超超临界电站锅炉储水罐用调节阀及管配系统流场特性分析

? 临界电站锅炉储水罐用调节阀及管配系统流场特性分析

何庆中, 郭斌, 董学莲, 张城, 刘佳, 陈雪峰

(四川理工学院机械工程学院, 四川 自贡 643000)

摘要：针对超超临界电站锅炉储水罐用调节阀国产化研制中流场结构设计面临的问题,结合前期配置于某电站储水罐用调节阀及管配系统底板汽蚀击穿故障现象,基于两相空化流动控制方程和Fluent流场数值模拟手段,采用RNGk-ε湍流模型及耦合算法,对该调节阀流场结构及管配系统流场特性进行数值模拟分析计算,并进行流场结构及特性验证,结构改进优化设计.重点分析了压锥式调节阀及管配系统流场特性,结果表明:压锥式调节阀在设计工况下,由于阀门开度较小,高温介质在喉口处发生严重的汽化现象,气化率达90%以上,介质速度较高达到143 m/s,以至于管配系统底板被冲击至击穿.针对失效原因,提出了一种新型笼罩式调节阀,优化结构流场模拟结果表明,在阀门喉口含汽量减少了21.6%,盲板附近的速度降低了80%,表明汽化现象得到了抑制,管配系统能够安全运行.模拟结果较好展示了阀门流场的分布规律,为该类调节阀结构设计与优化提供可借鉴的理论依据,对电站锅炉调节阀国产化推进具有一定促进作用.

关键词：调节阀;汽蚀;数值模拟;结构优化

何庆中, 郭斌, 董学莲, 等. 超超临界电站锅炉储水罐用调节阀及管配系统流场特性分析[J].排灌机械工程学报,2016,34(11):974-978.

HE Qingzhong, GUO Bin, DONG Xuelian, et al. Analysis on characteristics of flow in regulating valve and pipe system of water sto-rage tank for boiler in ultra-supercritical power plants[J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering(JDIME), 2016,34(11):974-978.(in Chinese)

超超临界电站锅炉储水罐用调节阀用于调节锅炉储水罐水位,其工作环境恶劣,为高温高压,介质温度达311 ℃,压力通常在11 MPa以上.该类调节阀国内普遍采用压锥式节流降压调节结构,在实际使用过程中,介质在经过压锥节流间隙后容易形成强烈的汽化及旋涡现象.如果在该部分区域旋涡较长时间存在,极易对阀门造成冲击损伤,减少阀门使用寿命,并最终影响电站锅炉的安全运行.，介质汽化现象还是调节阀及其管配系统产生噪音的主要原因.如果任其发展，会产生严重的泄漏事件.所以对该类阀门及管配系统流场特性研究和流场结构优化设计很有必要.

目前对于常规调节压锥阀[1]、球阀[2]、泵[3]以及类似阀门零件[4-5]相关的流场模拟较多,对超超临界高温高压下储水罐调用调节阀的流场分析研究报道相对较少.由此,文中基于Fluent湍流模型以及两相空化控制方程[6-7],对某超超临界电站锅炉储水罐用压锥式调节阀及管配系统进行流场特性模拟分析,给出在工况下的流场特性分布规律及特点,验证阀门在工作中所存在的问题.同时,依据调节阀的使用工况,提出改进设计一种笼罩式节流降压调节阀,并对该阀门及管配系统进行流场特性模拟.通过流场特性模拟结果比较,表明汽化现象得到一定的抑制,能满足使用工况安全运行.

1 压锥式调节阀及管配系统流场分析

1.1 主要技术参数及使用工况

调节阀主要技术参数及管配系统使用工况如下:设计压力为30.700 MPa,设计温度为375 ℃,运行条件采用快速升负荷,开度为22%,流量为198.00 t/h,阀门入口压力为11.700 MPa,阀门出口压力为0.367 MPa,阀门入口温度为311 ℃,水压试验压力为46.050 MPa.由上述可知,介质工作在高温高压的环境下,且介质状态处于亚临界线附近为低于350 ℃的饱和水.在该种状态下,压力与温度处于一个动平衡过程,可能会引起介质状态的改变.

1.2 结构分析与模型建立

图1为调节阀结构示意图,图中管配的三通盲板处即是汽蚀击穿的部位.从该阀门的结构可知,介质流进阀门后先经过匀流罩缓流,再经过阀杆与阀座之间的间隙流向管配系统流道.

图1 储水罐调节阀结构示意图

Fig.1 Sketch of regulating valve

通过Solidworks建立模型并导入Hypermesh进行网格划分,得到其网格模型.由于阀杆间隙附近的流场情况较为复杂,流动梯度变化较大,对该部分的网格进行了加密.划分网格数为6 053 090,网格尺寸为3 mm,模拟中网格尺寸以及网格数增加对结果影响较小,网格模型如图2所示.

图2 匀流罩处流体网格模型

Fig.2 Grid model of cover

1.3 采用的模型

SINGHAL模型输运方程及边界条件为

　　,

(1)

　　,

(2)

式中:Ce,Cc分别为气泡生成和溃灭的相关系数;ρ1为液相密度;ρν为汽相密度;Psat为汽化压力;fv,fg分别为汽相质量分数和不凝结性气体质量分数;Vch为当地特征速度(约等于当地的湍流强度);σ为饱和液体的表面张力系数[8].

在阀门给定工况下,入口压力及出口压力已知,文中压力进口采用11.700 MPa,压力出口采用0.367 MPa;采用k-ε湍流模型[9-10]及多相流混合求解模型,速度与压力耦合算法.

1.4 分析计算结果分析

在模拟分析计算过程中发现,经过2 s后介质速度以及各相体积分数变化较小,流场分布趋于稳定,文中列出了2 s末流场趋于稳定时的分布状况,如图3,4所示，其中v为流速，φ为气相体积分数.

图3 调节阀流速分布

Fig.3 Velocity distribution in valve

图4 调节阀气相体积分数分布

Fig.4 Vapour volume fraction distribution in valve

由图3可知,介质经过调节阀喉口时,流速急剧增大,最高达到143 m/s,这在阀门管道中属于极高流速;在三通盲板处的流速大约为60 m/s,表明介质在流动过程中,流速发生了衰减.同时可以看到,在盲板处有旋涡现象,这使得介质在流动过程中对盲板产生高频冲击.从图4看出,介质流过喉口时大部分被汽化,汽化部分先沿着管壁分布,在流动过程中部分汽泡被圧溃为液体,气液两相混合流动;在到达三通盲板处时,由于介质流动方向变化,压力发生变化,部分介质的状态再次发生变化,在该区域也形成少量气泡,使得流动变得复杂.

图5,6为在该段时间内喉口及盲板附近区域样点流速以及气相体积分数分布情况.从曲线可以看出,在喉口附近气化率达到95%以上,表明压降明显,降低的压力能转换为介质的动能,与速度曲线相对应.在盲板附近,开始时流动极不均匀,有较多的速度过高冲击点,表明介质在该区域流动较为紊乱,对盲板冲击较大.与某电厂储水罐用调节阀及管配系统实际工作中盲板被冲击至击穿的事实较为符合.

图5 调节阀样点流速曲线

Fig.5 Velocity curve at two sampling points

图6 调节阀样点气相曲线

Fig.6 Vapour volume fraction curve at two sampling points

2 笼罩式调节阀及管配系统流场分析

由上述分析结果可知,压锥式阀杆间隙附近的流场对整个阀门流场分布有极大的影响,所以文中重点针对该部分结构进行了改进设计.基于目前国外采用小间隙迷宫式碟片笼罩结构[4-5]储水罐用调节阀的特点,结合国内国产化研究现状和企业基础,以及常用压锥式节流降压调节阀在使用中存在的问题,借鉴电站锅炉高温高压给水泵最小流量调节阀结构特征及流体稳定性的优势,自主创新改进设计一种基于笼罩多层交错孔隙节流降压原理的三级笼罩式节流降压调节阀,打破国外技术封锁,充分利用国内生产制造技术、加工简单、成本低的优势,优化结构如图7所示.

图7 笼罩优化后结构示意图

Fig.7 Sketch of optimized cover

从图7可以看出,优化结构对笼罩部分做了较大的结构变化,采用多层交错式结构,避免高速介质经过笼罩时急剧压降导致流速变化过快.一方面多层笼罩对介质有匀流的作用,另一方面由于内笼罩出口是对称的,可以使得部分介质在流出笼罩后气泡相互接触溃灭,避免大量气泡溃灭发生在壁面附近,引发壁面蚀坑、振动等[11].

优化结构后得到的流场速度、气相体积分数分布情况如图8-11所示.从图8中可以看出，在笼罩出口介质速度较高，接近60 m/s，在随后的管配流道流动过程中速度逐渐衰减至10 m/s以下，在阀门管道流动中属于正常的速度范围，从图8中看到，介质流过喉口后，贴近阀体内表面介质的速度相对较低，表明介质对阀体的冲击作用较小.从图9可以看出，介质流经笼罩后，在笼罩出口附近仍然有一部分气相体积，但仅占有少量比例，在笼罩中间区域，介质几乎为液相，说明气相介质在该区域相互抵消，与笼罩式阀门结构设计相符合，表明结构设计的合理性与有效性；此外，在后续阀门管配流动中介质为单相，比较均匀，也说明了笼罩式调节阀结构在恶劣工况下的适用性.同时结合图10，11可以看到，在笼罩出口附近区域，介质速度及气相体积在0.6 s时趋于稳定，表明介质流动过程中响应较为迅速，介质速度相比原结构调节阀喉口速度明显降低，气相体积含量接近80%，相对原结构也显著减少.

图8 调节阀速度分布

Fig.8 Velocity distribution in optimized valve

图9 调节阀气相分布

Fig.9 Vapour volume fraction distributionin optimized valve

图10 优化结构样点速度曲线

Fig.10 Velocity curves at two sampling points in optimized valve

图11 优化结构样点汽相曲线

Fig.11 Vapour volume fraction curves at twosampling points in optimized valve

3 结构阀门流场结果比较

针对阀门管配三通盲板汽蚀击穿现象,在模拟时采用瞬时算法,并在计算中截取了流道相应区域的流场量数据,从而更方便获得该部分的流场信息.文中通过读取流场数据,列出了2 s末趋于稳定时2种结构下节流结构以及盲板附近流场的分布数据,如表1所示,表中数值为平均值.

表1 阀门结构优化前后流场分布

Tab.1 Flow field parameters of original and optimized valves

部位结构方案节流结构附近盲板附近v/(m·s-1)φ/%v/(m·s-1)φ/%原结构11797%且不均匀60占有一定体积优化结构54含量76%且相对均匀8几乎无气相

从表1可以得出,对笼罩结构进行优化后,出口介质汽化率降低21.6%,介质速度降低53.8%.在盲板附近介质速度降低80.0%,含汽量减少明显,流动均匀,表明优化方案对于阀门是有效的,可以解决原阀门失效的问题.

4 结 论

1) 原结构调节阀具备压锥式阀杆结构,介质流过喉口时发生强烈的汽化现象,压降能转化为动能使得介质速度急剧增大,高温高压下流体介质带动气泡反复撞击在盲板处,气泡溃灭产生的汽蚀力导致盲板被击穿.

2) 汽蚀现象使得流动过程十分紊乱,采用三维分析可以较好地得到整个流场的分布情况,从而分析阀门及其管配系统破坏的原因,为优化结构提供了依据.

3) 通过改进设计笼罩结构后,喉口区域介质汽化率降低21.6%,速度降低53.8%;盲板处的流体速度降低80.0%,含汽率几乎为0,底板处流动较均匀,表明该优化方案的有效性,可以解决电厂实际应用中的工程问题.

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(责任编辑 谈国鹏)

Analysis on characteristics of flow in regulating valve and pipe system of water storage tank for boiler in ultra-supercritical power plants

HE Qingzhong, GUO Bin, DONG Xuelian, ZHANG Cheng, LIU Jia, CHEN Xuefeng

(College of Mechanical Engineering, Sichuan University of Science & Engineering, Zigong, Sichuan 643000, China)

Abstract：In view of faced problems in flow structure design in the research and development of regulating valve of water storage tank for boiler in ultra-supercritical power plants in China, combining the cavitation erosion of valve plate in the previously designed regulating valve in a specific plant, a series of numerical simulations of two-phase cavitating flow field in a regulating valve and pipe system are carried out by using CFD code in Fluent. In the simulations, the RNGk-ε turbulence model and full cavitation model are used to validate fluid flow structure and to optimize the valve structure, especially, a cone valve and its pipe system are paid attention. The results show that cavitation occurs seriously in the throat of the original cone valve under design condition due to the very narrow opening. Particularly, the vapour volume fraction is above 90% and the flow velocity is as high as 143 m/s, leading to damage to the valve plate by cavitation eventually. To eliminate the cavitation, a new type of valve structure is put forward. The results show that the vapour volume fraction is reduced by 21.6% and the fluid velocity is decreased by 80% near the throat, suggesting the cavitation phenomenon has been suppressed to some extend and the pipe system is capable of safe operation. The simulated results exhibit the flow field distribution in the valve and pipe system more clearly, and provide theoretical references for the design and optimization of regulating valves, as well as promote the nationalization of this kind of valve.

Key words：regulating valve;cavitation;numerical simulation;structure optimization

doi：??中

doi：10.3969/j.issn.1674-8530.15.0259

收稿日期：2015-11-26;

网络出版：时间： 2016-11-14

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1814.TH.20161114.1444.038.html

基金项目：国家能源局项目(国能科技[2010]335号); 过控装备与控制工程四川省高校重点实验室开放基金科研项目(GK201302); 自贡市科技创新苗子工程专项资助项目(2015CXM03)

作者简介：何庆中(1962—),男,四川自贡人,教授([email protected]),主要从事机械设计制造及自动化研究. 郭斌(1990—),男,四川广安人,硕士研究生([email protected]),主要从事电站阀门结构设计及流场分析研究.

中图分类号：S277.9;TH138.52

文献标志码：A

文章编号：1674-8530(2016)11-0974-05