电站锅炉调节阀管配系统流场特性的数值分析

刘晓叙，刘 佳，何庆中，郭 斌

四川理工学院机械工程学院，四川自贡 643000

【环境与能源 / Environment and Energy】

电站锅炉调节阀管配系统流场特性的数值分析

刘晓叙，刘 佳，何庆中，郭 斌

四川理工学院机械工程学院，四川自贡 643000

分析某火电机组储水罐调节阀在运行中出现的阀后配管端盖损坏问题，建立该调节阀和配管的计算流体动力学模型，利用CFD软件CFX对其进行两相流流场特性分析．结果表明，调节阀在节流口处发生了强烈的汽化现象，导致配管底板处冲蚀力较大，汽蚀冲击现象严重，分析结果与实际破坏情况相符．结合分析改进了调节阀配管系统结构，并对改进后的结构进行流场数值模拟，结果表明，在配管底板处流场速度降低近70%，汽相体积减少90%以上，汽蚀冲击现象减弱，分析结果可供该类阀门和配管设计参考．

计算流体力学；调节阀；两相流；CFX软件；汽蚀；结构优化

超临界火电机组储水罐调节阀主要配套过热系统使用，用于控制储水罐内的压力和水位．在使用过程中，高温高压介质经调节阀减压后，产生强烈的汽化现象，并伴随剧烈的振动和噪声，给阀门和管配系统造成严重的冲击，影响整个阀门及管配系统的使用性能和寿命，甚至危害整个锅炉系统的运行安全．因此，有必要对该类阀门及管配系统进行流场特性研究和结构优化．

目前，对相关流场的研究主要集中在离心泵[1-2]、轴流泵[3]、常规调节阀[4]、球阀[5-6]以及相关水利机械上，而对高温高压条件下的调节阀[7-8]管配系统流场分析还较少．因此，本研究基于重整化群 (renormalization group，RNG)k-ε湍流模型和混合物均相流空化模型，对某火电机组储水罐调节阀进行流场特性模拟．给出了设计工况下阀门和管配的流场分布，结合流场分析时发现的问题，提出相应改进方案，并对改进后的结构进行数值模拟，研究结果对阀门和管配结构优化设计、提高可靠性及其国产化有积极意义．

1 破坏原因分析及模型建立

阀门流动介质为高温高压水，温度达到311 ℃，压力为10.2 MPa，此时，介质处于压力和温度动平衡的临界状态，细微的参数变化就会引起介质属性的转变．根据阀门运行工况要求，调节阀主要技术参数设计如下：压力为30.5 MPa、温度375 ℃、运行条件为直流升负荷、开度21%、进口压力10.2 MPa、出口压力4.78 MPa、阀门入口温度311 ℃．

图1 储水罐调节阀Fig.1 Regulating valve of water storage

图1为该调节阀实物图．在电站经3次启动试运行后，发现阀后直管末端直角转弯处端盖被击穿．此时阀门开度为21%，处于升负荷至直流升负荷阶段．在机组启动过程进入直流运行前，阀门入口介质(来自储水罐)为饱和水，通过调节阀节流后的介质为汽水两相混合物．若阀后管路布置不当，阀门出口汽水两相介质在阀后直管段未形成稳定流态前进入90°直角转弯处，流态受管路原因急剧改变将在端盖底部形成湍流强度较大的漩涡，介质高频冲击将造成端盖的破坏．

本研究根据某企业在实际运行中发生端盖破坏的调节阀尺寸，建立流场分析模型，如图2．

图2 调节阀结构简图Fig.2 Structure sketch of regulating valve

利用HyperMesh对调节阀流道模型进行网格划分，以非结构化网格为主．由于阀芯为关键部位，其周边流场较为复杂，划分网格时对阀芯进行了局部细化并考虑了各块间连接区域网格具有的连续性．最终得到网格数为2 941 798，节点数为580 096．经过网格无关性检查，在此情况下，网格数量增加并不会进一步提高计算结果的准确性，故网格划分是可信的．流道网格划分如图3．

图3 流道网格划分示意图Fig.3 Grid of flow field model

2 空化湍流控制理论

本研究采用RNG k-ε湍流模型，以及基于Reyleigh-Plesset方程的混合物均相流空化模型来求解调节阀复杂的空化流动．对于调节阀流道内的空化流动，可认为是空泡相和水流相达到了热平衡和动力平衡[9]，将空泡相和水流相当成统一的流体进行分析，因此采用混合物均相流模型对调节阀的空化流动进行流场分析．

2.1 连续性方程

(1)

2.2 动量方程

(2)

2.1 Reyleigh-Plesset方程

(3)

考虑到流场处于低频状态和忽略表面张力的情况下，可将式(3)简化为

其中，RB为气泡半径； pV为局部温度下的汽化压力； ρf为液体密度； σ为表面张力．

3 流场计算结果及分析

将网格模型导入CFX中，按实际使用工况参数设置边界条件，进口压力10.2 MPa，出口压力4.78 MPa．给定流体介质温度311 ℃，饱和蒸汽压约为9.9 MPa．此时，流动介质属于低于350 ℃的饱和水，此温度下介质处于临界饱和线附近，当温度不变时，微小的压力波动就会引起介质状态的改变．阀门数值模拟选用高阶求解模式，物理时间尺度设置为0.1 s，收敛最大残差值为1.0×10-4．计算收敛图显示收敛效果很好，说明所建流道模型合理．

3.1 流场分析结果

根据流场数值计算结果显示，在4 s后介质流动状态趋于稳定，此时的流场分布状况如图4和图5．图4和图5为截取调节阀中心对称面流场分布情况．从图4速度云图可知，介质经过调节阀阀芯喉口时速度急剧增大，最高可达149 m/s，而高速介质随着管道流动，能量有所衰减，在调节阀直角转弯处速度达到60 m/s左右，同时可见在端盖底板附近形成了一定湍流强度的急剧漩涡，频繁撞击端盖底板．从图5汽相体积云图可见，介质经过喉口时，发生大量汽化且最先发生在壁面附近．随着管道的流动，能量有所衰减，部分介质压力恢复至空化压力之上，使得这部分气泡压缩溃灭，在气泡溃灭过程中，散发出巨大的能量，该能量会在短时间内反复冲击阀体壁面．尤其是在直管末端，由于底板的阻挡，气泡冲击底板而破裂，因此，图5中显示在底板附近汽相介质含量很低．

图4 调节阀速度云图Fig.4 Contours of the velocity

图5 调节阀汽相体积分布Fig.5 Contours of the vapor volume fraction

为更加直观表现调节阀的调节过程，本研究提取了喉口和底板处样点的速度和汽相体积分数变化数据并绘制成曲线，如图6和图7．

图6 调节阀样点速度曲线Fig.6 Sample velocity curve of the valve

图7 调节阀样点汽相体积曲线Fig.7 Sample vapor volume fraction curve of the valve as a function of time

结合图6和图7曲线可看出，喉口附近介质汽化体积分数达到90%以上，减压效果明显，同时，压力内能转化为动能使得速度急剧上升．而在直管末端底板附近，介质流动状态极不稳定，波动的速度频繁对底板形成冲击，这也验证了实际使用过程中底板的失效是由于介质高速冲击造成的．

3.2 阀后直管段结构改进及分析结果

综上分析可知，在阀后直管末端底板处存在较强的汽蚀冲击现象，其原因在于介质流过喉口时剧烈的压降导致速度急剧增加，介质汽化严重，由于管道长度不够，介质速度衰减不充分，高速运动的介质对底板造成强烈的冲击，最终导致底板被击穿．结合分析结果，为减少汽蚀的影响，在满足工程整体布局的前提下，增加阀后配管的长度并进行模拟计算．设置相同的边界条件和介质参数，分别增长管配200～1 000 mm等5种方案的模拟计算．下面选取增长1 000 mm的模拟结果，如图8、图9和图10．

图8 改进后调节阀速度云图Fig.8 Contours of the velocity after optimizing

图9 改进后调节阀汽相体积分布Fig.9 Vapor volume fraction distribution of the valve after optimizing

图10 改进后速度与汽相体积对比Fig.10 Curves of velocity and vapor volume fraction after optimizing

从图8可见，介质经过喉口后速度仍然较高，接近132 m/s，而随着配管的增长，速度逐渐衰减，在底板附近降至20 m/s以下，符合常规阀门流速的要求．从图9可知，随着管道的延长，底板附近汽相体积几乎为0．结合图10延长后底板样点速度与汽相体积曲线图可以看出，在1.5 s后，底板附近介质流速降低，汽相体积几乎为0，说明增长管道后底板附近流场改善比较明显，该区域处于相对安全的状态．

为深入探究阀后管配长度对整体流场的影响，分别模拟不同管配长度下流场分布情况，并提取了相应管配长度下底板附近样点的流场量变化，绘制成速度和汽相体积变化对比曲线，如图11和图12．

图11 不同增长量下底板处速度变化Fig.11 Velocity distribution at the baseboard under different lengthen pipelines

图12 不同增长量下底板处汽相体积变化Fig.12 Vapor volume fraction distribution at the baseboard under different lengthen pipelines

从图11可见，增加管配流道长度后，流场速度下降较为明显，在加长至800 mm后，速度降低至18 m/s以下，与图6相比速度降低近70%，随着时间推移还有进一步降低的趋势，表明加长管配管道可以有效改善底板处的流场分布情况．

此外，从图12可见，增加管配管道长度后，底板附近的汽相体积占比减少，与图7相比汽相体积减少近95%．在管道加长800 mm后，该区域的汽相体积占比几乎为0，说明在该种情况下底板附近流场几乎为液相，即流场分布较为均匀，表明阀门结构满足了运行工况的要求．

4 结 论

本研究结合某超临界火电机组调节阀在实际运行中出现的问题，基于CFX空化湍流模型，对其进行了流场分析，得到了该调节阀在设计工况下的流场规律，并通过对其进行结构改进，得出以下结论：

1)通过对调节阀和管配系统的流场特性分析，其结果和实际阀后直角转弯处端盖破坏情况比较吻合，表明使用CFX分析调节阀流场的方法是合理的．

2)通过结构改进后，底板附近流场速度降低近70%，气泡溃灭冲蚀现象明显减弱，汽相体积减少近90%，流动相对稳定，有效改善了底板处汽蚀问题．

3)管配管道的长度与流场分布的均匀性有较大的关系，管道越长，流场相对越稳定，体现了多相流流动的松弛性．

4)改进后的结构能有效改善配管衔接处的流场特性，降低介质对配管的冲击，提高配管的使用寿命．对今后同类阀门配管布置具有重要的参考价值．

/ References：

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【中文责编：晨 兮；英文责编：之 聿】

Simulation of the flow field characteristics of the boiler control valve pipe system of a power station

Liu Xiaoxu†, Liu Jia, He Qingzhong, and Guo Bin

Institute of Mechanical Engineering, Sichuan University of Science & Engineering, Zigong 643000, Sichuan Province, P.R.China

In order to analyze the problem that the piping end cover behind the regulator valve used in the water storage tank regulator of one thermal power unit is damaged during operating, the computational fluid dynamics (CFD) model for the valve and the piping is established, and the characteristic of two-phase flow field is studied by using CFD software CFX. The results show that cavitation is serious near the gap of the stem, which causes greater erosion force near the baseboard, and the computational results are consistent with that of the actual damage case. The piping structure of the regulator valve is improved according to the results, and numerical simulation of the flow field is done for the improved piping structure. The simulation results of the improved piping structure show that the flow speed is reduced by nearly 70%, and the bubble collapse is reduced by over 90%, the cavitation phenomenon is suppressed. The results can be used as the reference for the structural design and optimization of this kind of valves and piping.

computational fluid dynamics; regulating valve; two-phase flow; CFX software; cavitation erosion; structure optimization

Received：2016-03-09；Revised：2016-11-10；Accepted：2016-11-25

Foundation：National Science and Technology of National Energy Administration(2011HVCHT095)

† Corresponding author：Professor Liu Xiaoxu. E-mail: xiaoxu_liu@163.com

：Liu Xiaoxu, Liu Jia, He Qingzhong, et al. Simulation of the flow field characteristics of the boiler control valve pipe system of a power station[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2017, 34(1): 105-110.(in Chinese)

TH 138.52

A

10.3724/SP.J.1249.2017.01105

国家能源局国能科技基金资助项目(2011HVCHT095)；自贡市科技创新苗子工程资助项目(2015CXM03)

刘晓叙(1957—)，男，四川理工学院教授. 研究方向：机械设计制造及其自动化. E-mail:xiaoxu_liu@.163.com

引 文：刘晓叙，刘 佳，何庆中，等. 电站锅炉调节阀管配系统流场特性的数值分析[J]. 深圳大学学报理工版，2017，34(1)：105-110.