英國Weir(現為Trillium集團) - 電廠閥件如何避免熱束緊(Thermal Binding)
如何避免熱束緊
(Thermal Binding)
英國Weir(現為Trillium集團) 電廠閥類專家 Mr. Adrian Croft 以其在集團超過40年的工作經驗，解釋熱電廠最常遇到的熱束緊現象(Thermal Binding)，以及解答客人最常提問的管線問題。
隨著科技進步，全球電廠操作的蒸氣溫度及壓力日漸提升，以達到更高的能源利用。然而，高壓閘閥的熱束緊(Thermal Binding)問題仍持續困擾使用者。以下是我與集團內閥類專家在此議題上最常被問到的問題:
Q:什麼是熱束緊(Thermal Binding)?
A:一般電廠正常運作的狀況下，閥門會先關閉並導入蒸氣。經一段時間後閥門內部溫度上升，此時會有無法打開閥門的現象，即為熱束緊(Thermal Binding)。這種現象通常有兩個主要原因:
1. 閥門關閉後閥桿因為閥體內部溫度隨之加熱而膨脹，因此使閥座支撐力增加。
2. 當閥體冷卻時，一般楔型閘閥的溝槽會使閥座冷卻收縮時卡住，最後導致無法打開閥門。
Q:根據上述原因，電廠客戶有逐漸替換楔型閘閥的趨勢?
A:沒錯。在較高溫度的蒸氣管線上因為熱束緊現象較容易發生，客戶有逐漸替換成平行閘閥的趨勢。
Q:請問是所有楔型閘閥都會受熱束緊影響? 或是只有特定設計才會有影響?
A:所有的楔型閘閥都會有此問題，尤其在高溫應用的製程。
Q:如果不把閥門完全關斷，是否能解決此問題?
A:不，即使製程條件可以接受洩漏不緊閉閥門，這些洩漏隨著時間累積依舊會影響閥座的使用壽命。
Q:平行閘閥的設計如何應付熱束緊?
A:平行閘閥的閥座是固定位置的，其設計是透過管線壓力來維持閥座支撐力，故閥桿置入閥體後，即使閥盤受到壓力往下移位，閥座支撐力力仍然不會改變。相較之下，楔型閘閥的閥座支撐力來自閥桿推力，因此閥桿如有壓力變化，會進而影響閥座的支撐力。
閥體冷卻時因為收縮現象會擠壓閥座，而平行閘閥位於閥盤間的彈簧可透過彈性與上述的管線壓力維持閥座支撐力。這個特殊設計也使閥盤能移動、閥桿能調整位置，並保留閥體熱膨脹的空間，避免熱束緊發生。
Q:我在電廠有多年工作經驗，但沒聽過這現象。然而根據您的說法，這是常發生的問題?
A:多數舊電廠通常是一座鍋爐供給一台渦輪，較少有配置截止閘閥。根據規範，主蒸氣管道不需要配置截止閥，且通常舊電廠的任務是基載，即使有配置主蒸氣截止閥，也很少會受到熱瞬態(Thermal Transients)影響。然而在過去經驗中，還是有許多熱束緊案例是發生在不同系統的燃煤電廠中，例如在抽取管道(Extraction Lines)以及蒸氣過熱器(Superheaters)
新一代的複循環式電廠(Combined Cycle Power Plants)通常由多個廢熱回收鍋爐(HRSG)來供給一台蒸氣渦輪。根據新規範，在所有主蒸氣管道上，每一個廢熱回收鍋爐(HRSG)必須要裝配兩個截止閥。此外，第三個截止閥通常裝配在蒸氣轉換系統(Turbine Bypass Systems)中。由於許多新電廠負責尖載任務，離峰時段會有停機(Shut Down)、冷卻的需求，因此一天內可能需要重啟數次機組，在此多次冷熱循環的操作條件下就容易導致熱束緊的發生。
Q:平行閘閥能解決熱束緊的設計特色為何?
A:如同前面提及，平行閘閥的閥座是固定位置的，而平行閘閥位於閥盤間的彈簧可透過彈性與上述的管線壓力維持閥座支撐力。這個特殊設計使閥盤能自由移動，能夠為熱膨脹作補償。此外，閥座通常是扁平寬敞設計，能夠降低閥盤與閥體間的接觸壓力。
有些製造商會使用窄閥座來優化楔形閘閥的設計。然而因為接觸面積小，其接觸壓力相較寬閥盤會增加許多，在有一定壓差條件下持續開關會使閥盤受損。因此客戶會需要在每次開關前要先平衡入口及出口壓力以防止磨損，造成操作不便。
最後還有一點需要注意的是，有些閘閥製造商的大力推廣雙碟盤閥(Double Disc Valve)的設計，但它不一定是真正的平行閘閥。雙碟盤閥如依舊是楔形設計的話，其閥座支撐力還是來自閥桿推力，因此還是會受熱束緊影響。