1．概述
蒸汽是一種工業(yè)領(lǐng)域重要的二次能源，蒸汽系統(tǒng)也是能源消耗的主要領(lǐng)域，我國(guó)產(chǎn)煤量的三分之一用于該系統(tǒng)。蒸汽疏水閥則是保障蒸汽系統(tǒng)正常工作、節(jié)約能源的重要自力式控制類閥門。隨著科技的發(fā)展、工業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，工業(yè)生產(chǎn)呈現(xiàn)大容量、高參數(shù)、高效低耗的趨勢(shì)，對(duì)蒸汽疏水閥節(jié)能效率要求愈來(lái)愈高的同時(shí)，對(duì)排量要求愈來(lái)愈大。如在大乙烯、大型化工裝置等工藝流程合需要排量50～160T/h的蒸汽疏水閥。目前節(jié)能型疏水閥：機(jī)械型疏水閥關(guān)鍵元件——浮球、浮筒無(wú)法滿足大口徑時(shí)介質(zhì)力的要求；熱靜力型疏水閥關(guān)鍵元件——雙金屬熱動(dòng)力元件單憑多組疊加；液體膨脹式單憑熱動(dòng)力元件體積的增大也無(wú)法滿足大口徑時(shí)介質(zhì)力的要求。
國(guó)際上超大排量先導(dǎo)式疏水閥技術(shù)一直被西方少數(shù)幾家大公司壟斷。國(guó)產(chǎn)只有仿制自由浮球+活塞的先導(dǎo)式疏水閥產(chǎn)品，沒(méi)有熱靜力+活塞主閥產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)在適合大排量熱靜力疏水閥的場(chǎng)合仍然需要選用價(jià)格高昂的進(jìn)口產(chǎn)品或采用多組疏水閥組合的落后設(shè)計(jì)。常見的熱靜力蒸汽疏水閥主要有雙金屬型、波紋管型(液體、飽和蒸汽壓力兩種)、膜盒型和溫敏蠟型等。雙金屬熱動(dòng)力元件是一種技術(shù)較為成熟的熱動(dòng)力元件，主要優(yōu)點(diǎn)在于可適用溫度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性高、工作穩(wěn)定，可用于多種介質(zhì)的溫控場(chǎng)合。因此開發(fā)超大排量雙金屬先導(dǎo)可調(diào)式疏水閥，滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)以及重大成套裝備主要附件國(guó)產(chǎn)化對(duì)過(guò)冷或者過(guò)熱超大排量蒸汽疏水閥的需求，具有良好的應(yīng)用前景、經(jīng)濟(jì)效益和重大的現(xiàn)實(shí)意義。本文對(duì)超大排量雙金屬先導(dǎo)可調(diào)式疏水閥的基本原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及主閥導(dǎo)閥關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)進(jìn)行了具體研究與探討。
2．整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2．1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
超大排量雙金屬可調(diào)先導(dǎo)式疏水閥是將圓盤雙金屬疏水閥與大排量截止閥進(jìn)行了有機(jī)的組合，采用先導(dǎo)式結(jié)構(gòu)，通過(guò)小閥對(duì)大閥的控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)凝結(jié)水超大排量的控制；采用優(yōu)化設(shè)計(jì)原理，通過(guò)活塞泄壓小孔形成氣墊、平衡彈簧等的優(yōu)化組合，實(shí)現(xiàn)了避免關(guān)閉過(guò)快而造成高噪聲和引起管路振動(dòng)甚至水擊以及有效延長(zhǎng)密封面的壽命。
其結(jié)構(gòu)主要由主閥和先導(dǎo)閥兩部分組成(結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示)，主閥采用的是活塞與閥芯的一體化結(jié)構(gòu)，導(dǎo)閥采用的是圓盤雙金屬可調(diào)式結(jié)構(gòu)。通過(guò)導(dǎo)閥帶動(dòng)主閥工作，使其具有超大排量，實(shí)現(xiàn)排水溫度可調(diào)的功能。
2．2 基本工作原理
超大排量雙金屬可調(diào)先導(dǎo)式疏水閥就是以溫敏雙金屬熱動(dòng)力元件組合件11作為導(dǎo)閥來(lái)控制主閥，當(dāng)閥腔內(nèi)充滿蒸汽時(shí)，雙金屬組合件處在高溫環(huán)境中而膨脹，使導(dǎo)閥關(guān)閉，主閥則由于介質(zhì)力和彈簧力的共同作用也處于關(guān)閉狀態(tài)，從而起到了阻止蒸汽排出的作用。當(dāng)閥腔內(nèi)充滿的是冷空氣時(shí)，熱動(dòng)力元件11則收縮使導(dǎo)閥打開，冷空氣就可以經(jīng)由導(dǎo)閥、活塞15上的小孔而排出，從而起到排空氣的作用。當(dāng)閥腔內(nèi)流人的是冷凝水時(shí)，由于冷凝水的溫度低于雙金屬熱動(dòng)力元件組合件11的動(dòng)作溫度，導(dǎo)閥會(huì)打開排水，冷凝水通過(guò)導(dǎo)閥閥座孔流入主閥活塞6上腔，由于活塞的截面積遠(yuǎn)大于主閥閥芯的截面積，活塞與主閥閥芯組件受力合力向下，則主閥打開排水。排水結(jié)束時(shí)高溫蒸汽進(jìn)入導(dǎo)閥，導(dǎo)閥關(guān)閉。在活塞15上設(shè)計(jì)有泄壓緩沖小孔，主閥關(guān)閉時(shí)，活塞上腔的壓力不會(huì)迅速釋放，即主閥不會(huì)迅速關(guān)閉，從而避免了主閥閥芯與閥座的猛烈撞擊，提高了密封面的使用壽命、有效地防止了主閥關(guān)閉過(guò)速引起管路振動(dòng)。
3．先導(dǎo)閥關(guān)鍵技術(shù)研究與設(shè)計(jì)
3.1 雙金屬組件熱動(dòng)力元件受力分析
3.1.1 建立熱推力F與撓度f(wàn)的數(shù)學(xué)模型形公式也可用于一般非純彎曲)。則如圖2所示雙金屬片產(chǎn)生了一定的彎曲變形，設(shè)中心處垂直方向上的變形量f與任一點(diǎn)x處的彎矩與撓度的關(guān)系為：
式中：D——雙金屬片外徑，m；
d——雙金屬片內(nèi)徑，m；
E——雙金屬片的彈性模量，Pa；
I——雙金屬片截面的極慣性矩，m4；
F——一片雙金屬片產(chǎn)生的熱推力，N；
f——雙金屬片中心處垂直方向上的變形量，m；
x——雙金屬片上任一點(diǎn)到其邊緣的距離，m。
由于df/dx的值遠(yuǎn)小于1，略去后積分并令x=D/2得：
對(duì)于導(dǎo)閥中圖3所示的環(huán)形雙金屬片，有：
3．1．2計(jì)算熱推力
由比彎曲關(guān)系式：
將上式代人式(2)中得：
則一組金屬片產(chǎn)生的熱推力為：
除去凝結(jié)水作用在金屬片上的壓力后的熱推力為：
則n組金屬片的熱推力為：
式中：Po——進(jìn)口壓力，Pa；
k——比彎曲，℃-1；
T——雙金屬片變形后的溫度，℃；
T0——雙金屬片開始變形時(shí)的溫度，℃；
n——雙金屬片組的個(gè)數(shù)。
3.1.3雙金屬片導(dǎo)閥所需動(dòng)作平衡力
閉閥后，導(dǎo)閥內(nèi)部力的平衡方程式如下：
F1≥F2-F3
式中:F2——導(dǎo)閥關(guān)閉后其閥孔前的力，N；
F3——導(dǎo)閥關(guān)閉后其閥孔后的力，N；
P1——活塞上腔介質(zhì)壓力，Pa；
A1——導(dǎo)閥閥座孔截面積，m2。
3.1.4密封比壓q的選擇
密封比壓的計(jì)算：
密封面的實(shí)際比壓值q應(yīng)滿足下列關(guān)系：
式中：q——密封比壓，Pa；
QMZ——導(dǎo)閥閥座密封面上的總作用力，N；
qMB——導(dǎo)閥密封面上的必須比壓，Pa；
dm——導(dǎo)閥閥座密封面內(nèi)徑，m；
bm——導(dǎo)閥閥座密封面寬度，m；
[q]——許用密封比壓，Pa。
3.1.5 雙金屬片組片數(shù)n的確定
聯(lián)立式(7)、(8)、(9)和(10)，得
3．2先導(dǎo)閥口徑的設(shè)計(jì)計(jì)算
雙金屬組件熱動(dòng)力元件作為超大排量疏水閥導(dǎo)閥的關(guān)鍵部件，其啟閉速度決定著整臺(tái)疏水閥的動(dòng)作靈敏度。其靈敏度過(guò)高容易引起管路水擊現(xiàn)象，從而引起管路異常振動(dòng)甚至導(dǎo)致破壞；而其靈敏度過(guò)低則將增大疏水閥的漏汽率?？梢姡行У乜刂齐p金屬組件熱動(dòng)力元件的靈敏度，對(duì)疏水閥性能的穩(wěn)定與提高具有重要的意義。為避免水擊現(xiàn)象的發(fā)生，需要對(duì)先導(dǎo)閥的口徑進(jìn)行限制，以便控制主閥的開閥時(shí)間。
假設(shè)將先導(dǎo)閥安裝在長(zhǎng)為L(zhǎng)的管路中，流體在管路中的流速為V。(過(guò)熱蒸汽一般為40～60m/s)，忽略活塞小孔的排液量可得：
式中：△h——活塞行程，m；
A2——活塞頂部橫截面積，m2；
d1——導(dǎo)閥直徑，m；
Vs——管路中的流速，m/s；
ν——導(dǎo)閥閥座中冷凝水的流速，m/s；
t——主閥關(guān)閉時(shí)間，s。
根據(jù)水擊原理當(dāng)t》2L/Vs時(shí)不會(huì)引起水擊，由以上分析可以得出導(dǎo)閥口徑d1，滿足
時(shí)不會(huì)發(fā)生水擊。
4．主閥關(guān)鍵技術(shù)研究
4.1 主凋閥芯組件的受力分析
根據(jù)設(shè)計(jì)工況、主閥閥座和閥瓣密封副所需要的密封比壓，對(duì)主閥閥芯組件進(jìn)行受力分析可得(如圖4所示)：
則活塞的頂部橫截面積計(jì)算式為：
其中主閥密封面上的必需比壓為：
式中：G——主閥閥芯組件自身重力，N；
f——活塞環(huán)與氣缸的摩擦力，N；
qMF——主閥密封比壓力，106Pa；
A3——活塞底部橫截面積(活塞的頂部橫截面積減去閥桿的面積)，m2；
A4——主閥密封面面積，10-6m2；
P2——活塞下部介質(zhì)壓力，Pa；
F4——主閥彈簧回復(fù)力，N；
A5——主閥介質(zhì)作用面積，m2；
m——與流體性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)；
α,c——與密封面材料有關(guān)的系數(shù)；
pg——公稱壓力，106Pa；
bM——密封面寬度，10-3m。
由以上計(jì)算式，可根據(jù)設(shè)計(jì)工況通過(guò)反復(fù)計(jì)算來(lái)優(yōu)化回復(fù)彈簧的受力，進(jìn)而優(yōu)化主閥閥芯組件的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
4．2 主閥回復(fù)彈簧的設(shè)計(jì)
主閥回復(fù)彈簧力的大小直接影響到疏水閥主閥的性能，力太大容易引起水擊現(xiàn)象，力太小則會(huì)導(dǎo)致漏汽率增加，因此，對(duì)回復(fù)彈簧的設(shè)計(jì)相當(dāng)必要。由4.1中的分析可知，主閥回復(fù)彈簧受到的力的大小為F4，另外，根據(jù)具體使用場(chǎng)合選定彈簧的材料，查表可得材料的許用應(yīng)力[τ]，然后按強(qiáng)度和剛度要求設(shè)計(jì)圓柱螺旋壓縮彈簧。
首先，在彈簧的旋繞比C=4～8范圍內(nèi)初選，并由下式可得彈簧材料直徑d2為：
式中：K——曲度系數(shù)。
根據(jù)計(jì)算值查得d2的系列值，再由彈簧中徑D2=cd確定下D2。
彈簧的有效圈數(shù)可由下式計(jì)算：
式中：G2——彈簧材料的切變模量，109Pa；
f2：——彈簧變形量，10-3m；
k——彈簧剛度，103N/m；
kd——彈簧單圈剛度，103N/m。
由于C的不確定，可以根據(jù)不同的C值進(jìn)行多組計(jì)算，比較計(jì)算結(jié)果，選取最佳方案，以便優(yōu)化彈簧的受力。
4.3 主閥關(guān)閉時(shí)設(shè)計(jì)計(jì)算
主閥的關(guān)閥時(shí)間是反映整臺(tái)疏水閥性能的重要指標(biāo)之一，它與整臺(tái)疏水閥的設(shè)計(jì)排量、漏汽率有著直接的關(guān)系。超大排量雙金屬可調(diào)先導(dǎo)式疏水閥主閥的關(guān)閥時(shí)間的長(zhǎng)短與活塞上腔的體積、介質(zhì)壓力以及活塞小孔的大小有關(guān)，根據(jù)流體力學(xué)上的原理計(jì)算如下：
由伯努利方程可得：
將式(16)代入式(17)可得：
式中：V——活塞上腔體積，m3；
ν1——活塞小孔處液體流速，m/s；
d3——活塞小孔直徑，m；
ρ——液體密度，Kg/m3；
t——關(guān)閥時(shí)間，s。
由式(18)即可確定主閥的關(guān)閥時(shí)間，結(jié)合水擊原理，該時(shí)間應(yīng)在滿足t》2L/Vs的同時(shí)，還要保證整臺(tái)疏水閥的漏氣率滿足要求。
5．結(jié)語(yǔ)
雙金屬可調(diào)先導(dǎo)超大排量蒸汽疏水閥是一類用于特殊場(chǎng)合的高參數(shù)蒸汽疏水閥，它采用的是熱靜力導(dǎo)閥+活塞主閥的設(shè)計(jì)，可用于有過(guò)冷度和過(guò)熱蒸汽的場(chǎng)合，該產(chǎn)品的開發(fā)可為相關(guān)應(yīng)用行業(yè)提高能源利用率、節(jié)約能源開支提供了保障。
目前國(guó)內(nèi)主要存在問(wèn)題在于：高溫工況下國(guó)產(chǎn)雙金屬材料、彈簧材料性能的穩(wěn)定性差，不能滿足高于250℃的使用要求，與德、美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家有很大距離。這就要求我們聯(lián)合材料研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)，研發(fā)新材料，滿足需求。
綜合上述，該設(shè)計(jì)具有超大排量，可滿足工業(yè)需求，節(jié)約能源。其研發(fā)思路還可為疏水閥、減壓閥等自力式控制類閥門新產(chǎn)品的研發(fā)提供了一定參考。
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