锅炉给水调节阀的型线设计与各开度下压差的计算研究

    锅炉给水自动调节系统是锅炉基本调节系统之一，它通过控制锅炉汽包水位来确保锅炉安全运行，是锅炉给水自动调节系统中的一个重要的部件，它的性能直接影响到调节系统工作的可靠性和自动化的程度。由于在不同锅炉上的调节阀，在调节过程中压差变化也会不同，如使用定速泵和变速泵，其在启动过程中，系统压差相差几倍或十几倍，这样，要用一种标准型线满足所有工况条件是不可能的。
    因此，除了考虑高压差的合理分配外，对于调节阀性能的优劣更是取决于其节流件型线的设计，是否与调节过程中因负荷变化，压差随之变化而相适应。根据研究确定，只要在设计节流件时准确的把调节过程中压差变化范围和型线计算结合在一起考虑，就可以得到一种比较趋于合理的设计。
一、型线计算公式
    调节阀节流件的型线设计，是指把调节阀的流通面积，按照一定的比例（直线、等百分比、抛物线等）分配到各个行程上的设计中去，这种比例就是要使调节阀在调节过程中和变化的压差相适应，而使调节阀在预定的操作条件下（图1），使通过它的流量与它的行程具有相对均匀的稳定性，而保证相对流量和相对行程的关系在直角坐标系内为一条直线。其比例关系式为


 

    在调节阀的调节过程中，大多数情况下给水温度不会发生较大的变化，其密度也不会受到压力变化的影响，可以假定γ_i=γ_max，如果假设F₁=γ_iF_i、F=γ_maxF_max，则式（7）可以化简为



    式中F₁———调节阀在任意开度下的有限流通截面积，m²
    F———调节阀在全开度下的流通截面积，m²
    调节阀在连续调节过程中，当压差由Δp_i变化到Δpmax时，使调节阀的工作特性保持在线性状态下，式（8）为在任意开度下的有效流通截面积的计算公式。而当Δp_i=Δ_pmax时，式（8）为定压差下（在变速泵）调节阀运行时在任意开度下的流通截面积计算公式。
    在运用式（8）时，其最大压差Δ_pmax是由用户给定，F₁按式（6）计算，调节比R按系统调节的要求选定，相对行程l/L由设计决定，而Δ_pi则根据机组启动方式和锅炉给水方式选用。
二、调节阀压差
    调节阀的压差，特别是在每个开度下的压差，是设计调节阀流通面积的一个重要的数据。一个准确的压差数据，是决定调节阀调节性能能否满足锅炉给水系统自动化运行的保证。但压差和锅炉启动方式、给水泵的特性以及给水系统的组成有着密切的关系。一般情况下，用户或设计院将会提出较为准确的最大压差，但不能提出调节阀在每个开度下的压差，通过实践，提出了近似的但基本上可以满足运行要求的计算公式。
    1、锅炉定压启动时的计算公式
    在锅炉内的介质压力与给水管内的压力变化不大的运行情况下，调节阀的压差仅受给水系统阻力的影响，可近似看作系统两端压力不变（图2），其调节阀在每个开度下的压差为
    Δ_pi=p₁-p₂-Δ_p3       （9）
    式中p₁———给水管内压力，MPa
    p₂———锅炉汽包内介质压力，MPa
    Δ_p3———给水系统各部件的阻力，MPa


    式中Q_i———通过给水系统的流量，t/hξ———给水泵系统总的阻力系数（由锅炉汽水阻力计算而得）

    g———重力加速度（g=9.8m/s²），m/s²
    γ———介质密度，kg/m³
    F₂———给水管道截面积，m²
    将式（11）代入式（10）可得

    式（13）可以用于在定压启动和水管制供水的机组上的调节阀，计算调节阀在各个开度的流量下的压差。在使用式（13）时，应注意公式中的阻力系数ξ应是从给水泵出口至锅炉汽包之间，包括弯头、管道、省煤器等所有产生阻力部件的阻力系数之和。


    2、锅炉滑压启动时的压差
    目前在大容量的高温高压发电机组，基本上采用滑压启动方式，在这类机组中锅炉的供水方式比较复杂，有定速泵、变速泵、定速泵和变速泵交叉以及水管制供水等多种形式。因此，使调节阀在滑压启动中，其压差变化范围比较大，其中犹以定速泵供水为最大。因为，在机组启动过程中，锅炉汽包内的介质压力是随着锅炉的蒸发量增加而提高，给水系统的阻力也是随着给水量的增加而增加，而给水泵的出口压力则是随着流量的增加而降低（图3），造成了调节阀的压差随着开度的增加而降低。
    由于锅炉升压曲线和锅炉蒸发量之间没有固定的函数关系，给水泵的特性曲线也因其结构的不同不尽相同，因此，调节阀在调节工程中各个开度下的压差不能用一个函数式表达。但可以从锅炉机组上锅炉升压特性曲线和给水泵的特性曲线上，查出在同一流量下的锅炉汽包压力和给水泵出口压力，其在不同开度下的压差Δ_pi为
    Δ_pi=Δ_p-Δ_p3               （14）




    式中Δ_p———在同一流量下给水泵出口压力和锅炉汽包压力之差，MPa
    Δ_p=p₃-p₄
    Δ_p3———系统阻力，MPa
    p₃———在锅炉给水流量为Q_i时水泵出口压力，MPa
    p₄———在锅炉给水流量为Q_i时锅炉汽包压力，MPa
    在滑压启动机组中，锅炉供水为水管制时，则式中的p₃为给水水管内的介质压力，并可认为它是一个定值。如果机组使用调速泵供水，在计算给水旁路上的调节阀的压差时，p₃可按调速泵最低转速的特性曲线查得。此时，给水调节阀的压差Δ_pi，可以做为一个常量，通常情况下，Δ_pi=0.15～0.12MPa。
    3、简化计算
    在设计滑压启动机组上给水调节阀时，当无法取得锅炉升压曲线、水泵的特性曲线以及给水泵有关资料时，在用户只能提供通过调节阀最大流量和最小流量的压差时，可以把水泵和锅炉的升压特性曲线（图4）看作是两条直线，并认为给水系统的阻力也在这两条线之内，由此，调节阀在任意开度下的压差Δ_pi可以近似的计算，其计算结果基本上可以满足调节阀型线设计的要求。

    式中Δ_ps———调节阀流量为零时的压差，MPa
    Δ_pa———调节阀最小可调流量下的压差，MPa
    Δ_pb———调节阀最大流量下的压差，MPa
    按照式（14）计算调节阀在任意开度下的压差，存在着调节阀实际流量特性曲线和理想特性曲线有一定的偏差。但是这种计算方法可以解决设计资料不足的困难，并且可以在缩小偏差的基础上，满足锅炉给水系统自动化运行的要求，所以设计者经常采用。
    4、可调比的计算与选择
    当用公式计算调节阀每开度下的压差后，应该用最大压差和最小压差计算和选用调节阀的可调比。当调节阀的压差随流量的变化而变化时，可调比为

    式中Q_max1———最大可调流量，t/h
    Q_N1———最小可调流量，t/h
    按式（17）计算的可调比，在实际应用时可以适当的加大，一般情况下保留两位小数，末位数为0或5。对于锅炉主给水调节阀和喷水减温调节阀，由于其流量的起点不同，调节比的取值也应该不同，这主要因为，喷水减温调节阀的工作状态是从很小的开度下开始，并且要求是很精准和稳定的，如果运行状况比较平稳，运行水平很高，则需要的喷水量基本上保持在一个常数上，这就需要其调节比很大，根据实际运行，调节比R=30～50。而锅炉给水操纵台一般由两到三条管路组成，而主给水调节阀的投入大多在30%负荷以上才开始投入运行。以670t/h锅炉为例，一投入运行，其流量就应该是200t/h以上，从可调比计算公式上也可以看出，在小开度下流通面积如果过小，就加大了给水旁路交接时调节开度，造成了主给水调节阀工作流量特性曲线斜率过大，不利其瞬时调节既可满足锅炉运行的需要，因此，对于锅炉主给水调节阀的可调比建议采用R=10～20。
三、型线绘制
    根据调节阀在每个开度下的压差以及流通面积的计算，可以进行阀节流件型线的绘制。但是，不论采用矩形法还是梯形法绘制窗口型线时，总要出现图5所示的形状。形成这一现象的主要原因是当l/L=0时，，因此，在调节阀的行程l=0时，在加上阀瓣和套筒之间的制造间隙所固有的面积，无论是直线特性，还是等百分比特性，就已经存在了间隙的面积下的流量。它不仅影响了调节阀的工作特性曲线形成不了一条光滑的曲线，而且使小流量下，调节阀在运行过程中不易控制，并给加工带来了一定的困难。因此，在型线设计时，应将l=0时存在的的面积扣除，如图5中上部虚线部分放到下部，就可以使调节阀的工作流量特性曲线的边光滑，同时提高了调节阀的可调比，解决了调节阀在小开度下的有效调节，并消除了加工上的困难。
四、结论
    我们在设计调节阀时应针对不同的系统，掌握其工作条件以及在不同负荷下的流量和压差变化范围等参数，才能设计出理想的、适合系统运行的高质量的产品。这是一项比较复杂的工作，要经过多次试验与反复修正才能达到完善。特别是新设计的调节阀，应对各种结构特性和运行工况进行有针对性的试验，掌握其压差变化的规律，才能达到设计一个较为理想的调节阀的目的。

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