阀门操作方式对系统运行优化研究

赵占奎　李福春　李加刚　余峰　黄仁忠　唐坤林　张义科　赵登山　苏志伟　胡俊

摘 要：本文以反应堆的冷却水系统为载体，利用实验和Fluent数值模拟方法，对系统启动时阀门开启时间与开阀速度对其上游与下游装置的振动特性和内部流动特性的影响进行了研究。研究表明：充满水状态下启泵使出口压力稳定达到0.25MP所用时间为2s，未充满水状态下启泵使出口压力稳定达到0.25MP所用时间为7s；在阀门开启过程中，泵的振动瞬态变化规律和出口压力的瞬态变化规律具有一致性，阀门以慢速（8s）开启对泵运行的稳定性具有积极作用；以慢速（8s）开阀对阀门下游管道内部的流体特性产生很小影响。

关键词：阀门开速 振动特性 流动特性 Fluent

中图分类号：TH138 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）04（a）-0071-07

反应堆的很多系统是由管道、泵、阀门、电机与介质等相关组成。阀门是反应堆系统中重要的部件，其覆盖反应堆的绝大部分系统。阀门是系统管道流动中的重要控制元件，通过阀门可以改变介质在管路中的流动方向、流体压力、流体速度等流体参数[1-3]。由于阀门开度的瞬态变化，在阀门启闭过程中极易在其上下游产生流量快速变化、压力快速变化、漩涡、二次流、空化等复杂流动状态，这些流体参数和流动状态的产生与发展会最终导致系统中阀芯、泵、管道、电机和其它装置的运行故障[4-7]。因此本文对系统启泵和启泵后阀门开启瞬态过程开展研究具有重要意义。

本文以反应堆的冷却水系统为载体，利用实验和Fluent数值模拟方法，对系统启动时阀门开启时间与开阀速度对其上游与下游装置的振动特性和内部流动特性的影响进行了研究，为制定该系统调试和维修保养过程中阀门操作方法提供重要依据。

1 实验系统与研究内容和方法

1.1 实验系统

本次实验系统示意图如图1所示，实验系统中流体介质为水，泵为单级长轴立式离心泵，泵的启动振动数值应小于1.00mm/s。在整个系统中，介质在泵的作用下，通过管路、调节阀和阀门。实验台如图1所示。

1.2 研究内容和方法

分别在水泵内充满水和未充水的状态下启动泵，采集系统启动瞬态运行的压力表参数。在水泵内未充水的状态下，闭阀启动泵，待壓力稳定后将阀门以慢速（8s）、中速（6s）和快速（4s）的方式开启，采集阀门的在开启过程中系统瞬态运行时的压力表参数和泵振动参数。

1.3 泵的启动试验

在水泵内未充满水的状态下，闭阀启动泵，启动过程的出口压力变化如图2所示。图2为泵出口压力随启动时间的变化规律，在启动过程中的前2s压力在0～0.01MP震荡，虽然泵已启动，但泵仍有短暂失压，启动2s之后出口压力快速增大，直至启动7秒后达到最大压力0.25MP。

在水泵内充满水的状态下，启动泵，启动过程的出口压力变化如图3所示。图3泵出口压力随启动时间的变化规律，在启动过程中的前0.5s出口压力缓慢增加，启动0.5s之后出口压力快速增大，直至启动2秒后稳定达到最大压力0.25MP。

从图2和图3的出口压力随泵的启动时间可以看出，充满水状态下启泵使出口压力稳定达到0.25MP所用时间（2s）少于未充水状态下启泵的所用时间（7s）；充满水状态下启泵前期出口压力振荡小于未充水状态下启泵的振荡，在未充水状态下启泵的振荡并且可能为泵的短时无流量输出时间。

1.4 阀门开启试验

对实验阀门进行开启时间分别为 快速（4s）、中速（6s）、慢速（8s）开启过程的瞬态试验。给出了不同开启速度工况下泵的振动和出口压力瞬态变化的情况。阀门开启速度不同，泵的振动和出口压力瞬态变化的情况也不同。图4、图5、图6分别表示阀门以快速、中速、慢速开启时泵的振动和出口压力瞬态变化规律，图中系列一为出口压力（单位：MP）随阀门开启时间的变化规律，系列二为泵的振动（单位：mm/s）随阀门开启时间的变化规律，阀门是从闭阀出口压力0.25MP调节至开阀出口压力0.20MP。

当阀门快速开启时，泵的振动和出口压力的瞬变规律如图4所示。从图4中曲线可以看出开阀3s内出口压力稳定下降，出口压力从0.25MP～0.22MP，开阀3～4s内出口压力在0.22～0.18MP震荡，4～7s内出口压力在0.18～0.27MP内剧烈震荡，7s之后压力出口从0.23MP平缓降至0.20MP；泵的振动瞬态变化规律和出口压力的瞬态变化规律具有一致性，开阀3s内泵的振动数值从0.20mm/s快速上升到1.00mm/s，开阀3～7s内泵的振动数值在在0.60mm/s至1.60mm/s震荡，超出了泵的要求值（启动振动数值应小于1.0mm/s）；7s之后泵的振动数值从0.60mm/s平缓降至0.40mm/s。

当阀门中速开启时，泵的振动和出口压力的瞬变规律如图5所示。从图5中曲线可以看出开阀4s内出口压力稳定下降，出口压力从0.25～0.21MP，开阀4～8s内出口压力在0.27～0.18MP震荡，8s之后压力出口平缓降至0.20MP；泵的振动瞬态变化规律和出口压力的瞬态变化规律具有一致性，开阀4s内泵的振动数值从0.20mm/s上升到0.50mm/s，开阀4～8s内泵的振动数值在在0.50mm/s至1.30mm/s震荡，超出了泵的要求值，8s之后泵的振动数值平缓降至0.40mm/s。

当阀门慢速开启时，泵的振动和出口压力的瞬变规律如图6所示。从图6中曲线可以看出开阀7s内阀门压力稳定下降，出口压力从0.25～0.21MP，开阀7～10s内出口压力在0.22～0.19MP震荡，10s之后压力出口从0.21MP平缓降至0.20MP；泵的振动瞬态变化规律和出口压力的瞬态变化规律具有一致性，开阀5s内泵的振动数值从0.20mm/s平缓上升到0.30mm/s，开阀5～8s内泵的振动数值快速上升至0.70mm/s，8s之后泵的振动数值从0.70mm/s平缓降至0.40mm/s。

从图4、图5和图6泵的振动和出口压力的瞬变规律可以看出，泵的振动瞬态变化规律和出口压力的瞬态变化规律具有一致性；开阀速度越快，泵的振动瞬态变化和出口压力的瞬态变化越剧烈。阀门开启过程中流动介质突然发生变化导致压力和振动突变，形成压力波沿管道传播，进而使系统受到瞬时高低压的冲击，瞬时高压将会产生振荡流动，而瞬时低压又有可能产生空穴，发生汽蚀。瞬变强度不大时，整个系统会很快恢复到稳定状态。但当阀门以快速、中速开启时泵的振动超出了泵的要求值，如果系统运行在超过危险限制的条件下，加之调节不当，系统将处于强瞬变状态。强瞬变发生时，轻则影响设备的使用寿命，重则会使设备受到损坏，进而造成运行中断，严重时还会发生事故。总之阀门以慢速开启对系统运行的稳定性具有积极作用。

2 数值计算

基于实验参数设定边界条件，在系统需求的阀门的开度下，利用Fluent软件对阀门下游管路进行了稳态和瞬态工况下的数值模拟，分析了此开度对内部流动特性的影响。在进行阀门不同开度下瞬态和稳态过程数值计算时，根据实验数据设定边界条件。数值计算过程如下，网格质量大于0.9，湍流模型的选择：RNG k-ε模型；计算域：阀门进口前端 3D（D 为阀门公称直径）至阀后20D的流动区域；边界条件：稳态采用压力入口和压力出口边界条件；瞬态仿真采用压力入口和压力出口边界条件，压力入口条件如图7，y=0.0055x+0.2541（x为阀门开启时间，y为此时的压力入口输入量）。

2.1 稳态计算结果分析

本文对阀门下游管道进行了流场分析，得到了相应的流场特性。本文只呈现了流场速度分布和压力分布，如图8中a、b所示，蝶板邊缘与阀座密封圈之间的间隙很小，流体的速度增大、压力降低，产生喉口效应；喉口效应导致蝶板边缘的前后均产生强烈的涡流，导致蝶板附近以及轴颈处流动紊乱、流速方向急剧变化如图8中c所示。当流体绕流过蝶板边缘以后在阀门的下游形成涡流动，到10倍管径处，流体趋于平稳如图8中d所示。

2.2 瞬态计算结果分析

本文对阀门下游管道进行了瞬态流场分析，图3瞬态变化的速度分布，稳态工况与阀开启慢速开启时压力变化规律为压力入口时的瞬态工况模拟流场进行比较，从流场云图可以看到，阀门下游形成的漩涡，在入口压力的变化下，其状态有所差异，尤其最初时所形成的漩涡；随着压力的降低可以发现速度云图分布规律及分布趋势基本相同，都在此时逐渐形成内部低压高速流动区域，该区域的产生与宏观特性上趋势的拐点的产生基本一致，表现出了较强的一致性。

3 结语

（1）充满水状态下启泵使出口压力稳定达到0.25MP所用时间为2s，未充满水状态下启泵使出口压力稳定达到0.25MP所用时间为7s；充满水状态下启泵未充水状态下启泵的振荡。

（2）在阀门开启过程中，泵的振动瞬态变化规律和出口压力的瞬态变化规律具有一致性；开阀速度越快，泵的振动瞬态变化和出口压力的瞬态变化越剧烈，总之阀门以慢速（8s）开启对系统运行的稳定性具有积极作用。

（3）稳态工况与阀门慢速开启时压力变化规律为压力入口时的瞬态工况模拟流场在初期其流场有所差异，随着压力的降低可以发现速度云图分布规律及分布趋势基本相同，说明了以慢速开阀对阀门下游管道内部的流体特性没有很大影响。

参考文献

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