第三节
减温减压装置关键技术研究方法

1　流动特性分析

减压阀阀内流动特性分析一直是研究热点，浙江大学特种控制阀研究团队对其进行了细致的研究。Jin等 提出了一种新型孔板减压阀，如图1-6所示。

该减压阀结构采用阀体和孔板结构改进方法，可以减少能量损失，提高蒸汽流动性能。Chen等 针对不同结构参数，包括阀门开度、孔板直径、套筒直径、孔板倒角半径、孔板压力比和开孔板级数对孔板减压阀可压缩湍流流动和能耗的影响进行了数值研究。侯聪伟等 考察了笼罩式阀芯和节流孔板的间距对节流特性的影响，指出随着节流孔板位置的下移，湍流耗散率不断增大，而随着流场最低温度的不断升高，笼罩式阀芯处的减压效果会逐渐下降。为了优化旁路系统减压阀阀体结构以提升其在高参数工况下的安全性能，Chen等 采用流固耦合的方法对某高压旁路系统减压阀的承压热冲击强度进行了分析，并进行了结构改进以提高高压减压阀的调节性能。

由此可见，目前国内减压阀的流动特性分析技术已经达到了较高的水平，并且能较好地运用到实际产品的设计与改进中。

2　双座式减压阀密封技术

双座式阀门结构存在一个重要缺陷：由于加工精度的问题，其难以同时保证阀芯和阀座间两个密封面紧密接触，因此极易发生泄漏。泄漏会破坏阀门内部的力平衡系统，降低阀体内启闭件的灵敏性，使减压阀动作缓慢迟钝。即使是微量的泄漏，也会影响阀的输出压力，从而造成阀的失效 。为此，李长松等 设计了一种笼式双座蒸汽减压阀，其阀座结构如图1-7所示。

该减压阀阀芯的上下两面都是锥形密封面，分别与上下阀座的锥形密封面紧密接触，上阀座与阀笼连接处安装了碟簧，使阀芯向下运动后阀芯与下阀座密封面紧密接触，上阀座与阀笼间的密封性能由其间的石墨环保证。此外，梅奎等 设计了一种阀瓣与阀杆之间的连接结构，以解决双阀座减压阀内阀瓣松动脱落的问题，大大减少了检修次数。

3　减温机构优化设计

由于减温机构内涉及多相流动，且流体流动速度快，湍流程度大，因此对减温机构进行优化设计十分困难。目前，针对减温机构的优化设计主要集中在喷嘴结构优化设计和新型减温结构设计等方面。目前国内应用于减温机构的可调雾化喷嘴主要是压力式雾化喷嘴，即通过控制供水压力和出水孔径来实现水的雾化，因此一般喷嘴设计的目的是基于高压雾化的原理，通过减小出水口径和增大出水压力来提高其减温水雾化能力 。而事实上，较小的出水口径和较高的出水压力不仅会极大地提高成本，还易引起喷嘴堵塞和对蒸汽水雾混合管道产生严重冲击，因此研究人员将目光投向了如何提高喷嘴调节性能上。王荣 利用离散相模型研究了喷嘴喷出的减温水水雾与蒸汽混合的情况，分析比较不同混合距离横截面上蒸汽的温度分布，得到了设计参数下喷水减温的最佳混合距离，并指出喷嘴喷射角度为钝角时减温效果要好于锐角。孙丽等 设计了一种集减温水压力、流量调节于一体，并可实现多级压力调节的伞状雾化可调喷嘴。该喷嘴具有极细的雾化效果，可有效避免积水对高温高压管道的破坏。张明等 改进设计了一种具有止回和关闭功能的旋转雾化可调喷嘴，实现了定压喷射，在喷射过程中，其水珠旋转雾化粒达300~500 μ m，并能自适应调节雾化水量。

由于文丘里结构能强化减温水雾化效果，并使水雾与蒸汽充分混合，因而被广泛应用于新型减温机构的设计中。袁舒欣等 对文丘里喷管进行了研究分析，通过实验，发现在雾化喷嘴中应用文丘里喷管可有效增加水雾中小颗粒液滴的比例。Wang等 为了强化传热效率，设计了如图1-8所示的减温装置。

该装置的结构特点在于采用了两级文丘里管，离心喷嘴与单级文丘里管的结合优化了喷嘴的喷射效果，延长了减温水的使用范围。喷嘴喷射效应增大了收缩区与喉道区之间的压差，强化了文丘里效应。由于其结合了离心喷嘴和两级文丘里管，因此喷淋雾化效果更好，蒸汽温度可调范围更大，可以适应较大的蒸汽负荷变化，从而保持工作稳定。杭州华惠阀门有限公司提出了一种多级调节阀配合自动雾化伞状可调喷嘴进行减温的高精度减温机构，该机构采用了高压差多级调节阀进行粗调，并配合文丘里管内设有的自动雾化伞状可调喷嘴进一步细调，使减温水射速保持恒定；同时，文丘里管喉部较高的蒸汽流速可改善减温水雾化效果，从而优化减温效果，扩大流量调节范围。该技术可使出口温度调节精度达到±2℃ 。

但需要指出的是，由于文丘里管喉部直径是固定的，该结构仅在大流量工况时能产生较好的减温水雾化效果及蒸汽与减温水混合效果，而当面临小流量工况时，并不能起到很好的减温作用。因此，如何使文丘里管喉部直径随着蒸汽流量改变而改变，是目前难以解决的一个问题。

此外，由于减温水喷嘴处两相流流场极其复杂且不稳定，因此研究困难，导致目前国内缺乏对减温机构内部流场的研究分析。实际上，对减温机构内流场进行分析不仅可以从机理上指导结构的优化设计从而提高减温效率，还能对许多减温机构的失效现象从原理上进行解释，以便从根源上解决问题。

4　减温减压装置降噪减振技术

减温减压装置的降噪减振技术一直受到专家学者的重视。振动会使机械设备产生较大的动载荷，从而严重影响设备的工作性能和寿命；巨大的噪声不仅会损坏设备，而且会置操作人员于极差的工作环境之中，危害其身体健康，并且巨大的噪声也会引发振动。因此，标准NB/T 47033—2013《减温减压装置》规定，减温减压装置中的总体噪声水平应不大于85dB(A) 。减温减压装置中的振动噪声主要来源于减压机构和减温机构。在减压机构中，流体流经节流元件如阀芯和孔板时，压力迅速降低，发生超声速流动，导致减压阀内气体的湍流程度加剧并产生较大噪声 。减压阀在高压差工况下工作时，蒸汽压力变化和剧烈的湍流流动极易引起整个管路系统的振动，同时产生巨大的噪声。针对减压阀噪声问题，陈立龙等 指出，阀内噪声强弱与湍流程度有关。降低减压阀内噪声一般的方法有：①在减压阀内增设消声器，如多孔板或多孔网罩等；②改进阀门结构以得到更小的噪声。近年来专家学者在减压阀降噪方面的研究如表1-3所示。

振动可根据频率的大小分为：频率小于1000Hz的低频振动、频率为1000~5000Hz的中频振动和频率大于5000Hz的高频振动。在减温减压装置中，振动一般包括机械振动和流激振动。机械振动指由于流体与零件碰撞和零件与零件碰撞而产生的振动，为低频振动，危害较小，且相对容易控制；流激振动指当设备的固有频率与流体的激励频率一致时引起的共振，为高频振动。高参数蒸汽在通过减压阀后不但会产生巨大的噪声，还会引起剧烈的高频振动，高频振动会严重损害装置内零部件，缩短装置寿命，是制约减温减压装置高参数化发展的重要因素。Erdödi等 通过计算流体动力学的方法扩展了对减压阀内声耦合不稳定性的研究范围，研究了一种会导致阀门震颤的四分之一波的不稳定性。张雷 通过实验研究发现，随着喷入减温减压器的水蒸气参数的升高，管壁的振动总有效值会越来越高。针对这一问题，目前国内主要的解决方法有采用多级减压结构和增大阀门口径，这些解决方法从阀门结构设计上来减小振动，同时也能起到部分降噪的作用。张明等 对各类典型结构的蒸汽减压阀进行试验，发现采用高减压比的多级节流降压结构能提高蒸汽减压阀减压性能，且无明显振动发生。凤建刚 围绕某公司烯烃装置内高压蒸汽减压阀的振动问题，对阀芯、套筒和密封环等部件进行设计改造，使得阀杆处平均振幅由318 μ m降至122 μ m。

在减温机构中，减温水遇到高温蒸汽后会迅速汽化形成两相流，引起强烈振动和高噪声 ，并影响整个管路系统。若喷出的减温水与管壁面发生直接接触，则会导致该处壁面出现热疲劳损伤，产生裂纹。振动又会加快裂纹的扩散，最终导致失效。减温机构内的振动噪声问题不如减压机构中的严重，故并未引起太多的重视。然而由于减温机构内部流场的复杂性，对其进行振动噪声研究难度不比减压机构低，因此成为目前减温减压装置的一个主要技术难题。

5　减温减压阀设计计算与寿命估算

对减温减压阀进行设计计算和寿命估算是保证其正常运行和实现安全生产的前提。王群慧等 对汽机旁路系统中的减温减压阀阀体三维瞬态温度场和应力场进行了分析，由于高温蒸汽与减温水在阀体内侧的阀座处相遇，因此该处的温度变化特别剧烈，流动压差大，剪应力也较大。郑红丽 以某电厂减温减压站的减温减压阀为例，介绍了减温减压阀内减温水流量、多级减压流通能力和减温水喷管流通能力的设计计算方法，为后续研究提供了参考。早期减温减压阀的寿命估算主要依据减温减压阀中各个零件材料的低周疲劳特性，该方法虽然简单方便，但并不准确。钟世梁等 以600MW发电机组汽机旁路系统为研究对象，通过计算后认为对该减温减压阀的使用寿命估算应以考虑高温蠕变破坏为主，并采用 θ 函数法对阀体的使用寿命进行了估算，得到了阀体的最大应力值以及出现的位置。

多年来针对减温减压阀进行设计计算和寿命估算的方法研究和案例分析较少，虽然目前已有的方法能基本满足工业需要，但如何进一步提高设计水平和寿命估算精度仍需要更深入的研究。

6　减温减压阀结构优化设计

减温减压阀长期处于高温高压的工作环境之中，因此其阀体和阀内零部件极易发生蠕变与过热氧化。此外，由于减温水直接喷入阀内与过热蒸汽混合，接触瞬间会对阀体产生巨大的冲击，并引起阀体和阀内零部件产生热应力和热疲劳损伤，导致阀门寿命缩短，严重时可能会危害整个管路系统，造成巨大的损失。因此，如何对减温减压阀进行结构优化，从而在提高其性能参数的同时延长其寿命是研究的重点。

国内的减温减压阀主要是笼罩式双阀座结构。该结构带来的问题主要有：①蒸汽中带有的杂质容易附着在阀笼上造成堵塞；②难以保证密封。针对阀笼堵塞问题，袁伟超 指出在阀内加装滤网过滤杂质是一个最佳的选择。张文福等 设计了一种能及时有效地排出杂质，防止阀门失效卡死的高温高压减温减压阀。而对于密封问题，李新全等 发明了一种全密封减温减压阀，该阀门在关闭状态下密封性能好，且减温控制精度高。针对套筒式结构中套筒容易失效的问题，李广军 研制了一种喷水型减温减压阀，其结构如图1-9所示。该结构将文丘里管应用到了减温减压阀中，有效解决了套筒式结构中套筒容易失效的问题。

此外，与减压阀类似，减温减压阀内也存在着过热蒸汽的高速湍流，会引发严重的振动与噪声。并且由于减温减压阀内部采用了多级小孔以实现节流降压，其流道具有典型的缩颈特征，在高压差下更加容易产生强振动和高噪声问题 。虽然可以借鉴减压阀的减振降噪技术，在减温减压阀内增设消音装置（如套筒、孔板等结构），但由于减温减压阀内还同时进行着减温过程，工况更为复杂，极大地增加了减振降噪的难度。

一体式减温减压装置相比于分体式，除了在占地面积和成本上有优势之外，其减温效果也强于分体式中的减温机构，这是因为减温减压阀阀瓣后部蒸汽流速大，更有利于减温水的汽化。而当进口蒸汽参数超过9.81MPa、540℃时，减温减压阀的可靠性就会急剧下降，这也成了一体式减温减压装置发展的主要瓶颈之一。另外，材料问题也是目前亟待解决的问题。良好的材料会延长减温减压装置在高参数工况下的使用寿命，但一些高温环境下使用的材料（如镍基合金）价格高且缺少相关标准，因此在国内很少使用。 7oANXeaC/xcCTfiUd1gAZGBvOkRCpOuwKnS5YCoE7prrJPNumbbPi5hLPI8zO1Is