為提高汽輪機調節閥的抗沖蝕性能，同時使其滿足調節特性需求，提出對調節閥進行分段設計，并采用了鼠籠式多級降壓結構。對調節閥的流量特性進行了計算，分析了滑閥間隙對流量特性的影響，修正了流量特性曲線。通過調節閥流量特性的測試，分析了小開度下產生誤差的主要原因。結果表明：計算值與試驗值能較好地吻合。

調節閥又稱為控制閥，是控制系統的重要組成部分。根據控制系統發出的指令信號改變汽輪機蒸汽調節閥開度以及汽輪機的進汽量，從而實現汽輪機功率的調整。為滿足汽輪機調節特性要求，閥門通流面積與開度之間應保持一定的變化規律。 
    汽輪機調節閥長期處于高溫、高壓狀態，工作條件十分惡劣，特別在低負荷工況下調節閥承受的壓差巨大，極易造成閥門零部件的沖蝕。為改善調節閥工作狀態，減小汽流帶來的沖擊，通常可采用多級降壓式的結構，如多層套筒式、多級閥芯式等，以提高調節閥的抗沖蝕性能，延長設備的使用壽命。

    1 抗沖蝕調節閥的結構與工作原理

    某汽輪機采用節流調節方式，蒸汽調節閥為套筒式結構，由于長期處于低負荷工況運行，滑閥沖蝕現象較為嚴重。

    根據汽輪機使用要求，蒸汽調節閥應能夠實現：

    （1）在高壓差、小流量工況時具有良好的抗沖蝕性能。

    （2）在大流量工況下具有較小的壓降，減小汽輪機進汽壓力損失。

    （3）調節閥流量特性曲線光滑連續，滿足機組調節需求。

    為使蒸汽調節閥滿足上述功能要求，對其采用了分段設計，結構見圖1。

圖1 改進的蒸汽調節閥結構示意圖

    調節閥采用套筒式結構，蒸汽由閥體底部進入，經調節閥節流后由側面流出。調節機構由鼠籠和套筒組成：鼠籠結構用于閥門小開度時（30%流量以下）高壓差工況的調節；套筒采用一定型線的窗口，用于大流量工況（30%流量以上）的調節。

    鼠籠結構采用小孔多級節流形式，共分為五級，各級小孔的直徑和數量均有不同，通流面積從第一級至最后一級逐漸增大。 高壓蒸汽從閥體進入鼠籠后，由內圈向外圈逐級膨脹，最后流出調節閥；第一級鼠籠小孔布置于滑閥底部，當調節閥開啟時，可使第一級與第二級鼠籠通流面積同時變化；為滿足汽輪機調節需求，第一級鼠籠小孔分多排布置，數量由上至下逐漸增多，使調節閥通流面積與開度呈等百分比變化。

    2 調節閥流量特性計算

    2.1 調節閥流量特性的計算

    蒸汽調節閥流量特性計算參數主要包括：

    （1）不同開度下套筒及鼠籠結構總通流面積：

        （1）

    （2）調節閥流量公式：

        （2）

    式中：p0為調節閥閥前壓力；υ0為調節閥閥前蒸汽質量體積；Φ為閥門流量系數βυ為彭臺門系數。

    （3）彭臺門系數公式：

        （3）

    式中：ε為調節閥前后蒸汽壓比；εc為蒸汽的臨界壓比。

    （4）弗留格爾公式：

        （4）    

    式中：Qc、Qcp為噴嘴變工況以及額定工況時的流量；p1、p1p為噴嘴前變工況以及額定工況時的壓力；p2、p2p為級后變工況以及額定工況時的壓力。    

    （5）流量守恒公式：

        （5）

    根據以上計算公式，則可求出調節閥流量特性，即不同開度下調節閥流量

        （6）

    計算結果見圖2。由于采用了分段設計，在相對開度＜0.33（即鼠籠結構）進行調節時斜率較小；在相對開度＝0.33時（套筒窗口開啟）曲線斜率隨即增大；當相對開度＝1時，流量達到最大值。    

圖2 調節閥流量特性曲線

    2.2 間隙流動對流量特性的影響

    上述計算未考慮滑閥與套筒間的間隙對流量的影響，為提高計算結果的準確度，針對調節閥結構特點，對其小開度時間隙泄漏情況作了進一步的分析。圖3為間隙流動計算節點圖。    

圖3 間隙流動計算節點圖

    當調節閥處于小開度狀態時，蒸汽一方面經第一級鼠籠小孔流過，另一方面通過滑閥與套筒間的間隙流過。在間隙流動計算節點圖中，Fg1為滑閥下端與套筒的間隙，Fg2為滑閥上端與套筒的間隙，Fh1為第一級鼠籠小孔已開啟的通流面積，Fh2為第二級鼠籠小孔已開啟的通流面積，Fh3為第二級鼠籠小孔未開啟的通流面積，Fs為套筒的通流面積；p0為閥前壓力，pa為經第一級鼠籠以及滑閥下間隙后的壓力，pb為第二級鼠籠后的壓力，pc為第一次流過滑閥上間隙后的壓力，pd為第二次流過滑閥上間隙后的壓力，pe為閥后壓力；Q1～Q7分別為蒸汽流經各處的流量。 根據計算節點及流量守恒方程可知：

        （7）

    在不同開度下，Fh1、Fh2、Fh3隨之發生變化，可根據前兩級鼠籠小孔分布計算得出，Fg1、Fg2可根據閥門結構尺寸給出，根據閥前壓力p0以及閥后壓力pe（即噴嘴前壓力），可求得考慮間隙泄漏后的總流量Q。

    在考慮間隙泄漏后，修正的開度－流量特性曲線見圖4。與修正前的曲線相比，主要變化在于小開度時（x＜0.33）蒸汽流量有所增加；而開度較大時（x＞0.33），由于壓差相對較小，因此間隙泄漏量對整個流量的影響較小。

圖4 修正后的流量特性曲線

    3 調節閥流量特性的測試

    調節閥試驗臺原理見圖5，參試設備主要包括調節閥、汽輪機、負載等。通過調節閥開度的調整可改變汽輪機的進汽量，負載的變化可使汽輪機實現不同功率的輸出。管路上設置有流量計、壓力表等，分別用于測取蒸汽流量、壓力、調節閥前后壓力以及汽輪機排汽壓力等。

圖5 調節閥試驗臺

    在給定蒸汽參數以及負載后，對調節閥不同開度下的通流量進行了測定。圖6為根據計算值及兩次試驗結果所得的開度－流量特性曲線。

    由圖6可以看出：試驗值與計算值基本吻合，但在小開度狀態下，試驗值略高于計算值，產生偏差的原因主要有：

圖6 流量特性曲線對比

    （1）間隙的影響。在計算中，滑閥與套筒的間隙為給定值，與實際工作狀態存在一定的偏差；此外滑閥密封環處也會產生一些泄漏，導致調節閥的泄漏量較計算值偏大。

    （2）蒸汽參數以及負載的影響。在試驗過程中，蒸汽參數以及負載有一定的波動區間，而在小開度時，由于機組負載較小，穩定性相對較低，即使蒸汽參數或負載微小的波動也會對汽耗量產生較大影響。

    （3）讀數誤差。開度－流量特性曲線是根據調節閥不同開度下蒸汽通流量的測定所得到的。由于開度值是人工讀取的，因此難免存在一定的誤差，特別在小開度時，微小的讀數誤差都會對流量特性曲線產生影響。

    以上三個方面是造成小開度下試驗值與計算值產生偏差的主要原因。當調節閥開度增加，蒸汽流量較大時其影響減小。

    4 結語

    試驗結果表明：

    （1）滑閥與套筒之間存在的間隙使調節閥在小開度時的流量較設計值有一定的增加，當開度增大時，間隙影響逐漸減小。

    （2）調節閥流量特性的計算值與試驗值吻合較好，說明給出的計算方法是合理的，可滿足工程計算需求。

    （3）滑閥間隙、蒸汽參數以及負載的波動、讀數誤差等因素是造成小開度時試驗值與計算值偏差的主要原因；在大開度時，以上因素影響較小。