀、高压调节阀或高压主汽调节联合阀是电站汽轮机的重要通流设备，其中高压调节阀是最重要的能量输入调节和控制设备。

来自锅炉或核反应堆的高温高压蒸汽，在进入汽轮机膨胀做功之前，首先经过高压主汽阀，然后进入高压调节阀，在高压调节阀的调节与控制之下，按照设定的压力、温度和流量进入汽轮机，通过在汽轮机各级动、静叶轮构成的汽流通道内逐级膨胀做功，高温高压蒸汽所含的巨大的热能，由汽轮机转化成转子的旋转机械能，再由发电机将机械能转换为巨大的电能输出。

高压调节阀位于高温高压蒸汽流动路径的咽喉要道，承担着非常重要的功能和职责。一方面，高压调节阀的开启程度经常处于变动状态，利用在不同开启程度时产生的绝热节流阻力效应，不断调节高温高压蒸汽的进汽参数，进汽参数主要包括压力(P₁)、温度(t₁)和最大设计质量流量(G_max)。另一方面，高压调节阀在紧急事故状态下具备快速关闭功能，与高压主汽阀一起承担双重安全保护责任。高压调节阀的调节功能主要是保证汽轮机按需要实现启动、升速、稳定运转、降速或停机。快速关闭功能主要是保证在事故状态下汽轮机不超速、不损坏，顺利停机检修。由此可见高压调节阀在长期连续高温高压运行工况下，必须随时处于灵活、完好、可控、可靠的状态。

在现有技术中，对于高压调节阀的开启程度，通常采用阀碟升程(H)、阀碟全开升程(H_k)和阀碟相对升程(H/H_k)等参数来定量描述，相对升程的百分数表达形式最常用，通常称为阀碟开度K，即阀碟开度K＝(H/H_k)×100％，阀门开启程度由小至大，由全关至全开，阀碟开度变化由零至100％。高压调节阀单位时间内通过的高温高压蒸汽的总质量值，通常用质量流量(G)、理论全开质量流量(G_k)和相对质量流量(G/G_k)来定量描述。通常高压调节阀的理论全开质量流量G_k必定大于最大设计质量流量G_max。高压调节阀阀碟开度与相对质量流量之间的函数关系，通常称为阀门流量特性，依据阀门流量特性绘制的曲线称为阀门流量特性曲线。在现有技术中，阀碟有时也称为阀芯。

电站汽轮机的高压调节阀的流量特性属于快开型，这种流量特性在开度较小时就有较大的流量，随着开度的增大，流量很快就接近最大值，此后再增大开度，流量变化就很小了。高压调节阀经常会在很小开度下长时间工作，这种小开度大流量高流速的工作状态，对于高压调节阀的流动稳定性、结构抗振性和运行安全性都是非常不利的，在小开度大流量高流速高温高压蒸汽气流冲击和扰动下，高压调节阀极易引发剧烈振动和强烈噪声，长期作用的结果，往往是造成高压调节阀通流部件和提升部件加速磨损甚至提前损坏，进而引发阀门卡涩、运动调节不畅、阀门卡死甚至阀杆断裂等一系列事故，直接影响到汽轮机组的连续长期安全运行。

根据流体力学和热力学原理，高温、高压蒸汽属于可压缩流体范畴，其流动机理十分复杂，高压调节阀产生剧烈振动的首要原因，是小开度状态下的大流量高流速蒸汽气流；当阀碟开度在25％至35％区间时，通常气流速度达到最大值，在高压调节阀前后巨大压差作用下，气流速度可能会接近当地音速甚至超音速，由此产生的强大气流扰动力作用于阀碟等通流部件受压受冲击表面上，继而引发剧烈振动，同时伴有强烈的机械碰擦噪声和气动噪声。

高压调节阀内各零部件发生剧烈振动时，振动的类型通常可分为横向振动、扭转振动、轴向单向脉冲振动和轴向往复冲击型振动，其中尤其以轴向往复冲击型振动对高压调节阀零部件损害最大，特别是阀杆最容易发生疲劳损伤甚至断裂。

现有的电站汽轮机高压调节阀，普遍流行的几种防振或抗振结构技术方案和技术特征如下：

一、具有防振或消振功能的高压调节阀通流部件，例如采用平底凹口形气动造型阀碟，在诸多气动造型的阀碟型线方案的相对比较中，平底凹口型阀碟的抗振或消振性能最好，但其阀门绝热截流阻力损失也最大，对汽轮机组的发电效率有直接影响。现有技术方案中常用的平底凹口形、平底盘形、半球形和带导流尾锥形阀碟，抗振或消振性能依次变差，而绝热节流阻力损失却依次变小，不存在两全其美的选择。