核电机组给水泵最小流量阀布置位置对阀门空化的影响

2020-02-14祝欣慰颜炳良

仪器仪表用户 2020年2期

祝欣慰，颜炳良

（1.国核电力规划设计研究院有限公司，北京 100095；2.重庆川仪调节阀有限公司，重庆 400707）

0 引言

泵在水量很小的情况下运行时，水在泵体内长期受叶轮的摩擦发热而使水温升高。当水温升高到一定程度后就会发生汽化，形成汽蚀。为保证主给水泵组所需的最小流量，避免发生汽蚀，核电机组在主给水泵出口与除氧器之间设置给水再循环管路。再循环管路上设有给水泵最小流量阀来控制再循环管路的流量。在机组启动、运行或停机等各种工况下，给水泵最小流量阀都应该和主给水泵流量保持联锁关系并自动调节开度，保证通过主给水泵组的流量不小于其所需的最小流量。

其所在管系的工艺系统特点，在电站运行过程中给水泵最小流量阀内工质很容易产生空化现象，造成阀内件及密封面的损坏，并引起阀门及相连管道的振动及噪声[1-3]。因此，本文主要研究最小流量阀布置位置对阀门空化产生的影响。

1 最小流量阀空化产生原理

调节阀空化产生过程如下：调节阀前液体压力为P1，调节阀后液体压力为P2，液体工作温度对应的饱和压力为Pv。当液体流过调节阀节流处时，由于通流面积减小造成流速升高，液体压力在节流处及其下游降低到低于该液体工作温度对应的饱和蒸汽压Pv。随着调节阀下游流通面积的增大，流道内的流速降低、压力逐渐升高，当压力升高到大于工作温度下的饱和蒸汽压时，气泡逐渐溃裂破灭为液体，在液体中生成气泡并溃灭的过程被称为空化。调节阀内产生的空化对调节阀的阀芯及其部件造成严重的冲刷和损坏，在调节阀的阀芯及其附属部件的表面出现点蚀和材料缺失等现象[4]。流动过程中压力和流速变化图如图1所示。

由于给水泵出口压力较高，除氧器压力较低，所以给水泵最小流量阀前后压差较大，且该阀门内工质温度为除氧器压力下饱和温度，阀后压力比除氧器压力略高，但基本接近除氧器压力。因此，阀门最后一级节流件内工质很容易出现空化，从而引起对阀内件及密封面的损坏，同时产生振动和噪声。

消除调节阀空化的方法主要有以下3 个方面：1）第一种方法是通过控制压力降来消除空化。如果通过阀门的压力降经过控制而使得局部压力不会低于饱和蒸汽压力，那么蒸汽气泡就不会形成，没有蒸汽气泡的破裂，也就不会产生空化。这种方法主要集中于对阀门内件结构的研究，使用多级降压内件，把通过阀门的压降分成数个较小的压降，每一个较小压降都确保其缩流断面处的压力大于蒸汽压力；2）第二种方法是尽可能减小或隔离其破坏。这种方法的目标是把空化与阀内表面隔离开来，并硬化那些会受到冲击的表面。如在受冲蚀严重的部件使用高硬度合金或不锈钢材质，或在部件表面喷镀硬质合金层；3）第3 种方法是以某种方式改变工艺系统或布置，将阀后压力P2 升高以致于缩流断面处的压力不会降到饱和蒸汽压力以下，那么空化就可以避免了。如在阀门下游管路增加限流孔板来提高阀后压力。以往学者对最小流量阀空化的研究多集中在多级笼罩或多级迷宫盘式阀内件结构的研究[5-8]、耐冲蚀材质研究[9-11]及阀后增加节流孔板[12]研究。本文主要对最小流量阀布置位置进行分析研究，通过将阀门移到下游处具有一定静压头的位置来提高阀后压力，从而消除最小流量阀空化的产生。

2 最小流量阀高低位布置方案

由于给水泵最小流量阀很容易产生空化，使阀后管道极易出现汽水两相流，对阀后管道产生冲蚀。为减小汽水两相流对阀后管道冲蚀的影响，通常将给水最小流量阀布置在除氧器上方再循环接口附近且阀后管道尽量短。此布置方案为最小流量阀高位布置方案，由于最小流量阀标高高于除氧器液位且阀后管道很短，阀后压力基本等于除氧器压力。某核电机组给水再循环系统流程示意图如图2 所示。

图3 最小流量阀高位布置示意图Fig.3 Schematic diagram of the recirculation valve height arrangement

图4 最小流量阀低位布置示意图Fig.4 Schematic diagram of the low-position arrangement of the recirculation valve

图5 最小流量阀高位布置模型Fig.5 Model of the recirculation valve height arrangement

图6 最小流量阀低位布置模型Fig.6 Low-position layout model of the recirculation valve

由最小流量阀空化产生的原理可知，通过工艺或布置修改使阀后压力P2 升高有助于消除阀门的空化问题。通过修改最小流量阀布置位置，将最小流量阀及前后隔离阀布置于除氧层地面上，使其低于除氧器液面标高，并将除氧器再循环接口由除氧器上方进水改为底部进水。由于除氧器液位与最小流量阀存在一定的高差，此时在最小流量阀后建立一段静水柱压差。此方案为最小流量阀低位布置方案。最小流量阀高位布置方案及低位布置方案分别如图3、图4 所示。

3 最小流量阀高低位布置对阀门空化的影响

3.1 最小流量阀工作参数计算

某核电机组给水系统配置3 台33.3%电动定速给水泵组。额定工况下单台给水泵组流量2717t/h，扬程877m H2O，泵组所需最小流量890t/h。额定工况下除氧器运行压力1.026MPa.a，温度181℃。除氧器正常液位标高约23.5m，给水泵组中心线标高约-7.5m。高位布置方案最小流量阀标高约26.5m，低位布置方案最小流量阀标高约20m。

根据给水再循环管道布置，针对高低位布置分别建立流体力学计算模型，计算最小流量下最小流量阀前后压差。使用AFT Fathom 软件进行建模计算，模型如图5、图6 所示。

两种布置方案计算结果见表1。由表1 可以看出，低位布置由于在最小流量阀后建立一段静水柱压差，阀后压力提高了约0.04MPa。

3.2 最小流量阀空化数值模拟计算

图7 迷宫式最小流量阀整体三维模型Fig.7 Overall 3D model of labyrinth recirculation valve

图8 迷宫式最小流量阀阀内件示意图Fig.8 Schematic diagram of labyrinth type recirculation valve trim

表1 最小流量阀高低位布置计算结果表Table 1 Calculation results of the high and low position of the recirculation valve

针对该核电机组给水泵组工作参数，研发了一种多级迷宫式最小流量阀。该迷宫式调节阀阀内件是由多层金属盘片经真空钎焊而成。所有迷宫盘片表面，通过电火花切割成多级节流槽。阀门入口高压给水流经一系列的直角弯道，由于其强大的流阻作用，使流速得到完全地控制，整个阀门的压降由多级节流槽逐级分担。由于每一级节流槽压降较小，在其节流过程中局部最大压降也相应减小，从而提高整个节流过程中的给水最小局部压力，可以大大缓解最小流量阀中极易出现的空化、振动和噪声问题。该最小流量阀整体三维模型如图7 所示，迷宫式阀内件示意图如图8 所示。

利用Solidworks 三维实体建模软件，进行最小流量阀内部流道三维建模。三维模型主要有阀体流道和迷宫式节流件流道组成。用CFD 进行数值模拟，介质和边界条件按照表1 中数据进行设置。在定常条件下，采用三维不可压缩流体的N-S 方程和标准k-ε 湍流模型。使用CFD 前处理软件进行三维模型网格划分，将生成的网格导入CFD 软件，并设置相关边界条件。分别针对最小流量阀高低位布置两种方案进行模拟计算。由于最小流量阀前压力较高，远高于除氧器温度对应的饱和压力。因此，空化最可能发生在最后一级或两级节流槽内。模拟计算结果如图9、图10 所示。

由计算结果可以看出，高位布置最小流量阀最后一级流道转角处出现了空化，而低位布置最后一级并没有产生空化。计算结果表明，低位布置由于在最小流量阀后建立一段静水柱压差从而使阀后压力比高位布置提高了约0.04MPa，阀后压力的提高加上迷宫式节流槽分级降压作用，可以消除最小流量阀的空化产生。