林永详，张江涛，胡永海

(中国电建集团上海能源装备有限公司，上海201316)

摘要:介绍了一种用于600 MW超临界机组二次再热减温水调节阀，利用有限元法对二次再热器减温水调节阀进行强度校核及热结构藕合分析;为了解流动特性，在不同开度工况下进行流通能力仿真计算。

研究表明该阀材料选择合理，结构强度满足设计要求;流场分析得到的流通能力值与试验误差控制在3%以内，调解性能良好，对工程中二次再热减温水调节阀的设计及运行具有指导意义。

关键词:减温水;二次再热;调节阀;有限元分析;流场分析

引言

随着火力发电面临能源消耗过高、环境保护压力过大、资源节约与协调发展等众多挑战，发展清洁、高效、低碳的高参数大容量超超临界机组成为先进燃煤发电技术的必由之路。为贯彻国家节能降耗方针，致力于电力关键技术装备“以国代进”战略，研制600 MW超超临界机组用二次再热减温水调节阀，既是可持续发展的需要，又能满足市场需求，节省外汇，振兴国内装备制造业。

超临界二次再热发电技术在我国发展相当成熟，己有大量经济性分析、关键技术研究成果，是公认的提高燃煤效率有效方法。二次再热系统比一次再热系统多叠加了一个高参数的附加循环，而二次再热减温水调节阀则安装在该循环系统的事故喷水管道上，根据二次再热蒸汽的温度、压力等信号来控制阀门的开度调解进水量，实现对汽温的自动调节，充分利用热能，提高燃料利用率。减温水取自汽机给水系统，工况要求阀门喷水压力大，调节精度高，安全、密封性能好。本研究基于有限元法对其进行强度校核及热结构藕合仿真，研究结构应力分布，评定安全性能;利用流场CFD分析阀门在不同开度下的流体分布规律及流通能力，为二次再热减温水调节阀进一步优化提供技术依据。

1 二次再热减温水调节阀模型

图1为二次再热减温水调节阀结构示意图，主要由阀芯、阀体、密封套、阀盖、阀座和迷宫式芯包等组件组成。其原理是通过执行机构(电动、气动或电液)自动开启或关闭阀门来调解水量，使被调介质温度参数控制在系统运行要求参数范围内。阀门关闭靠阀芯和阀座间的密封面严密贴合完成，而阀芯在流量密封套内移动，通过调整阀门流通面积来调节流量。阀门工况条件恶劣，工作压差大，易汽蚀，因此阀门的结构设计与材料选择至关重要，具体材质性能见表1。

1密封套压盖2.密封套3.阀芯4.阀盖5.压环6.迷宫芯包7.阀体8.阀座

图1 二次再热减温水调节阀结构示意图

表1 二次再热减温水调节阀材料性能

该阀为迷宫式调节结构，阀芯为不平衡式阀芯，迷宫芯包为多级调节结构，通过逐级降压来降低介质流速，减少介质对阀芯与阀座密封面的冲蚀，避免汽蚀发生;采用等百分比调节线性曲线，可达到消除调节阀零开度漏流、优化小开度调节线性的目的。芯包由20片迷宫片组成，分成4种形式，流道深度为1.5 mm，宽度3 mm，转弯数、流道数详见图2。

图2 二次再热减温水调节阀迷宫片流道三维模型

阀门具体设计参数:温度350℃，流量75t/h，公称压力PN32 MPa，通径DN65，阀门行程50 mm，对口焊接的连接形式。阀座、阀盖和阀体之间采用不锈钢石墨缠绕垫密封，阀杆和阀盖间采用石墨盘根密封，介质流向为上进下出。

2 二次再热减温水调节阀强度分析

2.1 有限元强度模型建立

为验证阀门结构设计的安全、可靠性，对二次再热减温水调节阀在试验载荷、热结构藕合工况下进行强度校核。首先利用NXUG软件对阀门进行整体三维模型分析如图3a所示。将模型导入到有限元软件中，并施加表1中的零件材料特性。阀门主要承压部件为阀体和阀盖，阀体进、出口腔主要承受介质的压力，阀盖主要承受螺栓的预紧力。

施加荷载进口试验压力48 MPa，出口压力1.5 MPa，阀盖与阀体之间螺栓预紧力20kN。螺栓与螺母间以及螺栓与阀体阀盖之间的接触均设为绑定，其他组件之间的接触根据实际设置为无间隙接触或无摩擦接触。阀门进口、出口处均固支约束，由于阀体上方有调节执行机构与阀杆相连，将阀杆上方全约束。采用六面体结构化网格进行网格划分，如图3b所示，网格节点数为330393，单元数为194256，单元质量指标平均值为0.86，己充分考虑到网格无关性。

图3 二次再热减温水调节阀结构分析前处理

2.2 试验工况结果与分析

图4为在试验工况下对二次再热减温水调节阀分析得到的应力云图。不难发现在阀门进口腔腔道根处均出现了应力集中现象，如图中放大区域。该处形状变化剧烈，同时内壁存在着尖角。根据应力分类原则判断，此处应属于峰值应力范畴。最大应力值为180 MPa，安全系数约为2.5，根据第四强度校核理论评定符合设计要求。加工过程中应合理光滑过渡此处倒角，选择适当工艺进行热处理，改善压力分布，避免应力疲劳扩展，进而提高阀门使用寿命。

图4 二次再热减温水调节阀试验工况下应力云图

对阀门真机按照GB/T13927 -2008进行压力试验，逐步加载到48 MPa，然后保压5 min。阀体无结构损伤和介质泄漏，在可疑处均无开裂现象出现。通过对分解部件仔细检查，内部结构完好，可疑处经X光无损探伤检查无微小裂纹，这说明该阀在强度和密封性能方面满足设计要求，有限元分析与实际试验结果一致。