高温高压圆盘式热动型蒸汽疏水阀的设计.pdf

基金项目:“科技助力经济”重点专项项目()国家级专精特新“小巨人”企业项目(工信部企业函 号)作者简介:米博()男助理工程师主要从事蒸汽疏水阀、疏液阀及凝结水回收装置等设计研发工作文章编号:()高温高压圆盘式热动型蒸汽疏水阀的设计米 博党建涛杜金明(甘肃红峰机械有限责任公司甘肃 平凉)摘要 针对现有热动型蒸汽疏水阀存在空气气堵、噪音大、背压允许度低(一般限制在)、压力范围小(一般.以下)、蒸汽损失较多、空打严重、排量小等问题研制了一种新型高温高压圆盘式热动型蒸汽疏水阀 通过对原有热动型蒸汽疏水阀优化设计并进行试验验证使得圆盘式热动型蒸汽疏水阀的使用压差及温度有了很大的提高同时有效地解决了使用过程中所遇到的蒸汽泄漏、空打严重、排量不足等问题极大地改善了圆盘式热动型蒸汽疏水阀的使用性能关键词 蒸汽疏水阀高温高压圆盘式热动型优化设计中图分类号:文献标志码:(.):()(.).:概述热动型蒸汽疏水阀是蒸汽疏水阀中一种新型产品与机械类、热静力疏水阀相比热动型疏水阀具有结构简单、体积小、重量轻、抗水击、安装方便等优点被广泛应用于石油、化工、钢铁、制药、食品等行业的中低压工况中在伴热疏水管线中备受关注我国对热动型蒸汽疏水阀研究比较缓慢在六七十年代才逐渐引进国外设备及先进产品主要以仿制为主其中圆盘式疏水器在我国的制造单位较多北京、天津、上海、扬州等地的单位大多都在仿制美国的阿姆斯壮公司、日本 公司 及英国的萨克公司 型圆盘式疏水器 直到八九十年代以后我国才对疏水阀的研制重视起来为此一些单位也开始加大对高效节能疏水阀产品的研发和生产制造 然而热动型蒸汽疏水阀自身也存在一些缺点比如空气气堵较多、噪音大、背压允许度低(一般限制在)、使用压力范围小(一般 以下)、蒸汽损失较多、空打严重等为了解决热动型疏水阀的空气气堵现象提高背压率减少漏汽率增强疏水阀使用寿命我公司阀 门 年第 期研制了一种新型高温高压圆盘式热动型蒸汽疏水阀获得国家发明专利(专利号:)该蒸汽疏水阀有效地解决了热动型蒸汽疏水阀部分缺点大量应用于石油、化工等众多行业的管线上提高了凝结水的回收利用率 工作原理及技术指标热动型蒸汽疏水阀主要利用蒸汽和凝结水不同的流速和体积变化这一热动力性质而使其动作元件上下产生压差进而驱使阀片动作而开关阀门 例如热动力型疏水阀就是利用相变原理即利用蒸汽和凝结水热动力学特性的不同来进行工作新型高温高压热动型蒸汽疏水阀主要由阀体、阀盖、阀片(圆盘)、空气隔离(保温)罩、过滤网和滤网托等零件组成如图 所示 热动力式疏水阀唯一动作的零件是阀片动作原理是根据伯努利定律及蒸汽与凝结水的物理特性通过排放凝结水来改变作用在阀片上的动、静压力而使阀片开、闭图 高温高压圆盘式热动型蒸汽疏水阀的结构 工作原理当这种高温高压圆盘式热动型蒸汽疏水阀安装在管线上时疏水阀自动工作主要包括开阀排水、闭阀阻汽两个阶段()开阀排水如图()所示闭阀时进入变压室的蒸汽通过阀盖向外罩内散热而逐渐凝结成凝结水变压室内压力因此也逐渐降低 当变压室的压力降低到一定程度后不足以阻止阀片向上的推力于是阀片被抬起进入开阀状态此时集聚在疏水阀里的凝结水便会从出水口排出()闭阀阻汽如图()所示当凝结水在流动的过程中其冲击力会将阀片冲开当滞留的凝结水全部排出后蒸汽流入蒸汽对阀片的冲击力要比凝结水小得多由于蒸汽的流速高根据伯努利定理阀片下方的压力降低但实际上凝结水在原生蒸汽到来之前已成为接近饱和温度的凝结水当流经阀片下方时形成二次蒸汽从而关闭阀门所以蒸汽损失较少以上循环过程中仅仅将产生的凝结水排出去从而达到阻汽排水的效果()开阀排水()闭阀阻汽图 热动型蒸汽疏水阀阻汽排水过程 技术指标该高温高压圆盘式热动型蒸汽疏水阀的技术指标如表 所示表 高温高压圆盘式热动型蒸汽疏水阀技术指标技术指标数据工作压差/公称压力/公称尺寸/(/)/有负荷漏汽率使用寿命/结构优化设计为了提高蒸汽疏水阀的稳定性和可靠性获得一种在高压差、高温度工况下的热动型蒸汽疏水阀 年第 期阀 门通过研究热动型疏水阀的工作原理从结构方面着手设计出一种双密封、平面截止型高温高压圆盘式热动型蒸汽疏水阀如图 所示图 圆盘式热动型蒸汽疏水阀动作原理 空气夹套保护罩根据工作原理可知由于变压室的蒸汽冷凝变压室的压力降低凝结水流过时将阀片推开从而实现开阀 然而这种压力的改变是依靠蒸汽的凝结而不是气体本身的压力降低 一般在蒸汽疏水阀的压力范围之内蒸汽的相变潜热并不会因为压力的变化而大幅度改变即改变疏水阀进口压力并不会导致动作温度的降低 而这种圆盘式热动型疏水阀对温度非常敏感一般温差只在 之间 如果变压室裸露在外那么变压室的冷却受外界大气的影响更大因此冷却速度将会大大增快启闭动作也将异常灵敏这样将会造成阀片的“空打现象”频繁开阀也会引起蒸汽泄漏和阀片磨损 反之如果外界温度过高则会导致不关阀的后果为了降低外界温度对阀片开关动作的影响解决“空打现象”及不关阀问题在变压室的外面增加一个不锈钢空气夹套保护罩这种双阀盖的设计既能密封空气避免蒸汽中混入空气造成空气气堵同时也能起到隔热作用有效地降低了外界对变压室的影响 阀片下端面的形凹槽当流体通过阀片下端面时会扩散到整个阀片底面大面积的阀片使得作用在其底面的压强削弱很多从而降低了流体对阀片的顶升力同时凝结水在进入排水口管路时其压力急剧降低形成二次蒸汽二次蒸汽又减小了凝结水出口截面积进而减小了疏水阀的排量 为了解决这一缺点在阀片下端面增设形凹槽如图 所示 这样沿阀片下面流动的流体经过形槽后就改变流向而垂直向下同时在阀座上端面环形腔中形成环流又重新作用在阀片上增加对阀片的顶升力进而增大了阀片的开度提高了疏水阀的排量图 热动型蒸汽疏水阀圆盘阀片 阀座上端面设置环形槽及均布出水孔新型高温高压圆盘式热动型蒸汽疏水阀阀座上端面设置环形槽(图)有效地将流经阀片下面的流体集聚形成环流以最大的反推力作用于阀片增大了开阀力与凝结水的排量 同时环流对阀片向上的作用力会更加均匀使得阀片可以平稳地被顶起此外在该环形槽上均布三个出水孔有利于凝结水均匀排出阀片平稳落座否则就会如图 所示阀片因受力不均而倾斜图 热动型蒸汽疏水阀阀座 阀片受力分析流体在流经蒸汽疏水阀内的受力如图 所示图 热动型蒸汽疏水阀阀座尺寸及阀片受力当控制室的蒸汽压力比阀片下方的压力大时阀片下落而呈闭阀状态此时受力情况为:阀片向上的作用力(包括进口的蒸汽压力)、阀座环形槽流体对阀片的推力、凝结水作用于阀片上的重力阀片向下的力包括控制室蒸汽对阀片的压力及阀片自身的重力具体公式如下:阀 门 年第 期 ()式中 进口蒸汽压力 进口面积 出口压力 出口环形面积()控制腔中压力 阀片面积 凝结水作用在阀片上的重力 阀片的比重/阀片小启闭行程阀片的启闭行程直接决定着关阀的动作影响着蒸汽的密封性能 阀片的启闭行程越小流体经过时速度就会越大压力就会越低此时的凝结会越容易汽化 汽化后的凝结速度会更大压力更低而此时控制室内的压力远大于阀片下方的力关阀更加稳定可靠 该新型热动型疏水阀设计的阀片启闭行程 控制在 之间小的启闭行程提高了凝结水的过冷度有效地控制了蒸汽泄漏造成的损失保证了阀片启闭动作的可靠性 试验验证根据/蒸汽疏水阀试验方法并对照/蒸汽疏水阀的技术条件对该高温高压圆盘式热动型疏水阀进行以下项目的试验验证()疏水阀壳体强度试验按照标准规定以公称压力的 倍即 进行壳体压力试验按照表 规定持续时间大于 保压 疏水阀壳体无渗漏内件无变形表 疏水阀试验持续时间公称通径/试验持续时间/()动作试验首先在低压状态下进行动作试验向疏水阀通入热凝结水时疏水阀正常开启再通入蒸汽疏水阀关闭良好连续进行 个完整的循环该疏水阀正常动作且启闭良好 最后在高压下进行动作试验过冷度小于设计值以同样的方式进行疏水阀动作良好且在完全蒸汽状态时其阀片跳动频率小于 次/符合标准要求()最低工作压力验证在动作试验过程中逐渐降低试验压力直至最低工作压力 在整个试验过程中疏水阀都能正常启闭且动作良好()最高工作压力验证与()项验证一致在动作试验过程中逐渐升高试验压力直至最高工作压力 且在整个试验过程中疏水阀动作良好()最高工作背压试验将工作压力保持在 下进行动作试验同时逐渐升高疏水阀出口端的压力直至疏水阀不能正确启闭 此时疏水阀的出口压力可达到 背压率为 符合/的规定()漏汽量试验根据/附录 蒸汽疏水阀漏汽量测定试验方法对该疏水阀的漏汽率进行试验测量负荷率在()的条件下测得疏水阀的有负荷漏汽率为 符合规范要求()热凝结水排量试验热凝结水排量试验方法根据/附录 的规定进行 在不同压差不同温度下测得排量如图 所示 在设计压差范围内测得这种新型热动型疏水阀的排量在 /之间为用户提供了较大的选择余地图 高温高压圆盘式热动型蒸汽疏水阀的排量图下转(第 页)年第 期阀 门气体减压阀进行了理论计算、结构设计、抗震分析并根据核级减压阀的技术规范和鉴定大纲要求自主设计与构建减压阀气体测试装置编制试验规程完成各项型式试验项目确保了核级减压阀应用的安全性和可靠性本核级减压阀解决了核电领域国外设备价格昂贵、供货成本高、交货不及时、服务响应慢及技术封锁等“卡脖子”问题满足国家重点工程关键设备国产化的战略需求 本文所述设计理念和试验方法亦可为类似核电阀门产品的设计开发提供参考参 考 文 献 国家地震局.核电厂抗震设计规范.中国计划出版社.核电厂质量保证安全规定.核设备抗震鉴定试验指南.核电厂用能动机械设备的鉴定.锅炉与压力容器规范第 卷 篇性能.(版 补遗)核设施部件建造规则./压水堆核电厂阀门第 部分:应力分析和抗震分析./减压阀一般要求./减压阀性能试验方法.陆培文.实用阀门设计手册(第 版).北京:机械工业出版社.陆培文孙晓霞杨炯良.阀门选用手册(第 版).北京:机械工业出版社.杨源泉.阀门设计手册.机械工业出版社.王文斌.机械设计手册.北京:机械工业出版社.王新敏.工程结构数值分析.北京:人民交通出社.李仕帅.核级阀门强度计算方法的比较分析.哈尔滨工程大学.杨仁安赵国玺.核电站 级设备的抗震鉴定试验.核动力工程():.核级减压阀研制任务书.上海核工程研究设计院有限公司.核级减压阀设备鉴定要求.上海核工程研究设计院有限公司.(收稿日期:)上接(第 页)结语文章通过一种新型高温高压圆盘式热动型蒸汽疏水阀的结构设计、技术改进、试验验证得出以下结论:()不锈钢空气夹套保护罩降低了外界温度对阀片开关动作的影响解决“空打现象”及不关阀问题同时有效地避免了空气气堵()形凹槽增加了阀片的顶升力进而增大了阀片的开度提高了疏水阀的排量()阀座上端面设置环形槽配合槽内均匀布置三个出水孔增大了开阀力与凝结水的排量确保阀片平稳升降()小的启闭行程提高了凝结水的过冷度有效地控制了蒸汽泄漏造成的损失保证了阀片启闭动作的可靠性()通过试验验证了疏水阀各种参数符合/蒸汽疏水阀的技术条件并测得了工作压差下的排量为选型提供了参考参 考 文 献肖洪清.疏水器国内外综述.化工装备机械():.(日)中井多喜雄.蒸汽疏水阀.李坤英译.北京:机械工业出版社.刘金海.一种高温高压热动型蒸汽疏水阀:.将兴可.蒸汽疏水阀.北京:纺织工业出版社.陆培文.实用阀门设计手册.北京:机械工业出版社.单文嘉.关于热动式、热静式蒸汽疏水阀的型式试验.阀门():.刘方成.热动力式疏水阀的工作原理及计算.化工与通用机械():.曹伟武赵在三王政伟.热动力式疏水阀漏汽率的研究.上海机械学院学报():.张善道.热动型圆盘式蒸汽疏水阀的性能与使用.上海节能():.王治业.新型热动力式疏水阀.煤矿设计():./蒸汽疏水阀 试验方法.中国:中国国家标准化管理委员会./蒸汽疏水阀 技术条件.中国:中国国家标准化管理委员会.(收稿日期:)阀 门 年第 期