一、綜述
在火電廠，作功的過(guò)程是依靠水的循環(huán)（即水由給水泵加壓送到鍋爐，在鍋爐內(nèi)受熱產(chǎn)生蒸汽，蒸汽在氣輪機(jī)內(nèi)膨脹作功后經(jīng)冷凝器冷凝為水，并如此循環(huán)往復(fù)。）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在整個(gè)循環(huán)過(guò)程中，給水泵的安全運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)這個(gè)循環(huán)的關(guān)鍵。
給水泵的出水量是隨鍋爐負(fù)荷而變化的。在啟動(dòng)時(shí)或在負(fù)荷很低時(shí)，給水泵很可能在給水量很小或給水量為零的情況下運(yùn)行，水在泵體內(nèi)長(zhǎng)期受葉輪的摩擦發(fā)熱，而使水溫升高，水溫升高到一定程度后，會(huì)發(fā)生汽化，形成汽蝕。造成給水泵的損壞。為防止上述現(xiàn)象的發(fā)生，在給水泵出口至除氧器（或冷凝器）水箱之間安裝再循環(huán)系統(tǒng)，在給水泵剛啟動(dòng)或在給水量小到一定程度時(shí)，可打開再循環(huán)系統(tǒng)。將一部分水返回除氧器水箱，以保證有一定的水量（一般約為額定流量的30%）通過(guò)水泵，而不致使泵內(nèi)水溫升高而汽化。而當(dāng)給水量處于正常條件下時(shí)，再循環(huán)系統(tǒng)關(guān)閉。
再循環(huán)系統(tǒng)由最小流量閥、止回閥、流量測(cè)量系統(tǒng)組成。
系統(tǒng)中流量測(cè)量系統(tǒng)確定何時(shí)開啟或關(guān)閉再循環(huán)系統(tǒng)；
止回閥的目的是只允許水泵往外送水，而不允許水反向流回水泵。防止水泵突然停 止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，高壓水反向流回水泵造成水泵倒轉(zhuǎn)；
最小流量閥保證在再循環(huán)系統(tǒng)處于開啟狀態(tài)時(shí)高壓水經(jīng)過(guò)減壓使閥出口壓力與除氧器（或冷凝器）水箱壓力接近而不致造成除氧器（或冷凝器）水箱壓力震蕩和發(fā)生汽蝕。在再循環(huán)系統(tǒng)中很明顯最主要的、工作條件最惡劣的無(wú)疑是最小流量閥。
二、最小流量閥的運(yùn)行工況及其對(duì)最小流量閥可能產(chǎn)生的破壞
最小流量閥是火電廠中運(yùn)行工況最為惡劣的幾種調(diào)節(jié)閥之一。因其安裝位置處于給水泵出口與除氧器水箱（或冷凝器）之間，兩者間巨大的壓差由該閥門承受。無(wú)論在開啟或關(guān)閉狀態(tài)下，再循環(huán)系統(tǒng)最小流量閥始終是在高壓差下工作。在最小流量閥處于開啟狀態(tài)時(shí)，將高壓水通過(guò)逐級(jí)減壓后排至除氧器水箱（或冷凝器），并且在減壓過(guò)程中不能發(fā)生氣蝕；而當(dāng)其處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，應(yīng)能承受高達(dá)350bar甚至更高的靜壓差，并做到關(guān)閉緊密。眾所周知，液態(tài)介質(zhì)在高壓差下會(huì)產(chǎn)生空化。有研究表明，空化產(chǎn)生于液態(tài)區(qū)的氣泡，生成氣泡的必要條件是液態(tài)介質(zhì)所處的絕對(duì)壓力低于該液體的飽和蒸汽壓力。當(dāng)高壓液體流經(jīng)節(jié)流元件，靜壓能與動(dòng)壓能相互轉(zhuǎn)換，流速增加導(dǎo)致壓力降低，其壓力降低至低于該流體在入口溫度下的飽和蒸汽壓力時(shí)，液體中形成氣泡發(fā)生空化現(xiàn)象。流過(guò)節(jié)流面之后，在相對(duì)寬敞的下游流道中流速下降，壓力回升，當(dāng)壓力高于該流體在入口溫度下的飽和蒸汽壓力時(shí)，汽泡潰裂釋放出巨大的能量，對(duì)閥座、閥芯等節(jié)流元件產(chǎn)生破壞，即汽蝕。據(jù)測(cè)算，氣泡破裂時(shí)的瞬時(shí)壓力高達(dá)3000bar，現(xiàn)有的工程材料均難以抵抗其破壞力。而當(dāng)流體流過(guò)節(jié)流面之后，在相對(duì)寬敞的下游流道中流速下降，壓力回升不高于該流體在入口溫度下的飽和蒸汽壓力時(shí)，在節(jié)流降壓過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡不會(huì)破裂，而是夾在液體中成為“二相”流，通常稱此為“閃蒸”�！伴W蒸”一般不會(huì)對(duì)節(jié)流元件產(chǎn)生破壞，但會(huì)產(chǎn)生阻塞流。使調(diào)節(jié)閥流量減小，與此同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲和震動(dòng)。在電廠中除氧器（冷凝器）水箱的壓力高于或等于該溫度下的飽和蒸汽壓力，所以“閃蒸”現(xiàn)象在此不會(huì)發(fā)生。
汽蝕與壓差直接相關(guān)。因此，如果將高壓液體經(jīng)過(guò)節(jié)流元件的壓力始終控制在高于該流體在入口溫度下的飽和蒸汽壓力時(shí)，就不產(chǎn)生“空化”，當(dāng)然也就不會(huì)發(fā)生“汽蝕”。這既是現(xiàn)今各種多級(jí)降壓防汽蝕高壓差調(diào)節(jié)閥的理論基礎(chǔ)。
三、HORA公司提出的解決方案
HORA公司成立于1967年，經(jīng)過(guò)30余年的發(fā)展已經(jīng)成長(zhǎng)為一家具有獨(dú)立研發(fā)能力、擁有15項(xiàng)國(guó)際專利的能夠生產(chǎn)全系列電廠調(diào)節(jié)閥并享譽(yù)歐洲的電站供應(yīng)商。
調(diào)節(jié)閥是生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)中的一種執(zhí)行器。電廠所用的汽、水調(diào)節(jié)閥常常在高溫、高壓狀態(tài)下運(yùn)行，工作環(huán)境是相當(dāng)嚴(yán)酷的。為此，設(shè)計(jì)師在滿足控制性能要求的前提下，還應(yīng)滿足以下的要求：
調(diào)節(jié)性能良好
長(zhǎng)使用壽命
維護(hù)方便
性能價(jià)格比高。
HORA綜合數(shù)十年的設(shè)計(jì)、使用經(jīng)驗(yàn)，提出下面的設(shè)計(jì)原則供公司的設(shè)計(jì)人員遵守，理想地解決了這些矛盾。
流速控制工質(zhì)在閥內(nèi)的流速，是影響閥門使用壽命的重要因素。同時(shí)也影響到閥門的流量特性和控制。
HORA 控制閥內(nèi)工質(zhì)流速為：2~8米/秒；推薦流速為：2~5米/秒。并根據(jù)流速確定閥門的通徑。工質(zhì)流速低，可最大程度地減小工質(zhì)對(duì)節(jié)流元件的沖刷，延長(zhǎng)閥門的使用壽命。而且使得閥門理想流量特性曲線盡量接近實(shí)際的工作流量特性曲線，提供良好的調(diào)節(jié)性能。
材料選擇眾所周知，閥門材料是決定閥門壽命與成本的主要因素之一。
HORA 根據(jù)給出的工況，在閥門的不同部位采用不同的材料，并對(duì)關(guān)鍵的部位進(jìn)行硬化處理，有效地延長(zhǎng)關(guān)鍵節(jié)流元件的壽命。成功地解決了閥門壽命與成本的矛盾。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制、保證閥門安全、正常運(yùn)行、提高閥門使用壽命和性能價(jià)格比最根本的工作。HORA 可根據(jù)不同的控制要求和工況條件采用籠式、針式、曲線等閥芯結(jié)構(gòu)形式，提供快開結(jié)構(gòu)、直線結(jié)構(gòu)、拋物線結(jié)構(gòu)、等百分比流量特性的各種調(diào)節(jié)閥。并在閥體內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，運(yùn)用了如下方案以解決閥門使用中的各種問題。
環(huán) 流 板： 防止工質(zhì)對(duì)節(jié)流元件的沖刷，調(diào)節(jié)性能良好。
● 平衡閥室： 避免小流量高壓差時(shí)閥門開啟困難。開啟靈活，調(diào)節(jié)性能良好。
● 多級(jí)減壓： 防止氣蝕發(fā)生。提高閥門壽命。
● 閥門予起： 密封面不參與節(jié)流，防止高流速對(duì)密封面的沖蝕。
● 在線維護(hù)： HORA 生產(chǎn)的所有閥門須進(jìn)行維護(hù)、維修時(shí)，均不必自管道上拆下即可將閥門解體進(jìn)行維護(hù)工作。
HORA公司根據(jù)上述防汽蝕理論、遵循公司的設(shè)計(jì)原則并結(jié)合幾十年閥門生產(chǎn)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于泵再循環(huán)系統(tǒng)提出三種最小流量閥的方案，并且在九十年代初創(chuàng)造性的推出了自力式泵自動(dòng)循環(huán)保護(hù)系統(tǒng)，用以替代傳統(tǒng)的再循環(huán)系統(tǒng)。
Conventional System----傳統(tǒng)型的最小流量再循環(huán)系統(tǒng)
Automatic recirculation valve泵自動(dòng)再循環(huán)系統(tǒng)
Conventional System----傳統(tǒng)型的最小流量再循環(huán)系統(tǒng)
Automatic recirculation valve泵自動(dòng)再循環(huán)系統(tǒng)
1、開關(guān)型多級(jí)減壓最小流量閥
用于非流量調(diào)節(jié)型再循環(huán)系統(tǒng)。特點(diǎn)：在再循環(huán)系統(tǒng)中設(shè)定開、關(guān)閥值用以控制最小流量閥的開啟、關(guān)閉，將再循環(huán)系統(tǒng)的流量認(rèn)定為常值。
圖 一
對(duì)于此種工況HORA公司采用軸向多級(jí)碟狀降噪孔板減壓最小流量閥（圖 1）在閥桿的軸向布置了多級(jí)減壓降噪碟狀孔板，首先將進(jìn)入閥門時(shí)具有極大動(dòng)壓能的的流體在進(jìn)入節(jié)流部件后分散成多股動(dòng)壓能較小的流線，使流體能量對(duì)節(jié)流元件的沖刷降低。其次由于采用多級(jí)減壓降噪板，通過(guò)計(jì)算相鄰兩極的孔徑錯(cuò)位重疊面積，使閥門承受的總壓差分布在各級(jí)節(jié)流元件（即減壓降噪孔板）上并控制每一級(jí)的壓降，使流體在每一級(jí)的降壓過(guò)程中其壓力都大于該流體在入口溫度下的飽和蒸汽壓力，達(dá)到防汽蝕的目的。
閥門的使用壽命主要表現(xiàn)為閥內(nèi)節(jié)流元件的使用壽命，考慮減輕液體對(duì)閥門的沖刷在此也應(yīng)表現(xiàn)為減輕對(duì)節(jié)流元件的沖刷。高壓液體在閥內(nèi)經(jīng)過(guò)多次的增速、降壓；減速、升壓的循環(huán)，最終達(dá)到所要求的出口壓力。在減壓過(guò)程中高壓液體的流速一直在進(jìn)行變化，而且在通過(guò)節(jié)流元件時(shí)的流速要高于液體在閥內(nèi)的正常流速。因此，HORA設(shè)計(jì)原則中對(duì)閥內(nèi)液體的流速控制在這種工況下的作用就更加重要�？梢杂行У販p輕對(duì)節(jié)流元件的沖刷，增大使用壽命。
由于對(duì)流速進(jìn)行控制以及采用了多級(jí)減壓降噪碟狀孔板，有效地降低高壓差所派生出的噪音和振動(dòng)。
另外，在閥芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了平衡閥室結(jié)構(gòu)，保證閥門在高壓差下開啟靈活。
特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠、可更換性強(qiáng)、實(shí)現(xiàn)在線維護(hù)、維護(hù)方便、具有較高的經(jīng)濟(jì)性。
2、調(diào)節(jié)型最小流量閥
前面我們說(shuō)過(guò)，給水泵的出水量是隨鍋爐負(fù)荷而變化的。為保證給水泵的安全運(yùn)行應(yīng)有一定的水量（一般約為額定流量的30%）通過(guò)水泵。開關(guān)型的再循環(huán)系統(tǒng)開關(guān)閥值一般設(shè)為額定流量的30%，其流量一般也設(shè)定為額定流量的30%，只要主給水流量低于額定流量的30%，再循環(huán)系統(tǒng)就將開啟。這樣，就可能會(huì)有大量的高壓水流回水箱，造成能源的浪費(fèi)，造成電廠的整體經(jīng)濟(jì)效益降低。
為解決能量損失，很多電廠采用流量調(diào)節(jié)型再循環(huán)系統(tǒng)。即將再循環(huán)系統(tǒng)的流量設(shè)定為額定流量的0~30%，可調(diào)。
針對(duì)流量調(diào)節(jié)型再循環(huán)系統(tǒng)HORA公司提出：閥桿式多級(jí)減壓最小流量閥；多級(jí)籠式套筒減壓最小流量閥兩種方案。
2-1 流量調(diào)節(jié)型閥桿式多級(jí)減壓最小流量閥
流量調(diào)節(jié)型再循環(huán)系統(tǒng)與開關(guān)型再循環(huán)系統(tǒng)相比較，區(qū)別在于調(diào)節(jié)型在滿足開關(guān)型再循環(huán)系統(tǒng)的所有要求的同時(shí)對(duì)流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。
HORA的流量調(diào)節(jié)型閥桿式多級(jí)減壓最小流量閥結(jié)構(gòu)（如圖2）：采用中心閥桿配合閥座在閥桿軸向形成多級(jí)節(jié)流面，實(shí)現(xiàn)多級(jí)減壓，防止汽蝕。通過(guò)計(jì)算節(jié)流面與閥桿開度的配合,可滿足等百分比、線性等流量曲線的要求。實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)。并在閥芯始、末端設(shè)置減壓降噪孔板，降低噪音和振動(dòng)。同時(shí)，防止系統(tǒng)內(nèi)夾帶的一些固體雜質(zhì)進(jìn)入閥芯，造成對(duì)節(jié)流面的損壞。
特點(diǎn)：整個(gè)減壓過(guò)程在閥芯與閥座內(nèi)完成對(duì)閥體沒有沖刷，閥內(nèi)流場(chǎng)平穩(wěn)順暢、安全可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可更換性強(qiáng)、實(shí)現(xiàn)在線維護(hù)、維護(hù)方便、具有較高的經(jīng)濟(jì)性。
2-2 調(diào)節(jié)型籠式多級(jí)減壓最小流量閥
（予啟式） （如圖3）：采用在閥桿徑向設(shè)置多級(jí)籠式套筒，孔徑錯(cuò)位重疊，承擔(dān)閥門承受的總壓降。最高可達(dá)9級(jí)籠式減壓構(gòu)成，可以承受500bar的壓差。
開啟階段：兩級(jí)主副密封結(jié)構(gòu)，在閥門開啟階段，閥芯套筒予開啟2-3mm，此時(shí)介質(zhì)沒有流動(dòng)，避免了主密封面在開啟或關(guān)閉階段高流速流體的沖蝕。閥芯在完成予開啟后主閥芯進(jìn)入開啟階段（內(nèi)置疊型彈簧聯(lián)動(dòng)作用），此時(shí)調(diào)節(jié)閥進(jìn)入正常的調(diào)節(jié)階段。關(guān)閉階段同開啟階段相反。進(jìn)入閥門時(shí)具有極大動(dòng)壓能的的流體在進(jìn)入節(jié)流部件后分散成多股動(dòng)壓能較小的流線，使流體能量對(duì)節(jié)流元件的沖刷降低。其次由于采用多級(jí)減壓，通過(guò)計(jì)算相鄰兩極的孔徑錯(cuò)位重疊面積，使閥門承受的總壓差分布在各級(jí)節(jié)流元件上并控制每一級(jí)的壓降，使流體在每一級(jí)的降壓過(guò)程中其壓力都大于該流體在入口溫度下的飽和蒸汽壓力，達(dá)到防汽蝕的目的�；\式閥芯的特點(diǎn)是流體在籠體四周均勻的流入或流出，流場(chǎng)相對(duì)閥桿的任何變化均沒有中斷和突變現(xiàn)象，具有光滑的流動(dòng)特性�？蓸O大地降低噪音和減輕振動(dòng)。同時(shí)，由于流體在流場(chǎng)內(nèi)是徑向均勻進(jìn)出，不會(huì)造成閥桿的應(yīng)力集中。閥芯始、末端設(shè)置籠式減壓降噪孔板，防止系統(tǒng)內(nèi)夾帶的一些固體雜質(zhì)進(jìn)入閥芯，造成對(duì)節(jié)流面的損壞。
配合閥桿的移動(dòng)計(jì)算孔徑錯(cuò)位重疊面積，可提供等百分比、線性等流量特性曲線的結(jié)構(gòu)。
特點(diǎn)：主副密封結(jié)構(gòu)，有效的保護(hù)主密封面不受高流速介質(zhì)的沖蝕。低噪音、整個(gè)減壓過(guò)程在閥芯與閥座內(nèi)完成對(duì)閥體沒有沖刷、閥內(nèi)流場(chǎng)平穩(wěn)順暢、閥桿受力合理不存在應(yīng)力集中、安全可靠、實(shí)現(xiàn)在線維護(hù)。
4、泵自動(dòng)循環(huán)保護(hù)閥
HORA PSG系列自動(dòng)循環(huán)泵保護(hù)閥是專為液體輸送系統(tǒng)中泵再循環(huán)系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的自力式自動(dòng)循環(huán)閥。以往的再循環(huán)系統(tǒng)由流量計(jì)、控制回路、最小流量調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)（或氣動(dòng)）執(zhí)行機(jī)構(gòu)、止回閥組成。應(yīng)具備如下功能：流量測(cè)量、逆止閥、減壓泄荷與流量調(diào)節(jié)。HORA PSG系列自動(dòng)循環(huán)泵保護(hù)閥以巧妙的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)將上述功能集成在一個(gè)閥門內(nèi)，替代了傳統(tǒng)的泵再循環(huán)系統(tǒng)，大大降低設(shè)備的投資。
工作原理：（如圖）
高壓液體經(jīng)過(guò)閥門入口進(jìn)入閥體，閥芯利用浮子流量計(jì)原理測(cè)量主流量的大小。閥芯根據(jù)主流量的大小變化發(fā)生左、右方向的位移并帶動(dòng)旁路閥桿同向移動(dòng)，開啟或關(guān)閉旁路。當(dāng)主流量小于設(shè)定值時(shí)，旁路處于開啟狀態(tài)。液體通過(guò)閥座上的開孔進(jìn)入閥桿與旁路閥座組成的具有減壓、流量調(diào)節(jié)旁路通道，經(jīng)過(guò)減壓后回到初始儲(chǔ)液箱（罐），完成旁路循環(huán)。當(dāng)通過(guò)閥門的主流量大于所設(shè)定的值時(shí)，由于閥芯閥芯具有右向位移，帶動(dòng)閥桿即旁路閥芯移動(dòng)關(guān)閉旁路。以上完成流量測(cè)量、減壓泄荷與流量調(diào)節(jié)功能。
當(dāng)泵關(guān)閉，閥門的出口處有高壓液體倒流回來(lái)時(shí)，閥芯與主通道閥座組成逆止閥，防止高壓液體倒流，完成逆止閥功能。為防止在高壓差下閥芯與閥座組成的逆止面發(fā)生強(qiáng)烈碰撞造成損壞，在閥芯與閥桿之間設(shè)計(jì)有空腔形成液體阻尼器，使閥芯的閉合平穩(wěn)緩慢。
旁路的減壓級(jí)數(shù)是根據(jù)用戶給定的工況確定的，可以是單級(jí)也可以是多級(jí)減壓。特殊的連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)克服了通常系統(tǒng)中在最小流量點(diǎn)附近運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的系統(tǒng)震蕩。最小流量的閥值的設(shè)定在出廠前已經(jīng)調(diào)校，如果用戶改變?cè)O(shè)定可以通過(guò)螺母調(diào)節(jié)。
● 旁路出口處可以附加逆止閥。
特點(diǎn)：
● 大大降低了設(shè)備的投資
● 無(wú)過(guò)熱與汽蝕發(fā)生
● 無(wú)須附加電源及控制型號(hào)
● 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化、安裝方便
● 節(jié)約能源
● 結(jié)構(gòu)緊湊自動(dòng)運(yùn)行、無(wú)須執(zhí)行機(jī)構(gòu)
● 維護(hù)方便、實(shí)現(xiàn)在線維護(hù)
● 失效保護(hù)開啟旁路
● 同樣適用于調(diào)速泵系統(tǒng)
5 背壓閥 （如圖）
為防止汽蝕或閃蒸對(duì)旁路以及儲(chǔ)液罐的損壞，我們建議在儲(chǔ)液罐的入口處加裝背壓閥，以確保旁路出口始終建立起背壓。
圖 五
四、結(jié)論：
上述可見，最小流量閥的運(yùn)行功能雖然簡(jiǎn)單，但它是各種調(diào)節(jié)閥中運(yùn)行工況最為嚴(yán)酷的、也是對(duì)其要求最為嚴(yán)格的調(diào)節(jié)閥之一。HORA針對(duì)可能遇到的各種不同工況提出了不同的解決方案，實(shí)現(xiàn)了：
1.針對(duì)不同工況提出不同的解決方案。
2.防止汽蝕對(duì)閥門的損壞。
3.對(duì)流速進(jìn)行控制，減輕對(duì)節(jié)流元件的沖刷，延長(zhǎng)閥門的使用壽命。
4.提出以一個(gè)閥門代替再循環(huán)系統(tǒng)的方案，大大降低成本。
