何慶中，郭 斌，陳雪峰，王渝皓，王永斌

HE Qing-zhong1, GUO Bin1, Chen Xue-feng2, WANG Yu-hao1, WANG Yong-bin1

（1.四川理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，自貢 643000；2.華夏閥門(mén)有限公司，自貢 643000）

0 引言

超超臨界電站鍋爐高溫減壓調(diào)節(jié)閥等高端關(guān)鍵閥門(mén)主要集中應(yīng)用在鍋爐島、汽機(jī)島和四大管路系統(tǒng)上（主蒸汽管道、主給水管道、再熱器冷段與熱段管道、汽機(jī)各段抽汽管道及高低壓旁路系統(tǒng)管道）。目前主要被歐美日少數(shù)幾個(gè)國(guó)家所壟斷，特別是600MW、1000MW 超(超)臨界機(jī)組關(guān)鍵調(diào)節(jié)控制閥門(mén)產(chǎn)品還主要依賴(lài)進(jìn)口。依據(jù)國(guó)家能源局《超超臨界火電機(jī)組關(guān)鍵閥門(mén)國(guó)產(chǎn)化實(shí)施方案》（國(guó)能科技[2010]335號(hào)）精神和《關(guān)于超超臨界火電機(jī)組關(guān)鍵閥門(mén)國(guó)產(chǎn)化工作會(huì)議紀(jì)要》（國(guó)能科技[2010]392號(hào)）要求，國(guó)內(nèi)四大電站閥門(mén)企業(yè)均致力于進(jìn)行超超臨界配套用關(guān)鍵閥門(mén)系列產(chǎn)品的研發(fā)工作，部分關(guān)鍵調(diào)節(jié)控制閥門(mén)產(chǎn)品相續(xù)在五大超超臨界火電機(jī)組依托工程項(xiàng)目得到了推廣應(yīng)用。由于超超臨界調(diào)節(jié)閥門(mén)工況多為高溫、高壓、大流量，調(diào)節(jié)閥及管配系統(tǒng)內(nèi)部流場(chǎng)及其不穩(wěn)定，這在一定程度上影響發(fā)電鍋爐配汽系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。在該類(lèi)調(diào)節(jié)閥研制初期，受實(shí)驗(yàn)條件的限制，目前所研制的調(diào)節(jié)閥及管配系統(tǒng)只能通過(guò)示范工程電站機(jī)組試運(yùn)行方式對(duì)其調(diào)節(jié)性能和流體特性開(kāi)展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究。高溫、高壓、大流量調(diào)節(jié)閥及管配系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中產(chǎn)生空化氣蝕現(xiàn)象較為常見(jiàn)，也是引起該類(lèi)閥門(mén)及管配系統(tǒng)失效的主要原因之一。由于電站鍋爐調(diào)節(jié)閥及管配系統(tǒng)的工況的特殊性，開(kāi)展該類(lèi)調(diào)節(jié)閥及管配系統(tǒng)的兩相空化流場(chǎng)特性數(shù)值模擬是非常必要的。

1 問(wèn)題的提出

針對(duì)國(guó)產(chǎn)化電站鍋爐361調(diào)節(jié)閥在某火電機(jī)組110小時(shí)試運(yùn)行中出現(xiàn)管配三通盲板空蝕汽蝕被擊穿的問(wèn)題，經(jīng)檢查調(diào)節(jié)閥閥芯、閥座均無(wú)沖刷磨損現(xiàn)象，密封元件無(wú)損壞；管配三通盲板在升負(fù)荷至直流負(fù)荷階段被蝕穿（如圖2所示）。經(jīng)分析該361調(diào)節(jié)閥在開(kāi)度的13.5%的工況條件下，高溫介質(zhì)流將流經(jīng)較小截面的喉口。根據(jù)文丘里效應(yīng)，介質(zhì)流過(guò)喉口時(shí)壓力會(huì)急劇的減小，在溫度不變的下，壓力減小將使流經(jīng)喉口的部分蒸汽汽化。分析閥門(mén)進(jìn)出口條件可知，在進(jìn)、出口壓力比值超過(guò)10倍以上時(shí)流體處于極端情況，勢(shì)必在低壓區(qū)域出現(xiàn)強(qiáng)烈的汽化現(xiàn)象而使得局部區(qū)域密度發(fā)生變化。氣泡的產(chǎn)生會(huì)影響閥門(mén)的流通能力，還使得原來(lái)不溶于蒸汽介質(zhì)的氣體也會(huì)隨之溶入產(chǎn)生空泡，其流動(dòng)狀態(tài)十分紊亂。汽液混合流動(dòng)是一種典型的湍流，當(dāng)空泡潰滅時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的瞬時(shí)壓強(qiáng)和沖擊波，如果空泡的潰滅發(fā)生在閥體和管壁壁面附近，則會(huì)對(duì)壁面產(chǎn)生極大的破壞，同時(shí)也將影響節(jié)流后兩相流的穩(wěn)定流態(tài)的恢復(fù)，這種現(xiàn)象在工程上稱(chēng)之為空化現(xiàn)象。由于空化現(xiàn)象是種瞬時(shí)的、微觀的，具有很大的隨機(jī)性，其在流動(dòng)中極為復(fù)雜，數(shù)值模擬也存在很大的難度。

由此可以得出管配三通盲板空蝕汽蝕被擊穿的問(wèn)題，是由調(diào)節(jié)閥節(jié)流降壓后存在較為嚴(yán)重的氣蝕空化現(xiàn)象，加之該管配系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的穩(wěn)態(tài)過(guò)渡管段過(guò)于偏短，使得節(jié)流降壓的兩相流體在到達(dá)管配三通盲板處時(shí)存在垂直向的空蝕腐蝕，三通盲板被蝕穿難于避免?；谶\(yùn)行試驗(yàn)檢測(cè)，閥門(mén)內(nèi)件不存在氣蝕腐蝕，三通盲板被蝕穿屬于低壓端管配系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理所致。

圖1 361調(diào)節(jié)閥

圖2 管配三通盲板空蝕汽蝕圖

2 流體空化控制理論

2.1 流體控制基本方程

流體分析常用的有拉格朗日法和歐拉法，二者都將流體微團(tuán)作為分析的微觀對(duì)象。流體力學(xué)數(shù)學(xué)描述是建立在所遵循的物理規(guī)律上，即質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律、動(dòng)量守恒定律，三大定律方程為：

1）質(zhì)量守恒方程

質(zhì)量守恒方程又稱(chēng)為連續(xù)性方程，即單位時(shí)間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加等于同一時(shí)間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量[4]。

2）動(dòng)量守恒方程

上式對(duì)于任何的流體都適用，其中p是流體微元體上的壓力，τxy，τyy，τxz等是由于粘性作用產(chǎn)生在微元體表面上的粘性應(yīng)力的分量，F(xiàn)x，F(xiàn)y，F(xiàn)z為微元體上的體力。

3）能量守恒方程

其中，cp是比熱容，T為溫度，k為流體的傳熱系數(shù)，ST為粘性耗散項(xiàng)。

2.2 空化物理模型方程

Fluent提供了完全空化的三種物理模型方程三種模型即Singhal et al模型；Zwart- Gerber-Belamri模型；Schnerr and Sauer模型，以及另外兩種其他模型。在空化模型中還給出了質(zhì)量輸運(yùn)方程，依據(jù)氣泡動(dòng)力學(xué)方程引入質(zhì)量轉(zhuǎn)換，從而能更好的模擬兩相在空間真實(shí)的分布。

1）氣泡動(dòng)力學(xué)方程

式中忽略了液相表面張力相，lρ 表示液相的密度，PB表示氣泡表面壓力，P表示遠(yuǎn)場(chǎng)壓，SRB表示氣泡半徑。

2）氣相輸運(yùn)方程

2.3 Schner and Sauer Model定義輸運(yùn)方程

3 調(diào)節(jié)閥及管配系統(tǒng)空化特性分析計(jì)算

3.1 分析計(jì)算結(jié)構(gòu)模型的建立

依據(jù)調(diào)節(jié)閥及管配系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其流體區(qū)域具有較好的對(duì)稱(chēng)性，空化特性分析計(jì)算可簡(jiǎn)化為二維平面模型，如圖3所示。利用ICEM對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于喉口部分流場(chǎng)特性復(fù)雜，對(duì)該部分進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理，如圖4所示。

圖3 流體部分二維圖

圖4 流體部分二維網(wǎng)格

3.2 流體動(dòng)力學(xué)模型的確定

Fluent提供的流體湍流模型為：?jiǎn)畏匠蹋⊿palar-Allmaras）模型，雙方程模型（標(biāo)準(zhǔn)k ε- 模型、重整化群k ε- 模型、可實(shí)現(xiàn)k ε- 模型）及雷諾應(yīng)力模型和大渦模擬[6]。其中可實(shí)現(xiàn)k ε- 模型適用的范圍較廣，對(duì)于剪切流、自由流、邊界流等模擬的效果都比較好，故本研究采用可實(shí)現(xiàn)k ε- 動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行分析研究。

3.3 工況條件

該361調(diào)節(jié)閥及管配系統(tǒng)在開(kāi)度13.5%的工況條件下，進(jìn)口壓力12.77Mpa，質(zhì)量流201.6t/h，工作溫度325℃（598K）。查取飽和蒸汽水表可知，在此種狀態(tài)下介質(zhì)為低于350℃的飽和蒸汽水，同時(shí)介質(zhì)處于臨界邊線(xiàn)附近，在溫度不變的情況下壓力的微小變化都會(huì)引起介質(zhì)狀態(tài)的變化。

4 空化特性數(shù)值模擬及結(jié)果分析

4.1 閥門(mén)的流通能力計(jì)算

流通能力是調(diào)節(jié)閥的基本性能要求，也是評(píng)價(jià)其調(diào)節(jié)特性設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。根據(jù)通用閥門(mén)流量系數(shù)和流阻系數(shù)計(jì)算方法（JB/T-5296-91），結(jié)合上述分析計(jì)算結(jié)構(gòu)模型，以常溫水為介質(zhì)，進(jìn)出口壓差為35Kpa，采用Fluent分析計(jì)算該調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)和流阻系數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律如圖5、圖6所示。

圖5 閥門(mén)不同開(kāi)度下流量系數(shù)

圖6 閥門(mén)不同開(kāi)度下的流阻系數(shù)

從圖5可以看出，在不同開(kāi)度條件下流量系數(shù)曲線(xiàn)基本呈線(xiàn)性變化，達(dá)到調(diào)節(jié)閥（361）的設(shè)計(jì)要求；從圖6可以看出，在開(kāi)度13%以下流阻系數(shù)較大，開(kāi)度超過(guò)30%以后流阻系數(shù)趨近平穩(wěn)，表明調(diào)節(jié)閥及管配系統(tǒng)在開(kāi)度13.5%的工況條件流通能力存在一定得波動(dòng)性。盡管如此，其結(jié)果較好的達(dá)到了調(diào)節(jié)閥（361）設(shè)計(jì)的要求。

4.2 改進(jìn)前閥門(mén)及管配系統(tǒng)空蝕特性計(jì)算

如前所述，閥門(mén)及配管系統(tǒng)三通盲板被蝕穿時(shí)開(kāi)度為13.5%，進(jìn)口壓力12.77Mpa，質(zhì)量流201.6t/h，工作溫度325℃（598K）。 將其工況條件作為加載參數(shù)，以3.1、3.2所述計(jì)算模型和動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，采用Fluent進(jìn)行分析計(jì)算得到其流速分布和氣液空化分布規(guī)律如圖7、圖8所示。

圖7 閥門(mén)模擬速度云圖

圖8 工況下汽液分布（紅色為汽相）

從圖7可以看到，部分介質(zhì)流沿管壁高速流向三通盲板處，在盲板轉(zhuǎn)彎處的速度達(dá)到了114m/s，對(duì)三通盲板形成了極大的沖涮作用，遠(yuǎn)大于調(diào)節(jié)閥及管配系統(tǒng)常規(guī)設(shè)計(jì)流體介質(zhì)流速小于80m/s的得要求。在如此高速度下，流動(dòng)過(guò)程中的汽泡會(huì)反復(fù)撞擊壁面，是導(dǎo)致三通處的閥壁嚴(yán)重破壞的主要原因之一。

同時(shí)從圖8可以看到在流體介質(zhì)流過(guò)喉口后，極大部分區(qū)域被汽化（空化），汽化產(chǎn)生的氣泡極大的干擾了穩(wěn)定的流態(tài)，并在管配系統(tǒng)后續(xù)段乃至轉(zhuǎn)彎后同樣存在汽化（空化）現(xiàn)象，說(shuō)明高溫飽和蒸汽經(jīng)節(jié)流降壓后在管配系統(tǒng)的流態(tài)極不穩(wěn)定，在三通盲板存在有空化低壓區(qū)，底板附近產(chǎn)生較強(qiáng)的渦流，極大地加速了汽泡反復(fù)撞擊壁面的空蝕汽蝕，在較短的時(shí)間內(nèi)蝕穿，這與該系統(tǒng)試運(yùn)行被蝕穿（6小時(shí)）的實(shí)際情況相符。

4.3 改進(jìn)后閥門(mén)及管配系統(tǒng)空蝕特性計(jì)算

從閥門(mén)及配管系統(tǒng)改進(jìn)前空蝕特性計(jì)算結(jié)果來(lái)看，閥門(mén)節(jié)流降壓調(diào)節(jié)能滿(mǎn)足13.5%開(kāi)度蝕的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求，并且閥門(mén)內(nèi)件完好無(wú)損，產(chǎn)生管配系統(tǒng)三通轉(zhuǎn)彎盲板被蝕穿的主要原因在于受電廠地理位置和構(gòu)建物的限制，管配三通轉(zhuǎn)彎前穩(wěn)流緩沖段僅2.9倍管徑，遠(yuǎn)小于7～10倍管徑的常規(guī)管配系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，使得產(chǎn)生極度空化的渦流介質(zhì)未得到足夠的緩沖降速便高速轉(zhuǎn)彎沖擊盲板，產(chǎn)生被蝕穿的故障現(xiàn)象。

為此提出了加長(zhǎng)管配三通盲管段及增大閥門(mén)節(jié)流降壓后氣體介質(zhì)的緩沖容積的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，以達(dá)到降低介質(zhì)流得流速和氣蝕空化，進(jìn)而降低介質(zhì)氣蝕空化對(duì)管配系統(tǒng)的空蝕汽蝕。該加長(zhǎng)三通盲管段的改進(jìn)方案，采用前述相同的空蝕特性分析計(jì)算方法，得到其流速分布和氣液空化分布規(guī)律如圖9、圖10所示。

圖9 改進(jìn)后的速度云圖

圖10 改進(jìn)后汽液分布圖

從圖9可以看出，由于管配三通盲管段加長(zhǎng)和緩沖容積增大，在三通轉(zhuǎn)彎處介質(zhì)流速有所降低，其高速介質(zhì)在盲管段前端產(chǎn)生較大的渦流效應(yīng)，使其到達(dá)三通盲板的流速明顯降低，盡管對(duì)后續(xù)介質(zhì)流得穩(wěn)定性存在一定得影響，但在實(shí)際使用中完全能滿(mǎn)足系統(tǒng)的使用要求；從圖10中看出，整過(guò)管配系統(tǒng)在三通轉(zhuǎn)彎前介質(zhì)空化特性趨于穩(wěn)定，對(duì)管壁的空蝕較小，在轉(zhuǎn)彎后出現(xiàn)一定的空化波動(dòng)，這是由于氣體介質(zhì)流動(dòng)方向改變所致，屬于較為合理的流態(tài)。

表1 改進(jìn)前后底板的相應(yīng)情況

通過(guò)表1可知，改進(jìn)后底板的壓力降低了18.09%，速度降低了50.45%，拐彎處含空化（汽量）明顯減少，渦流現(xiàn)象明顯減弱。

5 結(jié)論

本文基于氣體兩相流空化流動(dòng)方程，利用Fluent對(duì)某電站鍋爐國(guó)產(chǎn)化361調(diào)節(jié)閥及管配系統(tǒng)進(jìn)行空蝕特性分析計(jì)算研究，通過(guò)調(diào)節(jié)閥及管配系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)前后分析計(jì)算，以及與實(shí)際失效結(jié)果比較，可得出以下結(jié)論：

1）空化及空蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生是導(dǎo)致該調(diào)節(jié)閥及管配系統(tǒng)失效的主要原因之一。介質(zhì)流動(dòng)的過(guò)程伴隨著氣泡的生長(zhǎng)與潰滅，高速流動(dòng)帶著氣泡與閥壁產(chǎn)生摩擦或撞擊，氣泡破滅時(shí)產(chǎn)生的激流對(duì)金屬壁面沖擊是致命的損傷，反復(fù)作用最終可使系統(tǒng)加速失效。

2）通過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)加長(zhǎng)尾管后，增大節(jié)流降壓氣液兩相介質(zhì)的緩沖作用，可有效降低流體介質(zhì)的速度、穩(wěn)定壓力及含空化率，阻止氣液波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響，進(jìn)一步表明了調(diào)節(jié)閥至氣液轉(zhuǎn)向緩沖穩(wěn)流長(zhǎng)度大于7～10倍管徑常規(guī)管配系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求合理性。

3）通過(guò)加載兩相實(shí)現(xiàn)k ε- 動(dòng)力學(xué)模型對(duì)高溫高壓過(guò)熱蒸汽兩相流進(jìn)行空蝕特性分析計(jì)算其結(jié)果與實(shí)際問(wèn)題基本吻合，證明了該分析方法的合理性，具有有較好的實(shí)用性，對(duì)于其它系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析研究也有一定的指導(dǎo)作用。

[1] 高紅,傅新,楊華勇.錐閥閥口氣穴流場(chǎng)的數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2002,38(8)：27-30.

[2] 李疆,陳皓生.Fluent環(huán)境中近壁面微空泡潰滅的仿真計(jì)算[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào),2008,28(4)：311-315.

[3] 江帆,黃鵬.Fluent高級(jí)應(yīng)用與實(shí)例分析[M].北京：清華大學(xué)出版社,2008.

[4] 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社,2004,9

[5] 韓占忠,王敬,蘭小平.FLUENT流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社,2004,6

[6] 胡啟祥,白繼平,阮健.基于FLUENT的2D高頻閥氣穴現(xiàn)象研究[J].機(jī)床與液壓,40(3)：40-44.

[7] 李鵬飛,徐敏義,王飛飛.精通CFD工程仿真與案例實(shí)戰(zhàn)[M].北京：人民郵電出版社,2011,10.