1、概述

　　为提高热电厂抽汽汽轮机组运行的安全性和可靠性,防止由汽轮机抽汽管道蒸汽倒流和冷凝水倒灌所引发的汽轮机超速事故,在汽轮机管道上电动截止蝶阀与止回阀之间需安装一台快关蝶阀。在汽轮机组紧急关闭时,接到关阀指令后阀门快速反应并迅速关闭,快关时间≤0.5 s。

2、结构

　　全液压快速关闭蝶阀(图1)主要由蝶阀本体、执行机构及其电气控制系统等部分经过高度集成整合而成。开阀时,按下电控箱控制面板上的慢开按钮,液压控制系统工作,液压油进入油缸底部推动活塞带动蝶阀慢开。阀门开到位时行程开关动作,开阀动作终止,系统进入通电待命状态,蓄能器储备液压能。当系统出现紧急状况时,蝶阀接到事故信号,蓄能器释放液压能并通过油缸和齿轮传动机构迅速关闭阀门,快关时间0.18～0.5 s(包括缓冲时间) 。

3、设计

3.1、阀体

　　阀体是蝶阀的主要部件,除承受管道介质的压力、温度以及阀门的操作力和管路上的一些不可预见的载荷外,还应能抵抗介质的腐蚀、冲蚀和侵蚀。

图1　全液压快速关闭蝶阀

　　阀体壁厚为

　　式中t———计算壁厚,mm
　　　　P———磅级值×0.07,MPa
　　　　S ———4.92,MPa
　　　　d———阀门的入口内径或开口部位直径( ≥入口内径的0.9倍) ,mm<

　　式(1)主要用于采用英制单位系列阀门壁厚的计算,阀门的压力等级为高温定级。例如150 lb的阀门, P260～300 = 150p si (阀门工作温度260～300℃,*大的工作压力可达150p si) 。公制单位系列阀门则采用常温定级, 例如PN16 的阀门, P- 29～38 =116MPa (阀门工作温度- 29～38℃,*大的工作压力可达116MPa) 。计算应区别对待。阀体的*小壁厚也可以查真空技术网另文,其中列出了各公称压力下相应阀门内径所对应的*小壁厚值。高温工况下,应考虑材料的松弛和蠕变对产品性能的影响。

3.2、蝶板

　　蝶板是调节流量和切断流量的关闭件。蝶板运行时,经常处于流动介质之中,因此应能承受介质的作用力而不致损坏和产生过大的变形。此外尚应有较好的流态和调节性能。蝶板的设计计算主要是强度与刚度的计算,其弯曲强度为

　　式中σw ———蝶板弯曲应力,MPa
　　　　M ———弯曲力矩,N·m
　　　　W ———断面系数, cm²
　　　　[σw ] ———材料的许用弯曲应力,MPa

　　蝶板仅计算其强度是不够的。若蝶板变形过大,将增加其转动时的力矩,使蝶板不能转开或由于变形过大而达不到关闭的位置。因此,一般要求蝶板的*大变形量不得超过公称通径的0.1% ～0.2%。对于一些形状复杂的蝶板,已广泛地采用三维有限元法计算蝶板刚度。

3.3、密封副

　　密封副是蝶阀的关键部件。普通蝶阀只能作调节用,主要原因就是密封的可靠性没有解决。三偏心多层次密封结构(图2)具有形状简单,易加工,冷作变形应力小,可达到零泄漏和密封效果好等优点。在密封副的多层次中,夹层可以用四氟和石墨等材料。在超高的温度下,可采用全金属密封。蝶阀密封面相互之间应有合理的密封比压值qb。

　　式中a———系数(按表1选取)
　　　　c———系数(按表1选取)
　　　　p———公称压力,MPa
　　　　b———密封面宽度, cm

图2　三偏心多层次密封结构
　这个比压的产生往往是强制的, 即蝶板密封面的外径大于阀座密封面的内径, 依靠阀轴旋转而使弹性密封圈变形, 产生密封比压。也可以靠外界气压或液压使受压的密封件膨胀, 而产生密封件间的密封比压, 还有借助于介质本身压力产生密封比压。

3.4、阀轴

　　阀轴是支承蝶板的部件, 当蝶阀关闭时, 承受着作用在蝶板上的介质静压力和由于压力脉动作用的瞬间力。当蝶板在中间位置时, 则承受作用在蝶板上的介质动压力并传递开关阀门所需的扭矩, 因此阀轴应有足够的强度和刚度。由于阀轴大部分与介质相接触, 因此还应有一定的耐介质冲蚀和耐腐蚀的性能。阀轴的材料一般采用2Cr13、1 r17Ni2、0Cr18Ni9、0Cr17Ni12Mo2 或17-4PH等。蝶阀的轴径应根据介质压力、流速, 扭矩以及蝶板结构刚度和轴的材质及工艺选取。蝶阀轴径过大将影响蝶板的外形尺寸, 增大阀门的流阻, 且有时增大了阀门的开关力矩。蝶阀轴径过小会导致阀轴的弯曲和变形并影响阀门开启关闭力矩。三偏心蝶阀阀轴为一根通轴, 可以简化为简支梁, 其刚度按第三强度理论计算。

　　式中τN ———阀轴扭应力, M Pa
　　　　ΣMN ———阀轴总力矩, N·m
　　　　WN ———抗扭截面系数, cm³
　　　　[τN ] ———材料的许用扭应力, M Pa

4、电液联动系统

　　电液联动系统主要由执行机构(图3) 和电气控制系统部分组成。与阀门连接后除能实现常规的慢开和慢关功能外, 还具有快关、缓冲、活动试验、自动补压及报警等功能。

                                          图3　电液联动系统
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4.1、慢开功能

　　按下电控箱控制面板上的慢开按钮, 三位四通电磁换向阀的电磁铁得电, 压力油通过该电磁换向阀进入油缸进口腔, 油缸出口腔的油则经该电磁换向阀进入油箱, 阀门慢开。开到位时行程开关动作, 开阀动作终止, 系统进入通电待命状态。

4.2、慢关功能

　　按下电控箱控制面板上的慢关按钮, 三位四通电磁换向阀的电磁铁得电, 压力油通过该电磁换向阀进入油缸出口腔, 油缸进口腔的油则经该电磁换向阀进入油箱, 阀门慢关。关到位时行程开关动作, 关阀动作终止, 系统进入通电待命状态。

4.3、快关功能

　　为了实现阀门的快速关闭, 采用蓄能器作为实现快关的动力能源。在正常运行工况下, 蓄能器皮囊内充满高压气体, 皮囊外为高压油。在任何位置下, 只要按下电控箱控制面板上的快速关闭按钮,蓄能器皮囊中高压气体迅速膨胀, 使高压油液通过快关油路进入执行器油缸, 驱动阀门实现快速关闭。同时控制系统中还设置了用于汽轮机故障和油开关跳闸等信号的连锁控制的中间继电器, 当阀门接受快关信号后, 执行器自动接通快关液压回路,快速关闭阀门, 确保汽轮机组的安全运行。

4.4、缓冲功能

　　在阀门快速关闭时, 在*后3°左右位置设有液压缓冲装置, 以减轻蝶板对阀座的冲击。

4.5、活动试验

　　为防止阀门因长期不动而发生卡涩等异常现象, 设置了小行程范围内的阀门活动试验。活动试验动作只在全开位置才起作用, 动作时阀门会按设定的程序自动从全开位置慢关到设定位置, 然后再从设定位置返回到全开位置。活动试验动作分手动和自动二种方法, 电控箱控制面板上设有活动试验的手动按钮和定期自动活动的时间设定器, 按下手动按钮阀门会自动完成活动试验动作。也可以根据工况系统要求设定活动试验动作的间隔时间(时间段可设置为s、m in和h, *大时间段为300h) 。活动试验动作只在设定的小行程(全行程的15%左右) 范围内进行。

4.6、自动补压功能

　　快速关闭阀执行机构的动力是由蓄能器提供的。当蓄能器内的压力低于设定值时, 油泵开启,蓄能器补压。当蓄能器压力恢复正常值时, 油泵停止工作。此时阀门可以在某一位置稳定工作。值得注意的是, 在全液压蓄能快关阀中蓄能器提供足够的能量使阀门关闭时快速关闭, 蓄能器一般要求保压8h, 时间不宜过长。

4.7、报警功能

　　为保证快关阀工作的可靠性, 设有低油压和低油位故障报警功能, 以提示操作人员及时处理故障, 保证设备安全可靠运行。

5、可调节型快关蝶阀

　　在热电厂抽汽汽轮机组的运行中, 很多场合下工况系统除了要求阀门满足0.5s快速关闭的前提下, 还须满足工况流量调节的要求。为此, 在全液压蓄能快关蝶阀的基础上, 开发研制出了可调节型全液压蓄能快关蝶阀, 该阀具有结构紧凑、体积小、质量轻、操作简便、动作灵敏、性能可靠、密封性能达到零泄漏、使用寿命长以及外形美观等优点, 达到了国内**水平。

6、结语

　　全液压蓄能快关蝶阀使用在电厂的主蒸汽系统管路上, 与其他国内外类似产品比较, 在口径压力、关闭速度、使用工况范围、密封性能等方面都有很大的优势, 投入电厂主要设备使用后也具有很高的可靠性, 多年成功使用经验证明可以代替同类型国外进口产品。