德国霍尔特调节阀公司
一、综述
在火电厂，作功的过程是依靠水的循环（即水由给水泵加压送到锅炉，在锅炉内受热产生蒸汽，蒸汽在气轮机内膨胀作功后经冷凝器冷凝为水，并如此循环往复。）来实现的。在整个循环过程中，给水泵的安全运行是实现这个循环的关键。
给水泵的出水量是随锅炉负荷而变化的。在启动时或在负荷很低时，给水泵很可能在给水量很小或给水量为零的情况下运行，水在泵体内长期受叶轮的摩擦发热，而使水温升高，水温升高到一定程度后，会发生汽化，形成汽蚀。造成给水泵的损坏。为防止上述现象的发生，在给水泵出口至除氧器（或冷凝器）水箱之间安装再循环系统，在给水泵刚启动或在给水量小到一定程度时，可打开再循环系统。将一部分水返回除氧器水箱，以保证有一定的水量（一般约为额定流量的30%）通过水泵，而不致使泵内水温升高而汽化。而当给水量处于正常条件下时，再循环系统关闭。
再循环系统由最小流量阀、止回阀、流量测量系统组成。
● 系统中流量测量系统确定何时开启或关闭再循环系统；
● 止回阀的目的是只允许水泵往外送水，而不允许水反向流回水泵。
防止水泵突然停止运转时，高压水反向流回水泵造成水泵倒转；
● 最小流量阀保证在再循环系统处于开启状态时高压水经过减压使阀出口压力与除氧器（或冷凝器）水箱压力接近而不致造成除氧器（或冷凝器）水箱压力震荡和发生汽蚀。在再循环系统中很明显最主要的、工作条件最恶劣的无疑是最小流量阀。
二、最小流量阀的运行工况及其对最小流量阀可能产生的破坏
最小流量阀是火电厂中运行工况最为恶劣的几种调节阀之一。因其安装位置处于给水泵出口与除氧器水箱（或冷凝器）之间，两者间巨大的压差由该调节阀承受。无论在开启或关闭状态下，再循环系统最小流量阀始终是在高压差下工作。在最小流量阀处于开启状态时，将高压水通过逐级减压后排至除氧器水箱（或冷凝器），并且在减压过程中不能发生气蚀；而当其处于关闭状态时，应能承受高达350bar甚至更高的静压差，并做到关闭紧密。
众所周知，液态介质在高压差下会产生空化。有研究表明，空化产生于液态区的气泡，生成气泡的必要条件是液态介质所处的绝对压力低于该液体的饱和蒸汽压力。当高压液体流经节流元件，静压能与动压能相互转换，流速增加导致压力降低，其压力降低至低于该流体在入口温度下的饱和蒸汽压力时，液体中形成气泡发生空化现象。流过节流面之后，在相对宽敞的下游流道中流速下降，压力回升，当压力高于该流体在入口温度下的饱和蒸汽压力时，汽泡溃裂释放出巨大的能量，对阀座、阀芯等节流元件产生破坏，即汽蚀。据测算，气泡破裂时的瞬时压力高达3000bar，现有的工程材料均难以抵抗其破坏力。而当流体流过节流面之后，在相对宽敞的下游流道中流速下降，压力回升不高于该流体在入口温度下的饱和蒸汽压力时，在节流降压过程中产生的气泡不会破裂，而是夹在液体中成为“二相”流，通常称此为“闪蒸”。“闪蒸”一般不会对节流元件产生破坏，但会产生阻塞流。使调节阀流量减小，与此同时还会产生强烈的噪声和震动。在电厂中除氧器（冷凝器）水箱的压力高于或等于该温度下的饱和蒸汽压力，所以“闪蒸”现象在此不会发生。
汽蚀与压差直接相关。因此，如果将高压液体经过节流元件的压力始终控制在高于该流体在入口温度下的饱和蒸汽压力时，就不产生“空化”，当然也就不会发生“汽蚀”。这既是现今各种多级降压防汽蚀高压差调节阀的理论基础。
三、HORA公司提出的解决方案
HORA公司成立于1967年，经过30余年的发展已经成长为一家具有独立研发能力、拥有15项国际专利的能够生产全系列电厂调节阀并享誉欧洲的电站供应商。
调节阀是生产过程自动化系统中的一种执行器。电厂所用的汽、水调节阀常常在高温、高压状态下运行，工作环境是相当严酷的。为此，设计师在满足控制性能要求的前提下，还应满足以下的要求：
● 调节性能良好
● 长使用寿命
● 维护方便
● 性能价格比高。
HORA综合数十年的设计、使用经验，提出下面的设计原则供公司的设计人员遵守，理想地解决了这些矛盾。
● 流速控制
工质在阀内的流速，是影响调节阀使用寿命的重要因素。同时也影响到调节阀的流量特性和控制。
HORA 控制阀内工质流速为：2~8米/秒；推荐流速为：2~5米/秒。并根据流速确定调节阀的通径。工质流速低，可最大程度地减小工质对节流元件的冲刷，延长调节阀的使用寿命。而且使得调节阀理想流量特性曲线尽量接近实际的工作流量特性曲线，提供良好的调节性能。
● 材料选择
众所周知，调节阀材料是决定调节阀寿命与成本的主要因素之一。
HORA 根据给出的工况，在调节阀的不同部位采用不同的材料，并对关键
的部位进行硬化处理，有效地延长关键节流元件的寿命。成功地解决了调节阀寿命与成本的矛盾。
● 结构设计
结构设计是实现过程控制、保证调节阀安全、正常运行、提高调节阀使用寿命
和性能价格比最根本的工作。HORA 可根据不同的控制要求和工况条件采用笼式、针式、曲线等阀芯结构形式，提供快开结构、直线结构、抛物线结构、等百分比流量特性的各种调节阀。并在阀体内部结构设计时，运用了如下方案以解决调节阀使用中的各种问题。
● 环 流 板： 防止工质对节流元件的冲刷，调节性能良好。
● 平衡阀室： 避免小流量高压差时调节阀开启困难。开启灵活，调节性能良好。
● 多级减压： 防止气蚀发生。提高调节阀寿命。
● 调节阀予起： 密封面不参与节流，防止高流速对密封面的冲蚀。
● 在线维护： HORA 生产的所有调节阀须进行维护、维修时，均不必自管道上拆下即可将调节阀解体进行维护工作。
HORA公司根据上述防汽蚀理论、遵循公司的设计原则并结合几十年调节阀生产的实际经验，对于泵再循环系统提出三种最小流量阀的方案，并且在九十年代初创造性的推出了自力式泵自动循环保护系统，用以替代传统的再循环系统。
Conventional System----传统型的最小流量再循环系统
Automatic recirculation valve泵自动再循环系统
1、开关型多级减压最小流量阀
用于非流量调节型再循环系统。特点：在再循环系统中设定开、关阀值用以控制最小流量阀的开启、关闭，将再循环系统的流量认定为常值。对于此种工况HORA公司采用轴向多级碟状降噪孔板减压最小流量阀（图 1）在阀杆的轴向布置了多级减压降噪碟状孔板，首先将进入调节阀时具有极大动压能的的流体在进入节流部件后分散成多股动压能较小的流线，使流体能量对节流元件的冲刷降低。其次由于采用多级减压降噪板，通过计算相邻两极的孔径错位重叠面积，使调节阀承受的总压差分布在各级节流元件（即减压降噪孔板）上并控制每一级的压降，使流体在每一级的降压过程中其压力都大于该流体在入口温度下的饱和蒸汽压力，达到防汽蚀的目的。
调节阀的使用寿命主要表现为阀内节流元件的使用寿命，考虑减轻液体对调节阀的冲刷在此也应表现为减轻对节流元件的冲刷。高压液体在阀内经过多次的增速、降压；减速、升压的循环，最终达到所要求的出口压力。在减压过程中高压液体的流速一直在进行变化，而且在通过节流元件时的流速要高于液体在阀内的正常流速。因此，HORA设计原则中对阀内液体的流速控制在这种工况下的作用就更加重要。可以有效地减轻对节流元件的冲刷，增大使用寿命。
由于对流速进行控制以及采用了多级减压降噪碟状孔板，有效地降低高压差所派生出的噪音和振动。
另外，在阀芯内部结构设计采用了平衡阀室结构，保证调节阀在高压差下开启灵活。
特点：结构简单、安全可靠、可更换性强、实现在线维护、维护方便、具有较高的经济性。
图 一
2、调节型最小流量阀
前面我们说过，给水泵的出水量是随锅炉负荷而变化的。为保证给水泵的安全运行应有一定的水量（一般约为额定流量的30%）通过水泵。开关型的再循环系统开关阀值一般设为额定流量的30%，其流量一般也设定为额定流量的30%，只要主给水流量低于额定流量的30%，再循环系统就将开启。这样，就可能会有大量的高压水流回水箱，造成能源的浪费，造成电厂的整体经济效益降低。
为解决能量损失，很多电厂采用流量调节型再循环系统。即将再循环系统的流量设定为额定流量的0~30%，可调。
针对流量调节型再循环系统HORA公司提出：阀杆式多级减压最小流量阀；多级笼式套筒减压最小流量阀两种方案。2-1 流量调节型阀杆式多级减压最小流量阀
流量调节型再循环系统与开关型再循环系统相比较，区别在于调节型在满足开关型再循环系统的所有要求的同时对流量进行调节。
HORA的流量调节型阀杆式多级减压最小流量阀结构（如图2）：采用中心阀杆配合阀座在阀杆轴向形成多级 节流面，实现多级减压，防止汽蚀。通过计算节流面与阀杆开度的配合,可满足等百分比、线性等流量曲线的要求。实现流量的调节。并在阀芯始、末端设置减压降噪孔板，降低噪音和振动。同时，防止系统内夹带的一些固体杂质进入阀芯，造成对节流面的损坏。
特点：整个减压过程在阀芯与阀座内完成对阀体没有冲刷，阀内流场平稳顺畅、安全可靠、结构简单、可更换性强、实现在线维护、维护方便、具有较高的经济性。
泵再循环系统中调节阀的设计与选型
>
图 二
2-2 调节型笼式多级减压最小流量阀
（予启式） （如图3）：采用在阀杆径向设置多级笼式套筒，孔径错位重叠，承担调节阀承受的总压降。最高可达9级笼式减压构成，可以承受500bar的压差。开启阶段：两级主副密封结构，在调节阀开启阶段，阀芯套筒予开启2-3mm，此时介质没有流动，避免了主密封面在开启或关闭阶段高流速流体的冲蚀。阀芯在完成予开启后主阀芯进入开启阶段（内置叠型弹簧联动作用），此时调节阀进入正常的调节阶段。关闭阶段同开启阶段相反。进入调节阀时具有极大动压能的的流体在进入节流部件后分散成多股动压能较小的流线，使流体能量对节流元件的冲刷降低。其次由于采用多级减压，通过计算相邻两极的孔径错位重叠面积，使调节阀承受的总压差分布在各级节流元件上并控制每一级的压降，使流体在每一级的降压过程中其压力都大于该流体在入口温度下的饱和蒸汽压力，达到防汽蚀的目的。笼式阀芯的特点是流体在笼体四周均匀的流入或流出，流场相对阀杆的任何变化均没有中断和突变现象，具有光滑的流动特性。可极大地降低噪音和减轻振动。同时，由于流体在流场内是径向均匀进出，不会造成阀杆的应力集中。阀芯始、末端设置笼式减压降噪孔板，防止系统内夹带的一些固体杂质进入阀芯，造成对节流面的损坏。
配合阀杆的移动计算孔径错位重叠面积，可提供等百分比、线性等流量特性曲线的结构。
特点：主副密封结构，有效的保护主密封面不受高流速介质的冲蚀。低噪音、整个减压过程在阀芯与阀座内完成对阀体没有冲刷、阀内流场平稳顺畅、阀杆受力合理不存在应力集中、安全可靠、实现在线维护。
图 三
4、泵自动循环保护阀
HORA PSG系列自动循环泵保护阀是专为液体输送系统中泵再循环系统而设计的自力式自动循环阀。以往的再循环系统由流量计、控制回路、最小流量调节阀、电动（或气动）执行机构、止回阀组成。应具备如下功能：流量测量、逆止阀、减压泄荷与流量调节。HORA PSG系列自动循环泵保护阀以巧妙的设计，简单的结构将上述功能集成在一个调节阀内，替代了传统的泵再循环系统，大大降低设备的投资。
工作原理：（如图四）
图 四
四、结论：
高压液体经过调节阀入口进入阀体，阀芯利用浮子流量计原理测量主流量的大小。阀芯根据主流量的大小变化发生左、右方向的位移并带动旁路阀杆同向移动，开启或关闭旁路。当主流量小于设定值时，旁路处于开启状态。液体通过阀座上的开孔进入阀杆与旁路阀座组成的具有减压、流量调节旁路通道，经过减压后回到初始储液箱（罐），完成旁路循环。当通过调节阀的主流量大于所设定的值时，由于阀芯阀芯具有右向位移，带动阀杆即旁路阀芯移动关闭旁路。以上完成流量测量、减压泄荷与流量调节功能。
当泵关闭，调节阀的出口处有高压液体倒流回来时，阀芯与主通道阀座组成逆止阀，防止高压液体倒流，完成逆止阀功能。为防止在高压差下阀芯与阀座组成的逆止面发生强烈碰撞造成损坏，在阀芯与阀杆之间设计有空腔形成液体阻尼器，使阀芯的闭合平稳缓慢。
旁路的减压级数是根据用户给定的工况确定的，可以是单级也可以是多级减压。特殊的连杆结构设计克服了通常系统中在最小流量点附近运行时产生的系统震荡。最小流量的阀值的设定在出厂前已经调校，如果用户改变设定可以通过螺母调节。
● 旁路出口处可以附加逆止阀。
特点：
● 大大降低了设备的投资
● 无过热与汽蚀发生
● 无须附加电源及控制型号
● 设计简化、安装方便
● 节约能源
● 结构紧凑自动运行、无须执行机构
● 维护方便、实现在线维护
● 失效保护开启旁路
泵再循环系统中调节阀的设计与选型
> ● 同样适用于调速泵系统
5 背压阀 （如图五）
为防止汽蚀或闪蒸对旁路以及储液罐的损坏，我们建议在储液罐的入口处加装背压阀，以确保旁路出口始终建立起背压。
上述可见，最小流量阀的运行功能虽然简单，但它是各种调节阀中运行工况最为严酷的、也是对其要求最为严格的调节阀之一。HORA针对可能遇到的各种不同工况提出了不同的解决方案，实现了：
1.针对不同工况提出不同的解决方案。
2.防止汽蚀对调节阀的损坏。
3.对流速进行控制，减轻对节流元件的冲刷，延长调节阀的使用寿命。
4.提出以一个调节阀代替再循环系统的方案，大大降低成本。
