胡佰龙苏镜元 魏 强 王永亮 田春雨

(中国航天空气动力技术研究院)

蒸汽蓄热器配套调节阀的选型与验证

胡佰龙*苏镜元 魏 强 王永亮 田春雨

(中国航天空气动力技术研究院)

根据蒸汽喷射试验系统的工作原理，从流量系数判定、阀型选择和阀体材料选择3方面研究了调节阀的选型方案，并从流量和噪声两方面对调节阀进行了验证，结果表明：基于所提方案选择的蒸汽蓄热器配套调节阀能够满足蒸汽喷射试验系统的工作要求。

蒸汽蓄热器 蒸汽喷射试验系统 调节阀 选型 验证

蒸汽喷射试验系统由蒸汽发生器、蒸汽蓄热器、控制阀和管道组成，在航空航天领域产品试验中占据着举足轻重的地位。蒸汽喷射试验系统需要稳定大流量饱和蒸汽，然而蒸汽发生器产生的蒸汽是脉动的，而且流量并不足以完成喷射试验[1～4]。因此，需要在试验工位与蒸汽发生器之间配置蒸汽蓄热器。蒸汽蓄热器是一种高效的节能设备，会储存一定量的饱和水，当蒸汽发生器产生的高温高压蒸汽通入蓄热器内的饱和水中，并与腔内水充分混合后，蓄热器腔内水的压力和温度逐渐升高，最终形成具有一定压力的饱和水与饱和蒸汽[3～8]。蒸汽蓄热器腔内压力和阀门后端温度由调节阀控制，饱和蒸汽温度、压力一一对应[1～3]。调节阀虽然在闪蒸过程中具有重要作用，但它会产生噪声、振动及冲刷等不利因素，对阀体和后端管道产生严重破坏。因此，选择一台与蒸汽蓄热器匹配的调节阀对于蒸汽喷射试验系统至关重要。笔者从流量系数判定、阀型选择和阀体材料选择3方面研究了蒸汽蓄热器配套调节阀的选型方案，并对该方案下选择的调节阀进行了验证，以保障蒸汽蓄热器的安全稳定运行。

1 系统描述

蒸汽喷射试验系统原理如图1所示，试验产品压力0～12MPa，流量15t/h。

图1 蒸汽喷射试验系统原理

根据蒸汽喷射试验系统的要求，选定的满足工艺需求的调节阀技术参数为：

流量 15t/h

介质 饱和蒸汽

阀前压力 12MPa

阀后压力 0～12MPa

后端压力根据不同型号产品的要求，通过调节阀实现降压稳流。

2 调节阀选型

2.1流量系数判定

饱和蒸汽的绝热指数γ=1.135，则饱和蒸汽临界压力比βc为：

(1)

阀前压力p1=12MPa，根据临界压力比βc得到阀后压力p2在(0～0.58p1)～(0.58p1～p1)范围内，则流量系数CV为[7,8]：

(2)

(3)

式中Gs——质量流量，kg/h；

Δp——阀前阀后压差，MPa。

依据式(2)、(3)得到阀后压力p2与流量系数CV的关系曲线如图2所示。流量系数以临界压力比0.58为分割点，当阀后压力p2≤0.58p1时，阀门流量系数CV与流量和阀前压力有关(式(2))；当阀后压力p2>0.58p1时，阀门流量系数CV与流量、阀前压力和阀后压力有关(式(3))。一般情况下阀前压力和流量是确定的，阀门流量系数随着p2的减小(p1→0.58p1)而逐渐增加，直到p2=0.58p1，阀门流量系数不变，形成阻塞流。

图2 阀后压力p2与流量系数CV的关系曲线

2.2阀型选择

由于蒸汽喷射试验系统需要快速调节，因此选择调节反馈时间短的气动驱动式调节阀作为系统调节阀，其参数如下：

介质 饱和蒸汽

温度 325℃

压力 前端12MPa，后端0～10MPa

接管规格DN65mm

连接形式 法兰

材料 主体高温合金，阀芯硬化合金

驱动型式 气动

控制气压力 0.8MPa

规格型号 501G 50A×40A

流量系数CV25

根据试验需求，笔者最终选用直通单座型等百分比式调节阀作为蒸汽喷射试验系统调压核心控制元件。直通单座型调节阀蒸汽出口流动方向与入口流动方向一致，流阻较小，在相同通径规格时具有较大的CV值。等百分比式调节阀能够更好地保证对试验系统压力的控制，便于试验操作，最佳开度范围为30%～90%，其流量特性曲线如图3所示。

2.3阀体材料选择

12MPa下饱和蒸汽温度为325℃，为此选择调节阀阀体材料为高温合金，根据其温压曲线，阀门出入口压力选择磅级为Class 1 500lb。

阀体材料越硬，抗冲蚀能力越强。然而并不存在长时间抵抗严重蒸汽冲刷而不受损伤的材料。为此，考虑到阀芯、阀座更换的问题，从抗高压蒸汽冲蚀的角度出发，选用硬化工具钢和钴钨合金钢作为制造阀芯、阀座的材料，特殊表面进行硬化处理[6,7,9]。按不同的使用条件，硬化表面可局限于阀芯与阀座的密封线处，也可以在整个表面进行硬化处理。

3 调节阀验证

3.1流量验证

调节阀选型后，需要对调节阀流量与试验系统的流量要求进行验证。调节阀阀前压力p1=12MPa，若p2/p1≥0.58，则阀门额定质量流量Ge(单位kg/h)为[10,11]：

(4)

式中KV——阀门额定质量流量Ge系数。

若p2/p1<0.58，则阀门额定质量流量Ge为[10,11]：

Ge=12KVp1

(5)

根据式(4)、(5)绘制阀后压力与流量的关系曲线如图4所示，计算可知，调节阀最大流量为31t/h。

图4 阀后压力与流量的关系曲线

蒸汽喷射试验系统需要的最大流量为15t/h，由图5可知，阀门开度为82%时流量为15t/h，因此阀门开度在20%～90%之间均可满足调节阀的选型要求。

3.2噪声验证

噪声是调节阀选型时需要考虑的一个重要因素。噪声不仅会增加阀门声音等级，而且会产生振动。过大的噪声会损坏阀门内部组件，而且对阀门下游管道和设备产生巨大冲刷，严重影响试验系统性能。因此，降噪是调节阀设计和选型过程中必须考虑的因素，需要使用特殊设计的降噪结构来降低噪声。一般情况下设计人员通常选择规格大一个级别的调节阀，以此来降低噪声[12]。

图5 阀门开度与流量的关系曲线

通过计算阀门的出口流速可以估算噪声是否会产生破坏，当工作压力为12MPa时，饱和蒸汽的声速C和其实际最大流速v分别为：

(6)

=823.60m/s

(7)

式中A——调节阀喉部面积，A=0.00049m2；

R——0.461 5蒸汽的气体常数，kJ/kg；

T——12MPa下饱和蒸汽的绝对温度，K；

v″——12MPa下饱和蒸汽的比体积，m3/kg。

由于调节阀出口蒸汽处于饱和状态，因此可用0.5Mac(在12MPa饱和蒸汽中声音的传播速度为823.60m/s，所以本例中1Mac=823.60m/s)作为标准来确定调节阀噪声是否过大。如果饱和蒸汽在调节阀出口的流速大于0.5Mac，一般认为此时产生的噪声将无法接受，需要采取降噪措施。式(7)的计算结果表明，本调节阀的饱和蒸汽流速为153.06m/s，没有超过0.5Mac的限定值，因此该调节阀满足试验系统工作要求。

4 结束语

蒸汽蓄热器配套调节阀是蒸汽蓄热器能否安全可靠运行的重要保障，因此调节阀选型显得十分重要。笔者基于蒸汽喷射试验系统的工作原理，分别从调节阀流量系数、阀型选择和阀体材料选择3方面对调节阀的选型进行了研究。在确定调节阀型式后，又从调节阀流量和噪声两方面对调节阀进行了适用性验证。验证结果表明，笔者选择的蒸汽蓄热器配套调节阀能够满足蒸汽喷射试验系统的要求。同时，该调节阀选型与验证方法对今后蒸汽蓄热器配套调节阀的选型工作具有一定的指导意义。

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SelectionandVerificationofControlValvesforSteamAccumulator

HU Bai-long, SU Jing-yuan, WEI Qiang, WANG Yong-liang, TIAN Chun-yu

(ChinaAcademyofAerospaceAerodynamics,Beijing100074,China)

Basing on the working principle of steam accumulators and through having the flow coefficient, valve selection and valve body’s materials considered, the type-selecting scheme for the valves was discussed and verified from both flow and noise. The results show that, the valve selected upon the selection scheme can satisfy the requirements of the steam jet testing.

steam accumulator,steam jet testing system，control valve, selection, verification

*胡佰龙，男，1985年2月生，工程师。北京市，100074。

TQ051.5

A

0254-6094(2016)05-0585-04

2015-09-08，

2016-09-01)

(Continued from Page 584)

AbstractThrough taking air and water as the working medium, the experimental research on gas-liquid flow characteristics in the spiral channel with horizontal rectangular section was implemented. Through having previous calculation methods of section void fraction considered, a new method applicable to calculating the gas-liquid flow’s section void fraction within the spiral channel with horizontal rectangular section was proposed. Having it compared with drift flow model shows that, the calculation results of these two methods are similar in the tendency. This indicates that making use of the oblique cross method to calculate section void fraction of gas-liquid flow in the spiral channel with horizontal rectangular section is feasible; and having Zuber-Findlay model compared with the Ishii model shows that the Ishii model has higher accuracy in predicting the void fraction there.

Keywordsspiral channel with horizontal rectangular section, gas-liquid flow, section void fraction, drift flow model