1、概述

    用于火电厂高加疏水、再热器疏水和过热器疏水等系统疏放水的关闭与排放阀门密封要求高,须快开快闭,并具有故障保护功能、自动控制功能和较高的可靠性。因此气动控制截止阀(电厂俗称疏水阀,疏水门)成为这类系统的首选产品。气动控制截止阀密封比压持久稳定,调试简单,维护要求低,故障低,可靠性高,失气失电自动保护,快速启闭,价格相对低廉,节能环保,因而适用于火电厂疏放水工况。

    2、阀门及气动执行机构的选型

    气动控制截止阀一般为全开全闭式。从流量特性考虑,截止阀和球阀具有启闭行程短,速度快,密封可靠,启闭静态力矩小等特点,因而两类产品都得到应用。但从可靠性考虑,主流产品仍然是气动截止阀。

    气动控制装置的气缸为定型产品,依作用方式可分单作用和双作用两种。单作用产品带复位圆柱弹簧,具有失气自动复位功能,即失气时气缸活塞(或膜片)在弹簧作用下,驱动气缸推杆回复到气缸初始位置(行程的原始位置)。双作用气缸无复位弹簧,推杆进退须依靠变换气缸气源的进出口位置。气源从活塞上腔进时,推杆向下运动。气源从活塞下腔进时,推杆向上运动。由于不带复位弹簧,双作用气缸对比同径单作用气缸具有更大的推力,但不具备自动复位功能。显然不同的进气位置使推杆有不同的方向运动。当进气位置在推杆的背腔时,进气使推杆前进,这种方式称为正作用气缸。反之进气位置在推杆同侧时,进气使推杆后退,这种方式称反作用气缸。气动截止阀因为一般需要失气保护功能,通常选用单作用气缸(图1)。

 图1单作用气缸  (a)正作用式(b)反作用式

    从分析可知,当阀门保护方式为失气打开时,必须选择单作用的正作用气缸。当阀门的保护方式为失气关闭时,必须选择单作用的反作用气缸。单作用的正作用气缸在阀门关闭时必须维持持久的稳定气源压力,对气源的稳定性和持久性要求较高常闭阀尽可能地避免选择这种设计,此结构适用于常开阀。单作用的反作用气缸适用于常闭阀,但对于弹簧的要求较高,应具有稳定持久的弹力。

    3、气缸推力计算

    除了作用方式的选择,计算所选气缸推力是计的重要工作,以常见的常闭式气动截止阀(图2)为例分析。因压力较高,为尽可能选择较小的气缸,采用了上进流(倒流)的阀门设计方式。为提高密封比压,采用了锥形密封面。

 图2气动截止阀

 3.1、气缸关闭力的计算

    关闭状态受力分析如图3a,图中各力为

 

    式中Qt———填料摩擦力,N

    Qj———介质静压力,N

    Qf———阀杆截面的介质推力,N

    Qm———阀门达到必须密封比压时的密封面作用力,N

    Qg———气缸关闭时输出力,N

    Qk———气缸打开时输出力,N

    qMF———密封面必须比压,MPa

    dm———密封面平均直径,mm

    df———阀杆直径,mm

    f———填料摩擦系数

    bt———填料宽度,mm

    P———阀门设计压力,MPa

    fm———密封面摩擦系数  

    要实现阀门的有效密封,必须

    Qg-Qf-Qt+Qj≥Qm

    即

    Qg≥Qf+Qt+Qm-Qj

    关闭力也不是越大越好,还须校核密封面实际比压q,并使其小于许用比压[q]

 

    式中Qm′———作用于密封面的实际密封力,由气缸实际推力减去相关阻力得出,MPa,

    通过以上计算可确定关闭状态的弹簧预紧力,为弹簧选型确定依据。

3.2、开启状态气缸力的计算

    开启瞬间阀门受力分析如图3b。

    Qk≥Qt+Qj+Qg-Qf

    当阀门被打开后,Qj会消失为零,但Qg会逐渐增加,两者部分抵消,到开启行程末端(最高位),气缸推力Qk′为

    Qk′≥Qt-Qf+Qs′

    式中Qs′———此位置弹簧的压缩力,N比较以上两式确定其中较大者为气缸推力,再根据实际输入气源额定压力,可大致推算出所选择气缸的直径,考虑一定的安全系数,最终确定气缸规格。

                                                            图3阀门关闭和开启状态阀杆受力
    (a)关闭时(b)开启时

    4、出厂试验

    工厂型式试验是确认产品性能的重要依据,通过试验可确认阀门的设计加工质量,承压能力,启动装置的动作性能,一般应进行密封试验、壳体试验和动作试验。

    (1)密封试验

    撤除气源,让弹簧复位至阀门关闭后,从设计流向向阀芯密封面逐步加压,进行承压密封试验,全程分3～4个压力阶段,分别观察阀门各阶段保压性能,到最高设计压力的1.1倍压力为止均应无泄漏。以此验证阀门在压力波动时也能稳定密封。

    (2)壳体试验

    依公称压力的115倍进行水压壳体试验,观察填料部位、中法兰垫片各处以及壳体全表面应无渗漏。

    (3)动作试验

    阀门关闭后,将阀门打压到设计压力,给气缸通气(压力控制0.4～0.45MPa)确认能否开启阀门,能否达到设计行程,到达设计行程后撤除气源,阀门应能自行复位。此试验至少反复3次以上。

    5、附件

    除阀门和气缸外,气动截止阀应配备电磁阀、行程开关、调压阀(含过滤器、油雾器,即三联件)和手动装置等。对电磁阀一般单作用气缸选择二位三通,并按安装位置确定电磁阀的结构形式。行程开关可选择摇臂式,调整方便。三联件用于气源处理及压力调节,如气源统一处理,可不必单配。手动装置用于辅助强制密封,分为上装式和侧装式,配置应考虑安装空间及合同规定。连接管及管件应选择金属材料,因介质温度比较高。支架尽可能高一些,使气缸内部橡胶件远离热源,延长内部橡胶密封件的使用寿命。

    6、结语

    气动截止阀可广泛应用于火力发电厂疏放水系统,控制介质的通断,具有普通手动或电动截止阀无法比拟的优点,但由于气动装置结构较大,应考虑有足够的阀门安装空间,因而高压大口径阀门的应用受到限制。