吳志強(qiáng)，陶磊，李國明，楊曉偉，孫潛

（1.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海200092；2.國電浙江北侖第一發(fā)電有限公司，浙江寧波315800）

600 MW機(jī)組主汽調(diào)節(jié)閥組CFD流場分析及降壓損改進(jìn)

吳志強(qiáng)1，2，陶磊2，李國明1，2，楊曉偉1，2，孫潛2

（1.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海200092；2.國電浙江北侖第一發(fā)電有限公司，浙江寧波315800）

某600 MW發(fā)電機(jī)組自投產(chǎn)以來汽輪機(jī)高壓主汽調(diào)節(jié)閥組存在壓力損失偏大的問題。通過計(jì)算流體動力學(xué)CFD技術(shù)對閥組進(jìn)行建模計(jì)算分析，并根據(jù)現(xiàn)場條件進(jìn)行改造，有效解決了高壓閥組壓力損失大的問題，取得了明顯的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益。

高壓主汽調(diào)節(jié)閥組；CFD數(shù)據(jù)模擬；流場分析；600 MW

汽輪機(jī)的高壓主汽調(diào)節(jié)閥組（簡稱高壓閥組）用于調(diào)節(jié)機(jī)組的進(jìn)汽量，以滿足不同工況的需求，從而改變其功率或轉(zhuǎn)速。其工作原理是通過閥門通流面積的改變獲得不同的蒸汽流量，所以難以避免存在節(jié)流損失。在汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)中，通常用總壓損失系數(shù)（ξ，閥組前后的壓降較閥前壓力的百分比）來表征閥組的節(jié)流損失。在發(fā)電廠運(yùn)行中，為了保證機(jī)組效率，應(yīng)當(dāng)關(guān)注高壓閥組的節(jié)流損失，當(dāng)發(fā)現(xiàn)總壓損失系數(shù)較大（ξ＞5%）時，應(yīng)當(dāng)設(shè)法加以降低。

1 設(shè)備概況

某600 MW發(fā)電機(jī)組汽輪機(jī)的高壓閥組由2個主汽閥和4個調(diào)節(jié)汽閥組成，主蒸汽通過2根蒸汽管道由2個主汽閥送入調(diào)節(jié)汽閥，1個主汽閥帶2個調(diào)節(jié)汽閥。4個調(diào)節(jié)汽閥合用1個閥殼，其2個進(jìn)汽口又分別與2個主汽閥出口焊接，使主汽閥殼體與調(diào)閥殼體連在一起。閥門由吊架支撐，布置在汽機(jī)運(yùn)行層下方。

根據(jù)高壓閥組壓損試驗(yàn)結(jié)果，該高壓閥組總壓損失系數(shù)ξ在額定負(fù)荷3VWO（三閥全開）時高達(dá)7.79%（理想水平3%～5%）。高壓閥組壓損高問題已嚴(yán)重影響了機(jī)組的整體性能，必須對高壓閥組進(jìn)行全面的技術(shù)改造，以降低壓損，提高機(jī)組性能。

2 數(shù)值計(jì)算方法與建模

由于高壓閥組內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受研究手段限制，不易通過理論計(jì)算準(zhǔn)確得到閥門流量特性。近年來，隨著CFD（計(jì)算流體動力學(xué)）和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，采用數(shù)值模擬手段研究其內(nèi)部的復(fù)雜流動成為可能。數(shù)值模擬手段不僅可以節(jié)約大量的人力和資金，更可以模擬和捕捉到調(diào)節(jié)閥真實(shí)工作狀況下內(nèi)部流場以及參數(shù)的變化和分布規(guī)律，進(jìn)而改進(jìn)其內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)，降低流動損失，最終改善閥組的經(jīng)濟(jì)性。

2.1 高壓閥組的數(shù)值計(jì)算方法

計(jì)算采用三維雷諾平均守恒型Navier-Stokes方程，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε,方程的離散采用二階差分格式。邊界條件按設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)給定，進(jìn)口邊界條件給定進(jìn)口流量G0和總汽溫T0，出口邊界條件為靜壓P1。壁面按絕熱處理，壁面附近粘性支層的處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法。

根據(jù)高壓閥組的結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部的流動特性可以看出閥組內(nèi)部流動是典型的三維紊流。采用數(shù)值求解三維Navier-Stokes方程來模擬閥內(nèi)的內(nèi)部流動過程。

高壓閥組內(nèi)部流動的控制方程可統(tǒng)一由式（1）描述：

將上式對不同變量采用張量的形式展開，轉(zhuǎn)換為能量守恒方程，見式（2）：

式中：p是靜壓；τij是應(yīng)力張量；i，j為方向變量。

湍流是一種高度復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)三維不規(guī)則運(yùn)動，湍流中流體的各種物理參數(shù)，如速度、溫度、壓力等都是隨時間和空間發(fā)生隨機(jī)變化。湍流流動與換熱的數(shù)值計(jì)算，是目前計(jì)算流體力學(xué)和計(jì)算傳熱學(xué)中困難最多的部分，因而其研究也是最為活躍的領(lǐng)域之一。目前比較成熟的有k-ε模型，但標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型適用于計(jì)算高雷諾數(shù)湍流流動，根據(jù)高壓閥組內(nèi)部汽流流動條件，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。由壁面向外分為粘性底層區(qū)、過渡區(qū)，使用壁面函數(shù)法進(jìn)行處理。

2.2 高壓閥組數(shù)值計(jì)算和邊界條件的確定

在數(shù)值分析過程中，運(yùn)用Pro ENGINEER對高壓閥組進(jìn)行全尺寸、三維幾何建模。因閥組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，根據(jù)流態(tài)變化的快慢和流道曲率變化的網(wǎng)格函數(shù)對閥組進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。高壓閥組的網(wǎng)格單元數(shù)因升程的不同也有所差異，一般為300萬個左右。

把高壓閥組的進(jìn)口設(shè)為流量邊界條件，出口為壓力邊界條件。需要說明的是，由于各閥門出口靜壓無法準(zhǔn)確地分別給出，把閥門出口壓力假設(shè)為同一出口壓力，相當(dāng)于把閥門出口看成一個很大的腔室，調(diào)節(jié)閥各出口管道的汽流進(jìn)入腔室中最終達(dá)到壓力平衡。這雖然與閥門的實(shí)際工作情況有一定的差異，但作為對比不同閥門的壓損系數(shù)和流量特性的優(yōu)劣，這種方法是合理的。

在計(jì)算中先按常規(guī)閥門的壓損假定一個出口靜壓，當(dāng)計(jì)算收斂后可得到進(jìn)口總壓和靜壓等參數(shù)。計(jì)算得到的進(jìn)口總壓和靜壓與實(shí)際運(yùn)行參數(shù)相差較大時，重新輸入1個出口靜壓，并進(jìn)行計(jì)算，直到計(jì)算出的進(jìn)口總壓和靜壓與實(shí)際運(yùn)行參數(shù)相差較小時，該工況的計(jì)算完成。

計(jì)算中采用實(shí)際過熱蒸汽作為工質(zhì)，使計(jì)算結(jié)果更接近真實(shí)情況。邊界參數(shù)選用機(jī)組三閥點(diǎn)、額定參數(shù)，詳見表1。

表1 汽輪機(jī)進(jìn)口蒸汽邊界參數(shù)

3 原高壓閥組的數(shù)值計(jì)算及結(jié)果分析

通過CFD數(shù)值計(jì)算及結(jié)果分析，得到了高壓閥組總壓損失系數(shù)和流場分布，計(jì)算得出的總壓損失系數(shù)為7.70%，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)7.79%具有良好一致性，也反證了數(shù)學(xué)模型的正確性。同時對閥組的流場特性有了更深刻的認(rèn)識，為高壓主汽閥組的選型和閥門的結(jié)構(gòu)、流場優(yōu)化提供依據(jù)。速度流線及調(diào)節(jié)汽閥截面速度、總壓分布情況如圖1—3所示，圖中濃淡分布表示不同的數(shù)值大小，可參照縱坐標(biāo)。

從圖1—3可以看出，高壓主汽閥與高壓調(diào)節(jié)閥之間的連通管中主流區(qū)的速度約90 m/s，高壓調(diào)節(jié)汽閥出口管段主流區(qū)的流速約160 m/s，高壓調(diào)節(jié)汽閥出口管段呈現(xiàn)了明顯的螺旋渦流動狀態(tài)，在管段的中心部分流速較低，部分調(diào)節(jié)汽閥出口管段中形成了“空洞”，使有效的通流面積變小，總壓較低的位置集中在中心部位，這說明汽流流經(jīng)高壓調(diào)節(jié)汽閥后在閥碟中心部位的壓力損失最大，脫流比較嚴(yán)重，此區(qū)域的壓力損失較大。

在出口管段形成“空洞”的主要原因是高壓閥組的設(shè)計(jì)不合理，調(diào)節(jié)汽閥閥碟與閥座采用錐形閥而非同類型閥組使用的球形閥，而且閥芯為平底，調(diào)節(jié)汽閥芯與閥座所組成的通流面積比閥座的喉部面積要小很多，比值約為0.65。流場的最小面積不在喉部，且調(diào)節(jié)汽閥進(jìn)口管處的過渡圓弧型線設(shè)計(jì)不合理，沒有起到充分的導(dǎo)流作用，再加上閥座喉部后部無擴(kuò)散段，引起了高壓調(diào)節(jié)汽閥內(nèi)部蒸汽流量異?；靵y，高速汽流產(chǎn)生的強(qiáng)大渦流造成大量的能量耗散，導(dǎo)致總壓損失系數(shù)較大。

圖1 速度流線分布

圖2 調(diào)節(jié)汽閥某截面速度矢量分布

圖3 調(diào)節(jié)汽閥某截面總壓分布

4 新高壓閥組的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

由于原高壓閥組設(shè)計(jì)存在較多不合理之處，僅更換閥內(nèi)件可能會有效果，但要達(dá)到壓損系數(shù)3%左右的國內(nèi)先進(jìn)水平還是有很大困難；其次，在原閥組閥殼不變的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良，現(xiàn)場工作量較大，施工難度較大，而且費(fèi)用較高。綜合考慮后，選擇將高壓閥組整體更換。

4.1 新高壓閥組的設(shè)計(jì)

新高壓閥組在設(shè)計(jì)中使用與原高壓閥組流場分析相同等級的數(shù)學(xué)模型及同樣的計(jì)算方法，加上進(jìn)出口管道接口的邊界條件，根據(jù)原高壓閥組數(shù)值計(jì)算及分析結(jié)果，有的放矢地進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要改進(jìn)措施如下：

（1）將高壓調(diào)節(jié)汽閥閥芯由錐型改為球型；

（2）優(yōu)化調(diào)節(jié)汽閥進(jìn)口圓弧段；

（3）增加高壓調(diào)節(jié)汽閥出口管擴(kuò)散段；

（4）由于機(jī)組改造增容的要求，適當(dāng)擴(kuò)大了閥座喉部通徑，進(jìn)一步降低了蒸汽流速。

新設(shè)計(jì)的高壓閥組Y69 3VWO時的總壓損系數(shù)計(jì)算值為3.56%，流場分析如圖4—6所示。

圖4 Y69閥組速度流線分布

從圖中可以看出高壓主汽閥與高壓調(diào)節(jié)汽閥之間的連通管主流區(qū)的速度約為45 m/s，而高壓調(diào)節(jié)汽閥出口管段主流區(qū)的流速約為125 m/s，汽流在高壓調(diào)節(jié)汽閥中的流動比較均勻。說明高壓調(diào)節(jié)汽閥進(jìn)口段過渡圓弧型線設(shè)計(jì)合理，有較好的導(dǎo)流作用。汽流在高壓調(diào)節(jié)汽閥出口管段中流動比較均勻，沒有螺旋渦存在，所以汽流的能量耗散也較小。由圖6可以看到，從高壓調(diào)節(jié)汽閥的進(jìn)口到出口，總壓變化較小，調(diào)節(jié)汽閥出口管段總壓分布比較均勻，出口管段中心區(qū)域沒有類似原閥組的“空洞”存在，所以整個閥組的總壓損失系數(shù)也較低。

圖5 Y69閥組調(diào)節(jié)汽閥某截面速度矢量分布

圖6 Y69閥組調(diào)節(jié)汽閥某截面總壓分布

4.2 高壓閥組改造前后的壓損對比

在該機(jī)組大修中進(jìn)行了高壓閥組的改造，使用了新設(shè)計(jì)的Y69型高壓閥組。改造后對高壓閥組進(jìn)行了壓損試驗(yàn)，從試驗(yàn)結(jié)果看，在各工況下總壓損系數(shù)都在3%～3.5%，壓損比改造前大幅下降，保證了較好的經(jīng)濟(jì)性，見表2。

5 結(jié)語

采用CFD數(shù)值模擬手段，對總壓損失系數(shù)過大的某600 MW機(jī)組高壓主汽閥、調(diào)節(jié)汽閥進(jìn)行流場分析，并對高壓閥組進(jìn)行了改型，最終達(dá)到了預(yù)期的目的。

隨著計(jì)算機(jī)水平以及CFD技術(shù)的不斷發(fā)展完善，利用數(shù)值模擬方法對工程問題進(jìn)行分析已成為趨勢。通過CFD數(shù)值模擬與現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，為解決汽輪發(fā)電機(jī)組高壓閥組總壓損失系數(shù)較大問題，提供了一種新的分析思路。

表2 改造前后高壓閥組總壓損失系數(shù)對比

[1]高怡秋，周振東，張李偉．基于CFD的蒸汽調(diào)節(jié)閥流量特性研究之一[J]．汽輪機(jī)技術(shù)，2011，53（5）∶328－330．

[2]相曉偉，毛靖儒．汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥全工況三維流場特性的數(shù)值研究[J]．西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，40（3）∶289－293．

[3]胡志君，美文群．綜合分析調(diào)節(jié)閥可壓縮流體流量系數(shù)計(jì)算公式[J]．煉油化工自動化，1991（3）∶70－75．

[4]相曉偉，毛靖儒，孫弼．汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)的新思路[J]．熱能動力工程，2006，21（3）∶235－239．

[5]徐克鵬，蔡虎．大型汽輪機(jī)主汽調(diào)節(jié)閥的試驗(yàn)與數(shù)值分析[J]．動力工程，2003，23（6）∶2785－2789．

（本文編輯：陸瑩）

Analysis on CFD Flow Field of Main Steam Control Valves in 600 MW Steam Turbine and Improvement of Pressure Loss Reduction

WU Zhiqiang1，2，TAO Lei2，LI Guoming1，2，YANG Xiaowei1，2，SUN Qian2
（1.School of Mechanical Engineering of Tongji University，Shanghai 200092，China；2.Guodian Zhejiang Beilun No.1 Power Generation Co.，Ltd.，Ningbo Zhejiang 315800，China）

The pressure loss of high-pressure main steam control valves of 600 MW steam turbine is great since the operation.By modeling of valves for calculation and analysis based on CFD（computer fluid dynamics）method and in combination with field practice，the valves are retrofitted，which effectively solves the problem of the great pressure loss of the valves and achieves significant energy savings and economic benefits.

high-pressure main steam control valves；CFD data simulation；flow field analysis；600 MW

TK263.5

：B

：1007-1881（2014）03-0042-04

2013-07-28

吳志強(qiáng)（1983-），男，江西南康人，工程師，長期從事發(fā)電廠檢修、設(shè)備技術(shù)管理工作。