湿蒸汽对AP1000核电汽轮机中调门气动力矩的影响

刘彦丰， 张旭瑞， 霍玉恒

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北保定071003)

湿蒸汽对AP1000核电汽轮机中调门气动力矩的影响

刘彦丰， 张旭瑞， 霍玉恒

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北保定071003)

摘要：为了解核电汽轮机湿蒸汽对中压进汽蝶阀的气动力矩的影响，利用FLUENT中Mixture多相流模型对AP1000核电汽轮机中调门的气动力矩进行汽水两相流数值模拟，分别对中调门不同开度下湿蒸汽汽水两相流和蒸汽单相流气动力矩的模拟结果进行比较分析。结果表明：中调门开启过程中，气动力矩先逐渐增大，最大值发生于中调门40°开度时，中调门开度继续增大，气动力矩逐渐减小。湿蒸汽汽水两相流对中调门的气动力矩为蒸汽单相流的两倍之多，增加了阀门发生卡涩故障的风险。

关键词：核电；汽轮机；湿蒸汽；中调门；气动力矩；数值模拟

中图分类号:TK264

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.10.014

收稿日期：2015-07-28。

作者简介：刘彦丰(1965-)，男，教授，主要从事高效清洁燃烧技术及环境污染控制方面的研究,E-mail：liuyf100@sina.com。

Abstract：To understand how wet steam in nuclear power steam turbine affects the pneumatic torque of medium-pressure butterfly valve, the mixture multiphase flow model in FLUNET was first used to make numerical simulation for wet steam’s two phase flow. The simulation is about the pneumatic torque of mid-pressure control valve in AP1000 nuclear power steam turbine. And then the pneumatic torque’s simulation results of wet steam’s two-phase flow and single phase flow were compared under valve’s different openings. The results show that the pneumatic torque increases gradually until the maximum occurs in valve’s 40 ° opening and that with the valve’s opening getting bigger than 40° the pneumatic torque gradually decreases. The aerodynamic torque decreases when the valve’s opening continues to increase. The pneumatic torque of the wet steam’s two phase flow is more than double that of steam single-phase flow, thus increasing the risk of valve’s jam fault.

Keywords：nuclear power; steam turbine; wet steam; mid-pressure control valve; pneumatic torque; numerical simulation

0引言

核电汽轮机组的进汽初参数低，有效热焓降较小，导致进汽质量流量较大。同等容量的核电汽轮机组进汽量约为火电机组的2倍，容积流量为4～6倍，所以核电汽轮机组的尺寸比相同功率的火电机组大很多[1，2]。蝶阀在输送流体的管道内起到调节和截断介质流动的作用，因其简单的结构且适用于大中口径管道,因此在核电汽轮机进气管道得到了广泛应用[3]，而大流量蒸汽流经蝶阀时对阀杆产生的扭矩很大，蝶阀在启闭过程中常存在卡涩故障，所以对于蝶阀不同开度下蒸汽对阀杆产生的扭矩即气动力矩的研究十分必要。

利用工程计算虽然也能估算蝶阀所受力矩大小，但由于蝶阀结构各异，难以得到力矩的准确值。随着计算流体力学(CFD)和计算机技术的发展，采用数值模拟对蝶阀内的流动模拟及气动力矩求解显然是十分可取的。文献[4～9]对汽轮机高压进汽阀内流动进行了数值模拟。文献[10～12]对蝶阀气动力矩进行了模拟求解。已有的对于阀门气动力矩的研究大多是针对蒸汽单相流的，而AP1000核电汽轮机进口蒸汽为饱和湿蒸汽，阀内的单相流数值模拟已经无法真实反映其内流特征及蝶阀的气动力矩。本文利用FLUENT提供的Mixture多相流模型对AP1000核电汽轮机中调门的气动力矩进行数值模拟。为了突出湿蒸汽对蝶阀气动力矩大小的影响，证明两相流模拟更符合实际情况，将两相流模拟结果与相应的单相流的模拟结果进行比较，得出湿蒸汽对中调门气动力矩的影响。

1几何建模和网格划分

该AP1000核电汽轮机中压进汽蝶阀为主汽阀和调节阀一体的联合进汽阀，主要由阀体、阀杆和阀碟组成。该蝶阀直径为1 200 mm，蝶阀的CFD模型与实物的比例为1∶1，模型结构如图1所示，阀碟中间厚度最大为300 mm，边缘厚度最小为20 mm。

图1　蝶阀结构

为了提供一个完整的流动分析模型并保证流场的充分稳定性，取蝶阀及前部管道L1=5D和后部管道L2=10D作为计算域，将整个流道模型划分为阀体和管道两部分。阀碟附近的流道空间采用非结构四面体网格，进出口管道采用结构六面体网格。取划分网格数分别为120万、150万、200万时，阀门管道内同一点的蒸汽流速和压力几乎没有差别，说明所设置的3种网格数量对计算结果影响很小，可认为120万网格已经达到网格无关，为节省数值模拟运行内存和运行时间，取120万的网格作为计算网格。图2为调节阀碟开度为40°时的网格划分情况。

图2　网格划分

2计算模型

蝶阀内部流场的流动为三维粘性流动，基于不可压缩流动的雷诺时均方程组求解，使用标准k-ε双方程模拟湍流流动；方程中的对流项均采用二阶迎风格式离散，离散方程的求解采用压力耦合方程组的半隐式方法。流动为定常流动，计算收敛标准为最大残差小于10-4。计算时进口边界为速度进口，出口边界为压力出口，其余边界均设为固体边界。

Mixture(混合)模型是一种简化的多相流模型。混合模型模拟的多相流中，各相以不同速度运动，但在局部空间尺度是平衡的，相间耦合较强。混合模型允许各相相互穿插，在一个控制容积内任意相的体积分数可以取0～1之间的任意值。混合模型求解混合物的动量方程、连续性方程和能量方程、次级相体积分数方程以及相对速度的代数表达式来模拟n个相(流体或颗粒)的运动。该模型还可以用于模拟相间耦合非常强、各相以相同速度运动的均匀多相流。

对于本文中压进汽阀内汽水两相流的数值模拟作如下假设：流体相均为不可压缩流体，液滴也为连续介质，每项的物理特性均为常数；液滴为球形，粒径均匀，且不考虑相变。蒸汽在高压缸膨胀作功后，湿度可达10%～12%，然后进入汽水分离器去湿及再热，蒸汽湿度可达到0.5%，液滴粒径一般为0.5～2 μm。本文取液滴所占体积分数为0.5%，液滴粒径为0.5 μm进行数值模拟。

3模拟结果

通常中压主汽阀只有全开和全关两种状态，调节阀用来调节蒸汽流量和压力，通过改变蝶阀阀碟转过的角度，调节汽轮机的进汽量，控制机组的主力和转速，适应不同工况的需要，所以本文对中压调节阀不同开度下的气动力矩进行数值模拟。

蒸汽流经中压调节阀碟时，将对阀碟转轴两侧产生不等的作用力，因而产生气动力矩。阀碟两侧的压差一定程度上影响了阀碟两侧作用力，所以对调节阀不同开度下的湿蒸汽两相流进行压力损失模拟求解。为了显示蒸汽中带水对压力损失的影响，将两相流压力损失结果与蒸汽单相流压力损失进行比较。

3.1　压力损失模拟

蝶阀的流量特性为流体通过蝶阀的流量或相对流量与阀门开度或相对开度之间的关系[15]。中压调节阀不同开度下，进入中压缸的蒸汽量不同，调节阀不同开度对应的蒸汽质量流量曲线图如图3所示。

图3　开度与流量曲线图

分别对调节阀开度为10°，20°，30°，40°，50°，60°，70°，80°下蒸汽单相流与湿蒸汽汽水两相流的压损模拟结果比较如表1。

表1　单相流与两相流压损

由表1看出，两个数值模拟得到的压损数据变化趋势相同。调节阀开度为10°时，阀门管道内的通流面积小，但通过的蒸汽流量也小，所以此时压损并不是最大的。随着调节阀开度增加，蒸汽流量相应增加，压损也逐渐增大，直至阀门开度30°时压损达到最大值，调节阀开度继续增加，通流面积增加，压损随阀门开度的增大而减小。

在调节阀上述各个开度下，汽水两相流流经阀门产生的压损比单相流产生的压损大很多，在数值上将近是单相流压损的两倍，由此看出蒸汽中带水对阀门压损影响非常大，湿蒸汽在核电汽轮机中压阀内的流动严重影响机组运行效率。

3.2　气动力矩

在数值模拟中，将阀碟转轴定于y轴上，则阀碟转轴所受气动力矩可表达为：

式中：y轴为阀碟围绕转动的轴线；i为阀碟上网格节点数；n为网格节点总数。Fx为沿x方向对阀碟的作用力；Fz为沿z方向对阀碟的作用力；x为作用力Fz到y轴的距离；z为作用力Fx到y轴的距离。

本文对调节阀的开度分别为10°，20°，30°，40°，50°，60°，70°，80°时的阀内流动进行了数值模拟，为得到中压调节阀在不同开度下所受气动力矩的大小，在Fluent菜单栏Report下选择Forces选项，由于阀杆转轴固定于y轴且阀碟是中心对称的，所以将Moment Center设置为(0，0，0)，Moment Axis设置为(0,1,0)，在Wall Zones选项下选择调节阀碟前后两个表面，输出数据,得到的数据就是数值模拟求解的气动力矩值。

为了说明蒸汽含水对阀门气动力矩的影响，将湿蒸汽汽水两相流和蒸汽单相流的气动力矩模拟结果列于图4进行比较。

图4　数据比较

由图4模拟结果看出，单相流和汽水两相流气动力矩的模拟结果都随着调节阀的开启过程先不断增大，这主要是由于随调节阀开度增加，流量迅速增大，致使气动力矩的变大。当调节阀开度达到40°时合力矩均达到最大值，此后随着开度继续增大，通流面积变大，而通流流量变化并不大，气动力矩变得越来越小。当阀碟开度达到90°即全开的状态下，由于阀碟两侧受到的蒸汽流对阀杆产生的力矩大小相等且方向相反，气动力矩为0，因此本文没有对阀碟全开时进行数值模拟。随着调节阀开度的增加，气动力矩的变化趋势与压损的变化趋势都是先增大再减小。

调节阀碟开度增大过程中，以阀杆轴为中心，阀体与阀碟之间的通流区域呈现不同的状态，以图2调节阀碟为例，阀碟下侧顺着蒸汽流动方向转动，而上侧逆着蒸汽流动方向旋转，阀碟两侧受到一个蒸汽力偶作用，形成合力矩。在阀门开启过程中，阀碟上侧的前后压差逐渐增大，受到的力矩逐渐增大，而下侧受到的压差逐渐减小，所受力矩也越来越小，则其合力矩必然逐渐增大。随着阀门开度不断变大，阀碟面向出口侧的气流反作用力逐渐增加，对阀门形成一个反向作用力矩阻止阀门的开启，阀门开度进一步增大，反向力矩增加强度将大于正向力矩增加值，这时阀门所受气动力矩合力矩逐渐减小。调节阀所受气动力矩的大小由调节阀碟上下侧所受力矩的合力矩决定，与整个阀门的总压损没有必然的同增减的关系。压损的最大值发生于调节阀开度为30°时，而气动力矩最大值发生于调节阀40°开度。

从数值上分析，湿蒸汽汽水两相流与蒸汽单相流气动力矩的模拟结果相差较大。由图中可以看出，两相流的流动所产生的气动力矩几乎为单相流的两倍，这就要求阀门在开启过程需要的油动机和关闭过程需要的弹簧提高接近一倍的输出力矩。若油动机或弹簧的输出力矩未达到指定值，阀门将会产生卡涩故障，甚至造成事故，所以阀门管道内蒸汽的湿度应得到严格控制。

4结论

(1)中压调节阀由闭合到全开过程中，气动力矩先逐渐变大，当开度达到40°左右，气动力矩达到最大值。随着开度进一步增大，气动力矩逐渐减小，直至调节阀全开，气动力矩减小至0。

(2)调节阀不同开度下，汽水两相流通过阀门产生的压损大致为单相流的两倍，大大降低了机组的效率。两相流对中压调节阀杆产生的气动力矩也几乎为单相流的两倍，增加了发生卡涩故障的风险。

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Wet Steam’s Effect on the Pneumatic Torque of Mid-pressure Control Valve in AP1000 Nuclear Power Steam Turbine

Liu Yanfeng, Zhang Xurui, Huo Yuheng(School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003,China)