凝水系统水位调节阀流量系数特性研究

胡宗成，高怡秋，杨 懿

(1.海军驻上海第七一九研究所军代表室，湖北 武汉 430064;2.中国船舶重工集团公司第七○四研究所，上海 200031)

0 引言

冷凝器是凝汽式汽轮机的重要组成设备，在热力循环中起到冷源的作用。冷凝器水箱中水位的高低直接影响到冷凝器的工作性能，进而影响整个蒸汽动力装置的热经济性和安全可靠性。水位过高，将减少蒸汽的冷却面积，影响冷凝效果，从而引起真空度的下降，降低汽轮机的有效焓降以及整机的热效率;水位过低，将影响凝水泵的工作性能，当凝水泵的吸入压力过低时，将发生气蚀现象，严重时会损坏设备。因此，凝水系统中必须设置有水位调节装置，以使冷凝器水位维持在合理范围内［1］。

水位调节阀是水位调节装置中的重要设备。在传统的设计与计算中，由于阀门结构复杂，其流量系数不易获得，为简化计算过程，工程上通常将流量系数取为常数［2－3］。近年来随着计算流体力学技术及CFD数值模拟软件的不断发展，通过数值方法求解流量系数已成为当今工程设计的重要手段［4－6］。

本文通过对流量系数的理论公式推导，得到了水位调节阀流量系数的计算公式，采用数值模拟方法，研究不同参数对流量系数的影响。通过理论公式计算结果与数值模拟值的对比，验证了水位调节阀流量系数的计算结果，并为数值模拟方法求解流量系数提供了理论支持。

1 水位调节阀及系统组成

本次研究对象为船用凝汽式汽轮机，凝水系统如图1所示，主要包括冷凝器、凝水泵、水位调节阀等设备。汽轮机排汽在冷凝器内部经冷却后凝结为凝水并进入冷凝器水箱，水箱底部设有管路联接至凝水泵，凝水经由凝水泵增压后进入水位调节阀。水位调节阀根据汽轮机排汽量的大小调节阀门开度，改变排水管路与回水管路的流量分配，使冷凝器水箱水位保持恒定。

图1 凝水系统示意图Fig.1 Condensate water system

水位调节阀采用三通结构，设有排水、回水两路出口，排水出口联接至系统热井，用于排走多余的凝水;回水出口联接至冷凝器，可将凝水送回至冷凝器水箱内。水位调节阀原理如图2所示，当汽轮机排汽量增加时，阀位升高，排水量增大，回水量减小;当汽轮机排汽量减少时，阀位降低，排水量减小，回水量增大。

对于回水管路，由于冷凝器内的真空环境，加之管路较短，因此其背压较低;而排水管路由于管路较长、管阻较大，因此其背压较高。由于两路出口背压的不同，当水位调节阀开度改变时，凝水管路的阻力特性将发生改变。

在汽轮机工况变更时，凝水系统的特性变化主要由水位调节阀引起，并使凝水泵的扬程和流量随之改变，而凝水泵参数的变化又会改变水位调节阀入口的压力，造成阀流量系数与阻力特性的改变，二者相互关联又相互影响。因此在设计时，凝水系统的匹配特性必须给予充分的考虑。其中不同工况下水位调节阀的特性计算，特别是流量系数的计算，是整个凝水系统匹配特性研究的关键问题。

图2 水位调节阀原理图Fig.2 Principle of level control valve

2 流量系数的特性

2.1 流量系数的公式推导

对于水位调节阀而言，根据伯努利方程，有流量公式

式中:Cx为不同开度水位调节阀的流量系数;F1为调节窗口面积;ΔP为调节阀总压降;ρ为凝水的密度。

对于调节窗口，如图2中的排水或回水窗口，有流量公式

式中:μ为调节窗口的流量系数，取0.78～0.8;F1为调节窗口面积;ΔP1为调节窗口压降;ρ为凝水的密度。

对于水位调节阀，在凝水流过阀体内部时，存在若干处节流与损失过程，每一处节流与损失过程有流量公式

令所有节流与损失过程流量系数μ相等，根据流量守恒方程:

流过调节阀的总压降为各个节流与损失过程的压降总和:

由式(9)可以看出，当F2，F3，…，Fn保持不变，F1增大时，Cx减小;F1减小，Cx增大时，二者为反比关系。

对于本次计算的水位调节阀，在整个流动过程中，压降主要产生于调节窗口处以及调节阀出口处，忽略其余沿程阻力，则根据式(8)，可得调节窗口处的压降

式中:ΔP为调节阀总压降;Fx为调节窗口面积;Fc为调节阀出口处面积

令

则在考虑调节阀出口处压力损失时，流量系数

面积比f表征了调节窗口压降占整个调节阀压降的比值，面积比f越大，调节窗口压降比值越小，当面积比f=1时，调节阀全部压降集中在调节窗口处。

2.2 流量系数的数值模拟与分析

2.2.1 流量系数的计算方法

通过CFD数值模拟软件，对不同开度下水位调节阀的计算模型进行计算。给定调节阀进出口压力，可得到调节阀的实际流量。阀流量系数的计算公式为:

式中:Qx为不同开度下数值模拟所得实际流量;Fx为不同开度下调节窗口面积;ΔP为调节阀总压降;ρ为凝水的密度

2.2.2 不同开度对流量系数的影响

图3分别为排水以及回水工况时不同开度下的水位调节阀流量系数，二者变化趋势基本一致，在开度较小，窗口面积不大时，流量系数较大;在开度不断增大，窗口面积增加时，流量系数逐渐减小;在最大开度时二者的流量系数仅为0.56左右。根据式(9)，阀流量系数的变化是由于在开度增大、窗口面积增加时，沿程与阀体内部的流动损失增大而引起的。

图3 不同开度的流量系数Fig.3 Flow coefficient in different lift

2.2.3 不同压差对流量系数的影响

以100%开度为例，分别对排水工况和回水工况的流量系数进行计算，保持入口压力不变，改变出口压力，得到不同压差下水位调节阀的流量系数，如图4所示。

图4 排水以及回水的流量系数Fig.4 Flow coefficient of discharge and back

由图4可知，随着压差的减小，阀的流量系数略有降低，当压差减小到一定程度时，呈加速下降趋势。这是由于流量系数为阀门雷诺数的函数，当雷诺数大于一定值时，阀内部流动为紊流状态，此时随雷诺数增加，流量系数基本稳定［7］。总体而言，从工程计算的角度可认为流量系数不随压差的变化而改变，即在开度一定时流量系数为恒定值。

2.3 不同计算方法的对比

图5与图6分别为采用公式计算以及数值模拟所得水位调节阀流量系数的对比。根据数值模拟计算结果，对于排水窗口，在全开位置时通流面积最大，面积比f的值最大，此时窗口处的压降占整个调节阀压降的比值较小，由于沿程以及阀体内部的流动损失的作用，阀的流量系数最小;当窗口面积逐渐减小时，沿程以及阀体内部的流动损失对阀流量系数的影响减小，流量系数逐渐增大;当阀门接近于关闭状态时，调节阀的压力损失集中于排水窗口处，此时面积比f→1，阀的流量系数接近于调节窗口的流量系数，Cx=0.78～0.8。回水窗口的流量特性与排水窗口基本相同，二者符合同一变化规律。

图5 排水工况流量系数Fig.5 Flow coefficient in discharge condition

图6 回水工况流量系数Fig.6 Flow coefficient in back condition

图5和图6显示，当调节窗口面积越小时，计算结果与数值模拟值越吻合;当窗口面积最大时，由于调节窗口处的压力损失占整个阀损失的比值较小，流量系数的计算值受其他部位损失的影响较大，而在计算中未能将阀内的流动损失全部计算进去，因此误差相对较大。

2.4 凝水系统的流量计算

图7和图8分别给出了采用固定流量系数(C=0.62)以及变流量系数下水位调节阀的流量特性曲线。由图中可以看出，在采用变流量系数计算时，排水流量以及回水流量不再是各自窗口面积的单一函数。当窗口面积增大时，由于流量系数的减小，排水流量以及回水流量均较固定流量系数的计算结果偏小，总流量的变化幅度则有所降低。

图7 采用固定流量系数的计算结果Fig.7 Result under constant flow coefficient

图8 采用变流量系数的计算结果Fig.8 Result under change flow coefficient

3 结语

1)对流量系数公式进行推导，得到了水位调节阀流量系数的理论计算方法，得出流量系数是窗口面积与出口面积之比的函数;

2)通过数值模拟方法得到凝水系统水位调节阀的流量系数以及变化趋势。分析不同开度以及不同压差下水位调节阀流量系数的变化规律;

3)根据不同开度下流量系数的数值模拟结果，验证了理论计算方法的正确性，同时为数值模拟结果提供了理论依据;

4)根据本次计算所得流量系数，对凝水系统的流量进行重新计算，得到了更加合理的计算结果。

［1］陈亮.主冷凝器水位调节器的设计研究［D］.哈尔滨工程大学，2005.CHEN Liang.Reserch and design of water level modulator of main condenser［D］.Harbin Engineering University，2005.

［2］吴春玉，辛莉.液压与气动技术［M］.北京:北京大学出版社，2008.

［3］冀宏，张继环，王东升，等.滑阀矩形节流槽阀口的流量系数［J］.兰州理工大学学报，2010，36(3):47 －50.JI Hong，ZHANG Ji-huan，WANG Dong-sheng，et al.Flow coefficient of rectangular notch throttle orifice in spool valve［J］.Journal of Lanzhou University of Technology，2010，36(3):47 －50.

［4］谭琴，潘树林，王玉鹏，等.环状阀流量系数影响因素数值研究［J］.压缩机技术，2009，214(2):21 －23.TAN Qin，PAN Shu-lin，WANG Yu-peng，et al.Numerical study on influencing factor of ring valve discharge coefficient［J］.Compressor Technology，2009，214(2):21 －23.

［5］李辉，柯坚，刘晓红.基于CFD的液压锥阀结构特性分析［J］.流体机械，2009，37(9):33 －36.LI Hui，KE Jian，LIU Xiao-hong.Analysis of structure characteristics of a hydraulic poppet valve based on CFD［J］.Fluid Machinery，2009，37(9):33 －36.

［6］高小瑞.基于Fluent的液压滑阀内部流场的数值模拟［J］.机械管理开发，2009.24(5):49 －50，53.GAO Xiao-rui.Numerical simulation of the flow field inside hydraulic spool valve based on fluent［J］.Mechanical Management and Development，2009，24(5):49 －50，53.

［7］朱万胜，张作龙，李继志.钻井液提升阀流量系数的测定［J］.中国石油大学学报(自然科学版)，2010，34(2):125－129.ZHU Wan-sheng，ZHANG Zuo-long，LI Ji-zhi.Measurement of flow coefficient of poppet valve for drilling fluid［J］.Journal of China University of Petroleum，2010，34(2):125 －129.