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超超临界机组锅炉储水罐调节阀内流场特性及优化

调节阀是机组的重要阀门之一,该类阀门的特点是工况复杂,条件恶劣,易出故障,目前只能通过电站示范工程进行试验。在试验过程中发现,该类阀门在工作过程中会发生汽化现象,容易对阀门及其管配系统造成损坏。

超超临界机组锅炉储水罐调节阀(以下简称调节阀)的工作环境较为恶劣,温度高达311℃以上,压力高达10MPa。目前,已对与调节阀结构类似的球阀、锥阀以及泵类零件的相关流场进行了模拟,而针对此类调节阀的流场分析较少。为此,本文基于Fluent软件湍流模型与两相流空化控制方程,研究了某电站调节阀在高温、高压下临界流的流场特性,并提出了相应的改进方案。

1 调节阀流场模型

图1为调节阀结构示意。介质从阀体一侧流入,经过笼罩一级匀流后进入内腔,通过阀杆与阀座的间隙,流入阀门管配系统流道。

图1 调节阀结构示意

从调节阀的结构可知,流道具有较好的平面对称性。基于此,本文采用二维模型建立计算区域(图2)。模型采用四面体划分网格,由于阀杆和阀座喉口间隙处的流动较为复杂,流场压力梯度较大,因此对该区域进行网格加密,网格划分如图3所示。

图2 调节阀流场二维模型

图3 调节阀模型网格划分

表1为调节阀设计工况下主要技术参数。设计工况下,进口、出口压力为给定值。介质设置为两相,介质参数可查取饱和蒸汽表进行曲线模拟得到。模拟中进口设置为压力进口,出口设置为压力出口,利用k-ε湍流模型,采用瞬时算法。

表1 调节阀设计工况主要参数

2 模拟计算

2.1 控制方程

Fluent软件中的Singhal模型又称为完全空化模型,该模型提供了相应的质量输运方程,即在气泡动力学方程的基础上引入质量转换,从而能够更好地模拟两相的真实分布。

1)气泡动力学方程

    (1)

式中:ρl为液相的密度;pB为气泡表面压力;p为远场压;SRB为气泡半径。式(1)忽略了液相表面张力项。

2)汽相输运方程

    (2)

式中:ρ为平均密度;V为速度矢量;Γ为有效变换系数;fv为汽相的质量分数;Re和Rc分别为汽相生成和溃灭的质量输运源项。

2.2 输运方程

当p≤pv时,该模型定义汽相生成源项为

    (3)

当p≥pv时,该模型定义汽相溃灭源项为

    (4)

式中:k为湍流动能;σ为气泡表面张力;Fcond为压缩系数;Fvap为汽化系数;ρv为汽相密度;pv为汽化压力,其值的大小与温度以及当地压力直接相关。

3 模拟结果及分析

在机组快速升负荷阶段,该调节阀开度为13.5%时易发生汽化现象。本文按照调节阀设计工况及其开度保持13.5%条件下,模拟了不同阀杆角度对流场的影响。由于喉口区域流场较复杂,因此采用瞬时模拟,以得到流场分布。模拟发现,1s后调节阀内流场即趋于稳定,因此取1s时的模拟结果分析调节阀内流场分布情况。

3.1 速度分布

图4为不同阀杆角度下流场的速度分布。由图4可见:在介质流过阀杆与阀座的间隙后速度急剧增大,最大可达146m/s,这种超高流速对阀门及其管配系统冲击极大,会减少阀门使用寿命,介质速度增大主要是由于介质在流经较小间隙时,压力减小,压降能转换为介质的动能;随着阀杆角度的增大介质速度有所减小,在阀杆角度为68°时介质速度降低至121m/s,降幅明显,这主要是由于阀杆角度增大后,介质在流经间隙的有效长度减小,压降效应减弱,在介质流出间隙后,压力恢复相对较快;在出口管道内,介质流在一定距离内较为紊乱,在三通底板处还伴有涡流现象,这对底板的损坏极大,随着阀杆角度的增加,底板附近的涡流现象减弱。

图5为4种阀杆角度下喉口区域流场速度分布对比。由图5可以看出:当阀杆角度较小时,喉口区域速度波动较大;随着阀杆角度增大,流场速度波动逐渐缓和。

图4 不同阀杆角度下流场速度分布

图5 4种阀杆角度下喉口流场速度分布对比

3.2 汽相分布

图6为不同阀杆角度下汽相分布。

图6 不同阀杆角度下汽相分布

由图6可以看出:介质流经阀杆与阀座间隙时,介质发生了强烈的汽化作用,气泡的产生使得流场较为紊乱;在阀杆端部附近汽相占有较大体积,流动过程中汽相体积逐渐减小,说明流动过程中部分气泡溃灭,到三通底板附近处,汽相体积明显较少。由流体力学可知,当气泡发生溃灭时,会产生瞬间极大压力并释放微射流,该能量会诱发管道震动,气泡溃灭时产生的汽蚀力对于阀门及其管配系统的损坏极大,模拟结果与阀门失效情况相符合。另外,随阀杆角度的增大,流场汽化总量减小。

图7为不同阀杆角度下喉口区域流场汽相体积分布情况。由图7可见:喉口区域汽相体积波动很大,表明该区域时刻发生着气泡的产生与溃灭;随着阀杆角度的增大,阀杆附近汽化总量减少。

图7 不同阀杆角度下喉口流场汽相体积比较

提取流场数据,得到不同阀杆角度下流场分布情况见表2。由表2可见:随着阀杆角度的增大,流场速度逐渐减小,含汽总量降低;当阀杆角度从28°增至68°时,速度降低17.1%,含汽总量降低52.2%。可见,阀杆角度对流场分布影响较大。

表2 不同阀杆角度流场分布情况

3.3 优化后流场

由上述分析结果可知,介质在阀杆阀座间隙喉口区域发生了强烈的汽化作用,气泡伴随着介质在管道中高速流动,流场分布较为紊乱,介质在临界状态下并不稳定,这对阀门及其管配系统损坏较大。对此,需要降低流场速度,减少湍流能量。本文根据常规阀门设计规范,结合国内、外电站调节阀设计经验,提出一种匀流板式管配结构,以降低介质速度,使管配流道流场流动均匀化。在阀杆角度为48°下在管配流道中增加了2块匀流板,优化后流场模拟结果如图8—图11所示。由图8—图11可见:增加匀流板后流场最高速度及含汽总量均明显降低;流场整体湍流程度减弱;在管配三通处流动较均匀,无过高的速度点;在底板附近液相占体积较大,表明该区域的流场较为均匀。提取阀门流场关键部位数据,比较优化前、后流场情况,结果见表3。

图8 优化后速度场分布

图9 优化后汽相分布

图10 优化前后喉口流场速度比较

图11 优化前后喉口流场汽相体积比较

由表3可见,加装匀流板后,流场最大速度降低了19.2%,含汽总量降低了86.4%,储水罐调节阀内流场均布性得到明显改善。

表3 优化前后阀门流场情况

4 结论

1)在超超临界机组锅炉储水罐用调节阀设计结构及其工况下,介质处于临界状态,流动过程中会发生强烈的汽化作用,流动过程中气泡的生长与溃灭使得流场极不稳定。在调节阀管配系统中,流场湍流程度强,介质有较高速度点,气泡的生长与溃灭释放较大冲蚀力,使阀门安全运行存在较大隐患。

2)阀杆角度对流场有较大影响,随着阀杆角度增大,介质速度减小,含汽总量降低。

3)在管配流道增加匀流板可以降低介质速度,减少含汽总量,使得流场流动较为均匀。

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