Клапаны впрыска: от примитивной функциональности до совершенства

Клапаны впрыска: от примитивной функциональности до совершенства



В современных котельных установках основным средством регулирования температуры перегретого пара является впрыск охлаждающей воды в опре-деленные точки парового тракта котла. Поддержание температуры пара в тракте котла в заданном диапазоне осуществляется изменением количества впрыскиваемой воды путем изменения положения регулирующего органа, установленного на трубопроводе регулирующего клапана.

На прямоточных котлах СКД в качестве охлаждающей воды используется питательная вода, отбираемая перед регулирующим клапаном котла. Давление воды в этом месте равно 30,0 - 32,0 МПа. Давление пара на выходе из котла – 25,0 МПа. Перепад давлений на регулирующих клапанах (далее – РК) зависит от места размещения пароохладителя в тракте котла. На практике он колеблется от 1,5 - 2,0 МПа – на первом впрыске до 5,5 - 6,0 МПа – на третьем.

Кроме того, на выходе из котла устанавливаются пусковые впрыски, которые должны работать в период растопки при давлении пара, равном 4,0 - 6,0 МПа. Поскольку при этом давление питательной воды - 30,0 МПа, на клапане впрыска должен срабатывать перепад давлений, равный 24 - 26 МПа. Во избежание этого в проектах предусматривается линия постоянного расхода, назначение которой – поддержание на РК пускового впрыска перепада давлений, равного 2,0 - 3,0 МПа, за счет сброса части питательной воды через шайбовый набор в деаэратор. Но при этом большой перепад давлений срабатывается на РК, установленном на линии сброса воды в деаэратор. Практика показала, что на многих ТЭС из-за неправильного расчета схемы постоянного расхода и отсутствия клапанов, рассчитанных для работы при больших перепадах давлений, схемы постоянного расхода не работают. В связи с этим для регулирования температуры в растопочных режимах используются основные клапаны впрыска. При этом перепады давлений на клапанах доходят до 12,0 - 15,0 МПа. Работа на таких перепадах приводит к вибрациям штоков и, как следствие, к нарушению герметичности сальнико-вых уплотнений, а в отдельных случаях – к поломке иглы.



На большинстве барабанных котлов для охлаждения пара используется собственный конденсат, получаемый путем охлаждения пара, отбираемого из барабана в пароводяном теплообменнике направляемой в барабан питательной водой. Условия работы регулирующих клапанов на линиях впрыска этих котлов существенно отличаются от условий работы клапанов впрыска на прямоточных котлах. Если на прямоточных котлах проблема состоит в обеспечении надежной работы клапанов при больших перепадах давлений, то на барабанных котлах при использовании для охлаждения пара собственного конденсата стоит задача обеспечения пропуска через клапан требуемого для регулирования температуры расхода воды из-за работы его в условиях небольших перепадов давлений (до 1,5 МПа). При этом на первом впрыске располагаемый перепад давлений составляет 0,5 - 0,6 МПа.

С учетом сопротивления впрыскивающего устройства пароохладителя пере-пад давлений на регулирующем клапане не превышает 0,25 МПа. Т. к. удельный объем конденсата существенно выше удельного объема питательной воды, то значительно больше и проходное сечение, требуемое для его пропуска. В связи с этим возникает проблема размещения в корпусе проходных сечений, обеспечивающих требуемую пропускную способность. Поэтому при проектировании котлов надо так выбирать диаметр и трассировку трубопроводов впрыска, чтобы сопротивление участка от места отбора воды до пароохладителя было минимальным. Соблюдение этого требования упрощает профилирование клапанов.

При внедрении в энергетику первых энергоблоков 150, 200 и 300 МВт в качестве РК впрыска применялись клапаны чеховского завода «Энергомаш» (ЧЗЭМ) шиберной конструкции DN 20, 50, и 65 мм серий 810 и 814. Особенность клапанов – перемещение профилированного отверстия в шибере относительно круглого отверстия в седле (см. рисунок 1 – а, б, в). В течение многих лет клапаны эксплуатировались на котлах ТЭС. Недостаток этих клапанов – износ выходного патрубка за седлом под воздействием струи, вырывающейся под углом из отверстия в седле. Этот недостаток устраняли установкой в камере за седлом рубашки из аустенитной стали и заменой одного профилированного отверстия в шибере набором отверстий диаметром 3–5 мм (см. рисунок 1г). При таком решении каждая струя обладает меньшей энергией и струи перемещаются параллельно оси патрубка, не оказывая ударного воздействия на его стенки. Другой недостаток шиберных клапанов – необходимость управления клапаном с помощью выносных МЭО через систему тяг и рычагов. Такое решение требует много места для размещения клапанов. Кроме того, в процессе эксплуатации наблюдается износ шарнирных соединений, объединяющих тяги и рычаги, приводящий к появлению люфтов в системе управления. Однако на некоторых ТЭС клапаны такого типа и сейчас находятся в эксплуатации.

В конце 70-х гг. поставщик клапанов впрыска – ЧЗЭМ – снял шиберные клапаны с производства и перешел на выпуск клапанов игольчатой конструкции. Первые игольчатые клапаны имели съемные седла и на игле по высоте кольцевые канавки. Причем первая сверху канавка была выполнена в месте перехода от иглы к коническому уплотнительному пояску. С начала эксплуатации выявилось, что клапаны быстро теряют герметичность, наблюдаются обламывания игл по верхней канавке, играющей роль концентратора напряжений. Вследствие этого завод перешел на выпуск клапанов серий 868 и 870, управляемых встроенными приводами производства ЧЗЭМ. Клапаны имели регулирующий орган, выполненный в виде иглы, изготовленной как одно целое со штоком.

При таком решении вследствие большой длины штока трудно обеспечить соосность выходного вала привода и отверстия в седле: при закрытии клапана это приводит часто к одностороннему прижатию иглы в седле и, как следствие, к недозакрытию клапана и износу иглы. Кроме того, почти полуметровый шток с иглой на конце, закрепленный только вверху в бронзовой втулке, пройдя через достаточно свободные грундбуксу и кольцо сальника, под воздействием потока начинал вибрировать, разбивая отверстие в седле, грундбуксе и кольце сальника, издавая при этом шум интенсивностью 100–110 дБА. Это наблюдалось на пуске блока № 1 Южной ТЭЦ «Ленэнерго» в 1979–1980 гг. Кроме того, проточная часть клапана с гладкой иглой имела коэффициент расхода, близкий к единице. Большие скорости среды в зоне дросселирования вызывали интенсивный износ иглы и, следовательно, отклонение от оптимальной расходной характеристики клапана.



В середине 80-х гг. завод заменил игольчатые клапаны на плунжерные (серий 1098 и 1092), в которых регулирующий орган представляет собой цилиндр, на боковой поверхности которого выполнены профилированные выборки для пропуска среды (см. рисунок 2б). В качестве привода клапана применен МЭП. Проведенная реконструкция повысила надежность работы клапана при перепаде давления 2–2,5 МПа. При более высоких его перепадах вследствие неизбежного зазора между отверстием в седле и плунжером также наблюдалась вибрация регулирующего органа.

Таким образом, применение игольчатых и плунжерных клапанов не решает задачу качественного регулирования температуры острого и вторичного пара как на прямоточных, так и на барабанных котлах.

Обычным способом повышения надежности регулирования при высоких перепадах давлений является использование многоступенчатых клапанов. Примером использования в клапане двух ступеней дросселирования является клапан «ОРГРЭС» (см. рисунок 3), разработанный на базе установленных на котлах ТЭЦ-26 «Мосэнерго» клапанов ЧЗЭМ серии 870-50-Э.



Для срабатывания при больших перепадах давления специалистами ЧЗЭМ был разработан каскадный клапан.

Пример применения трех ступеней – каскадный клапан ЧЗЭМ серии 879, в котором ступени дросселирования образованы тремя рядами наклонных ка-навок на поверхности штока (см. рисунок 4).



Опыт эксплуатации показал, что на отечественных ТЭС проблема регулиро-вания температуры перегретого пара котлов может быть решена, как и в ре-гулирующих питательных клапанах (далее – РПК), применением для этой цели поворотно-дисковых клапанов. Некоторые фирмы, в том числе «НПО Флейм», разработали поворотно-дисковые клапаны с использованием корпусов и бугелей запорных клапанов (вентилей) DN 50 и 65 мм ЧЗЭМ (см. рисунок 5). В настоящее время большинство находящихся в эксплуатации котлов оснащено клапанами впрыска, имеющими угловую форму. Под эти клапаны спроектировано большинство трубопроводов впрысков котлов, кроме тех, где в проект были заложены впрыски шиберного типа. В этом случае применение клапанов впрыска в корпусах запорных клапанов является единственным возможным вариантом.



Итак, пришла пора обратить серьезное внимание на клапаны поворотно-дискового типа. И группа энергетической арматуры «ОРГРЭС» (в то время – «Союзтехэнерго»), располагая значительным объемом информации о проблемах с регулированием температуры в тракте котла на электростанциях, поставила перед собой задачу разработать конструкцию клапана впрыска, отвечающую следующим требованиям.

Так появился первый поворотно-дисковый клапан впрыска черт. «ОРГРЭС» 13798.50 (см. рисунок 4). Конструкция разрабатывалась исходя из возможности использования на электростанциях корпусов серийно выпускавшихся ЧЗЭМ клапанов серии 870-50-Э. В те далекие времена на электростанциях были ремонтные подразделения, способные реализовать проект арматурной группы «ОРГРЭС». И на разных электростанциях несколько экземпляров клапана 13798.50 работают до сих пор. Учитывая, что у «ОРГРЭС» отсутствовала собственная производственная база, способная выпускать клапаны, дальше отдельных экземпляров дело не пошло. Чеховскому «Энергомашу» оргрэсовская разработка была не нужна: заводу-монополисту выгоднее было выпускать серийные клапаны серии 870 не только на вновь вводимые энергообъекты, но и для замены уже установленных на станции клапанов. И так продолжалось несколько лет. Но тут страна бросилась в объятия капитализ-ма, и у завода-монополиста ЧЗЭМ появились маленькие конкурентики. Сре-ди них было ЗАО «НПО Флейм».

Так сложилось, что традиционно взаимодействие технических специалистов «ОРГРЭС» и «НПО Флейм» было достаточно интенсивным. Теперь же можно было с учетом производственных мощностей «НПО Флейм» реализовать хотя бы часть разработок «ОРГРЭС». Началась совместная работа по совершенствованию клапана впрыска.

Сначала в «НПО Флейм» отказались от приварки входного углового патрубка: трудоемко, непровары корня шва (см. рисунок 5). Заменили на поковку, одновременно конструкцию корпуса подработали таким образом, что одна поковка обеспечивала весь диапазон условных проходов DN от 20 до 80 мм (см. рисунок 6). Входной патрубок сразу обрабатывается под DN по техзаданию, приварка и контроль выходного патрубка уже не вызывают трудностей.



Следующий этап – оригинальное конструктивное решение ограничения по-ворота золотника в дроссельной втулке.

Далее последовательно:

- установлен упорный подшипник для восприятия выталкивающего усилия, действующего на шток, вместо подшипника скольжения, хотя несколько экземпляров таких клапанов работают с 2003 г.;
- опробовано несколько вариантов фиксации съемного седла. Самый технологически менее затратный – шпонкой через сверление в корпусе – в качестве серийного был отвергнут скорее из эстетических соображе-ний.

Конструкция с креплением плоского седла на двух штифтах внутри корпуса шла в производство не более полугода. Решение было признано не технологичным. Станциям, получившим клапаны с таким креплением седла, заранее был направлен «ремонтный» вариант крепления седла, тот самый, первоначально отвергнутый – через шпонку в отверстии корпуса (см. рисунок 7). Так плоское седло было окончательно отвергнуто.



Следующий этап – седло с хвостовиком в выходном патрубке, надетое на штифт – менее технологично, но надежно (см. рисунок . Прочно зафик-сировали седло – при гидроиспытаниях на стенде появился пропуск в закрытом положении через зазоры в сверлении втулки под штифт. Установить причину было сложнее, чем ее устранить: с одной стороны, сверление под штифт делается глухое, с другой – штифт обваривается. Вот в таком виде клапан серии РК 102 выпускается уже несколько лет, полностью соответствуя тем требованиям, которые ставили в свое время специалисты «ОРГРЭС» и ЗАО «НПО Флейм». Имеется модификация клапана с коэффициентом Кv = 27,6, которая обеспечивает расход среды около 40 т/ч при перепаде, немного превышающем 1 кгс/см2, что весьма актуально при впрыске собственного конденсата.

В течение многих лет ЗАО «НПО Флейм» ведет поиск решения по сокращению момента трения в сальниковом узле клапана с целью использования электропривода с меньшим моментом. И в конце 2013 г. получен обнадеживающий результат: клапан с электроприводом МЭОФ 40 вместо серийного электропривода МЭОФ 250 на стендовых испытаниях без перегрузки преодолевает напор насоса более 30 МПа.

Принято решение: два клапана с электроприводами МЭОФ 40 будут постав-лены на опытную эксплуатацию в реальных условиях на 6 месяцев. О пре-имуществах такого варианта клапана можно долго не распространяться, но достаточно сказать: установленная мощность привода МЭОФ 40 в два раза меньше, чем у МЭОФ 250.


Размещено в номере: «Вестник арматуростроителя», № 3 (45) 2018