凝水壓力控制閥的設計與數值研究
在船用凝汽式汽輪機凝水系統的設計與調試中,為防止凝水泵出現汽蝕,通常需要對凝水系統壓力進行調整。為實現凝水系統壓力的在線便捷調節,穩定凝水泵出口揚程及流量,設計了凝水壓力控制閥。該閥采用二級節流的結構形式,可通過調整閥開度改變節流效果。通過公式計算得到了不同開度下凝水壓力控制閥的調節性能,根據計算結果,控制閥滿足設計要求。采用CFD流體計算軟件對凝水壓力控制閥進行三維數值模擬,驗證計算的準確性。
船用凝汽式汽輪機的凝水系統主要包括冷凝器、凝水泵、水位調節系統等設備。其中水位調節系統主要包括排水閥、回水閥、控制器等，用于調節冷凝器水位，以保證不同工況下冷凝器水箱水位維持恒定。
凝水系統如圖1所示。汽輪機排汽在冷凝器內部經冷卻后凝結為凝水并進入冷凝器水箱，水箱底部設有管路聯接至凝水泵，凝水經由凝水泵增壓后進入凝水管路。排水閥與回水閥由控制器邏輯控制，當水位過高時，排水閥開啟，回水閥關閉，將水箱內多余的凝水排出;當水位不變或過低時，排水閥關閉，回水閥開啟，凝水經由回水閥回到冷凝器中，使冷凝器水箱水位保持恒定。
圖1 凝水系統示意圖
在凝水系統中，由于凝水泵出口揚程較高，而冷凝器又處于真空環境，因此排水閥、回水閥設備前后的壓差較大。在調節過程中當閥門開度過大時，會使凝水泵的流量迅速增加、揚程大幅下降，當揚程低至一定程度時凝水泵會發生汽蝕現象，導致凝水無法排出，更加嚴重時會造成設備的損壞。因此在排水閥與回水閥入口或出口處通常需要加裝節流孔板，以增大管路阻力，避免上述現象的發生。
在凝水系統的調試過程中，工作人員往往采用固定式的節流孔板，即節流孔面積不可調，這就使得在調試中需要反復調整孔板大小，通過多次的試驗方可確定最終孔板的大小，而每次的調整過程都需要關閉凝水泵，在節流孔板更換后進行重新開機，如此一來既增加了人力的投入，又占用了大量寶貴的調試時間，不利于快速有效的處理問題。根據上述存在的問題，本文提出了一種全新的設計———凝水壓力控制閥，可通過手動在線調節，實現凝水管路阻力的連續變化，以快速尋找到最佳的節流效果。
1、凝水壓力控制閥的結構與計算
1.1、凝水壓力控制閥的設計要求
根據凝水泵性能參數，凝水管路總流量為10t/h，控制閥入口處凝水揚程為90m。根據系統設計要求與閥門的計算結果，控制閥應在流量基本維持不變的條件下使出口揚程達到50m左右，同時具備一定的揚程調節范圍。
1.2、凝水壓力控制閥的結構
根據以上設計要求，對凝水壓力控制閥進行了結構設計，如圖2所示�？刂崎y主要由殼體、閥套、滑閥等零件組成。凝水經由進口進入控制閥，通過兩級窗口的節流后，由出口流出。兩級節流窗口布置于閥套上，其中第二級窗口為可調節窗口，通過旋轉頂部的螺紋帶動滑閥上下移動，可改變其面積大小，從而實現對凝水壓力的調節，控制閥總開度為10mm。
圖2 凝水壓力控制閥結構設計圖
1.3、凝水壓力控制閥計算方法
凝水壓力控制閥的節流過程包括兩個部分，第一級由固定窗口完成，第二級由可調窗口完成。根據伯努利方程，對于第一級固定窗口的節流過程有：
式中：G1—流過固定窗口的凝水流量;P0—凝水入口壓力;P1—固定窗口后壓力;ρ—凝水密度;F1—固定窗口面積;Φ—流量系數。
同理，對于第二級可調窗口有：
式中：G2—流過可調窗口的凝水流量;P1—可調窗口前壓力，即固定窗口后壓力;P2—可調窗口后壓力;ρ—凝水密度;F2—可調窗口面積;Φ—流量系數。
對于整個控制閥，凝水在流經固定窗口與可調窗口時的流量保持相等，有流量守恒方程：
G1=G2 (3)
假設控制閥入口壓力不隨控制閥開度而發生改變，則P0=90m;根據調節窗口型線，可知不同開度下調節窗口的面積F2，帶入式(1)～式(3)則可求得不同調節窗口開度下凝水流量和出口揚程的變化關系。
1.4、凝水壓力控制閥計算結果
由于聯立方程本身并不封閉，因此需要再給出一定的邊界條件。為考核凝水壓力控制閥的調節性能，采用了兩種計算方法：
1、出口給定設計揚程，求得不同開度時的流量;
2、給定設計流量，求得不同開度時的出口揚程。
圖3所示為出口揚程為50m時，控制閥在不同開度下的流量。由圖3可以看出，隨著閥門開度的不斷增加，調節窗口面積持續增大，所通過流量也逐漸增大，最大流量約為12t/h。
圖3 不同開度下的流量(出口揚程為50m)
圖4所示為流量保持10t/h不變時，不同開度下控制閥出口揚程。在開度4mm以下，由于調節窗口面積過小，控制閥無法達到10t/h，當開度在5～10mm時，出口揚程迅速增大，在調節窗口全開時，出口揚程達到最大，約為64m。
圖4 不同開度下的出口揚程(流量為10t/h)
根據計算結果，在凝水流量為10t/h時，凝水壓力控制閥的調節范圍為0～64m;在控制閥開度為7mm時，其出口揚程為50m左右，達到了設計要求。
