杠杆浮球式蒸汽疏水阀平衡式双阀座结构的改进与应用

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)英侨机械制造有限公司 作者:洪有福

  介绍了单阀座、双阀座杠杆浮球式蒸汽疏水阀的工作原理、结构特点及其工况系统的综合性能。分析了阀门关键结构的改进设计和重要参数的优化过程。提出了一种完全平衡式双阀座杠杆浮球式疏水阀的结构,给出了提高整机性能指标、使用寿命及扩展阀门应用领域的试验结果。

1、概述

  蒸汽疏水阀是一种自动阀门,起到自动阻汽排水的作用,是蒸汽加热系统和蒸汽管路的主要附件之一。在工业装置中,有很多设备需要用蒸汽作为热能,随着石油化工行业的飞速发展,需要大量的大排量和特大排量的蒸汽疏水阀,特别是高温、高压下需要大量排除凝结水工况的高性能、高参数蒸汽疏水阀。如何确保该阀工作时的可靠性和有效提高使用寿命均是蒸汽疏水阀设计、制造的技术难点和热点问题。目前,国内、外现有的平衡双阀座杠杆浮球式蒸汽疏水阀,其特点是上下两阀开阀力和关阀力近似相等而不完全平衡,特别是阀座孔磨损后密封面变大更加重了不平衡,因而在双阀座蒸汽疏水阀系列产品中,较高压力和较大排量的蒸汽疏水阀必须配备较大的浮球,才能克服流体压力不平衡而引起的较大开阀力。限制了该阀种参数的提高和在工程中的应用。完全平衡双阀座杠杆浮球式蒸汽疏水阀解决了高温高压下的开阀与关阀力平衡问题,能以较小的阀体设计达到高温、高压和超大排量的高性能参数要求,提高使用寿命。

2、工作原理

  杠杆浮球式蒸汽疏水阀是一种利用液位差和温度变化( 自动排空气装置) 而进行动作的机械型蒸汽疏水阀,其工作原理是在刚启动时,自动排空气装置处于开启状态,迅速排除系统中的不凝结气体。当蒸汽和热凝结水进入时,阀腔内温度随之升高,自动排空气装置内压室的感温液体随之汽化膨胀,内压室装置的压力产生变化而驱使高合金膜片带动阀瓣关闭排空气装置。此时阀腔内的浮球随水位的变化而自动升降,带动杠杆调节阀座孔的开度,连续排放凝结水。当凝结水停止进入阀腔时,浮球靠自重随水位下降,驱使杠杆带动阀瓣关闭阀座孔。由于阀座孔设在凝结水水位以下,形成水封,保证该阀在工作时,可达到无新鲜蒸汽泄漏。

3、结构特点

  3.1、典型结构

  通常的杠杆浮球式蒸汽疏水阀采用圆锥面密封,一般有单阀座和双阀座两种结构方式。采用单阀座结构的截止型杠杆浮球式蒸汽疏水阀其结构简单,但是工作时单方向受压,开启时其受压面积大,因而开启阻力大,只适用于较小排量和蒸汽压力较低的工况。如果采用双阀座结构,由于设有2 个排水阀座孔,可增大排水的流通面积,因而增大了蒸汽疏水阀的排量,而且,当处在关闭状态时,位于同轴线上的上、下两个阀瓣所承受介质的压力正好相反,可以抵消部分轴向压力,因此可以大大降低开启力。己有的双阀座杠杆浮球式蒸汽疏水阀,其阀座结构如图1 所示。通常双阀座的上下阀座孔采用同一尺寸D1,由于锥面密封宽度b 的影响,由此上下阀瓣受压面积不同。即使使用新的阀门,如果阀座密封面宽度很窄,只是一圈线状圆锥面,这时上下阀瓣的压差也不一样。随着使用时间的增长,密封宽度b随着磨损的增加而逐渐增大,因而开启力也随之增加,而且会越来越大。上、下阀瓣产生的压差越来越大,造成疏水阀的性能不稳定。其要点是上下两阀的开启力和关闭力近似相等而不完全平衡,特别是阀座磨损后密封面变大更加加重了不平衡,造成该阀工作可靠性差。

  3.2、完全平衡式双阀座结构

  完全平衡式双阀座杠杆浮球式蒸汽疏水阀设有浮球、杠杆、销轴、销、连杆、阀杆、上阀瓣、上阀瓣定位块、上阀座、垫片、下阀瓣、下阀瓣定位块、下阀座、螺母、连接头、连接销和杠杆支架等( 图2) 。杠杆的一端与浮球连接,杠杆的另一端用销与连杆的上端连接。杠杆与销轴相配接并支承于杠杆支架上。杠杆支架设于上阀座上方。连杆的下端通过连接销与连接头相配接。垫片、上阀瓣和上阀瓣定位块套入阀杆上部,上阀瓣设于上阀座内并与上阀座的下锥面相配接,连接头接阀杆顶部,能调整的阀杆的下部插入下阀瓣和下阀瓣定位块。下阀瓣设于下阀座内并由螺母与下阀座的下锥面相配接,其特征是上阀座孔径与下阀瓣外径相等。即上阀座的孔径d 与下阀瓣的外径d3相等,下阀座的孔径dl与上阀座的孔径d 不相等。由于上下阀座孔启闭时产生的力大小相等,方向相反,互相抵消,压差为零。所以稍微有一点浮力变化即可开闭阀门,动作灵敏度高。

  3.3、完全平衡式双阀座结构性能

  当新阀门使用时,阀门上下阀瓣的作用直径均为d,实际受压面积相等,保证了上下阀瓣所承受的压力相等,但方向相反,压差为零。当阀门随使用时间的增长而逐渐磨损时,上下阀座密封锥面投影宽度C 也随着增大,但上阀座孔径d 不变,而下阀座密封锥面投影宽度由于阀瓣外径的限制而保持不变。这样做到了上下阀座磨损时上下阀瓣的作用直径不会产生影响,上下阀瓣所承受压力相等,方向相反,压差为零。因此可设计较小的阀体达到特大排量的排水功能,并可设计适用于高温、高压工况的特大排量蒸汽疏水阀。

  由此可知,完全平衡式杠杆浮球式蒸汽疏水阀无论是刚使用的新疏水阀,还是使用过一段时间的旧疏水阀,在其使用周期内,上下阀座的上下阀瓣所承受的介质压力完全相等。在图2 中,d 为上阀座的孔径,其大小等于下阀瓣的外径d3。C 为下阀座密封锥面的垂直投影宽度,下阀座的孔径dl( dl = d- 2C) 与上阀座的孔径d 不相等,即通过上下阀座的孔径不相等来使阀瓣承受的开启力和关闭力达到完全或近似完全平衡。由于上下阀瓣在介质压力的作用下,其承压圆有效直径相等均为d,承压直径不受密封锥面宽度改变的影响,因此上下阀瓣的压力差在磨损前后均为零值,即能达到完全平衡。因而这种完全平衡式双阀座杠杆浮球式蒸汽疏水阀不管新旧,其所需的开启力和关闭力恒定不变,压力平衡。其灵敏度高,压差使用范围广,稳定性和可靠性好,使用寿命长。

双阀座疏水阀结构

图1 双阀座疏水阀结构

4、应用分析

  据文献〔1〕,普通的双阀座杠杆浮球式蒸汽疏水阀最大允许压力为3. 1 ~ 3. 2MPa,温度338 ~400℃,最大排量为20 ~ 127t /h。由于平衡双阀座杠杆浮球式蒸汽疏水阀近似相等而不完全平衡的因素,制约了高温、高压、超大排量蒸汽疏水阀的研制,要克服流体压力不平衡而引起的较大开阀力,只有加大浮球来增加开阀力,在蒸汽疏水阀的设计时,如加大浮球直径就需加大阀体,加大阀体就需加厚阀体壁厚,这样就增加了制造费用和加大阀体体积,限制了该类疏水阀的参数提高。

阀座结构

1. 浮球2. 杠杆3. 上阀瓣定位块4. 杠杆支架5. 连接销6. 销轴7. 销8. 连杆9. 连接头10. 阀杆11. 上阀瓣12. 上阀座13. 垫片14. 下阀瓣定位块15. 下阀座16. 下阀瓣17. 螺母

图2 阀座结构

  完全平衡双阀座杠杆浮球式蒸汽疏水阀采用完全平衡的双阀座新结构,解决了高温高压下的开阀与关阀力,能用较小的阀体达到高温、高压和超大排量的高性能参数要求,提高了阀门的使用寿命。其部分性能参数采用Φ110mm 的304 不锈钢浮球,公称压力为10. 0MPa,最高允许温度可达到482℃,最大排量60t /h。采用Φ190mm 的304 不锈钢浮球,设计公称压力为6. 3MPa,最高允许温度425℃,可用2 个Φ80mm 的排水阀座孔,最大排量150t /h。如果采用并联双阀体的先进结构,用Φ190mm 的304 不锈钢浮球,可实现4 个Φ80mm 口径的排水阀座孔,其排水能力可达到约300t /h,实现超大排量〔2〕。

5、结语

  在凝结水回收工程中,蒸汽疏水阀的性能对整个凝结水回收系统的正常运行起着关键作用。疏水阀排出的凝结水可进一步回收利用,变废为宝,同时改善环境。完全平衡式双阀座杠杆浮球式蒸汽疏水阀的研制成功,解决了高温、高压及大排量凝结水工况的难题,特别是在大排量饱和凝结水工况和凝结水回收系统上优势明显。该阀门结构已获国家发明专利( 专利号: ZL2005 1 0081595. 9) ,产品已在多项国家重点工程上得到应用,并随主机配套出口欧美和东南亚地区,运行效果良好。

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