劉曉敘，劉 佳，何慶中，郭 斌

四川理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，四川自貢 643000

【環(huán)境與能源 / Environment and Energy】

電站鍋爐調(diào)節(jié)閥管配系統(tǒng)流場(chǎng)特性的數(shù)值分析

劉曉敘，劉 佳，何慶中，郭 斌

四川理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，四川自貢 643000

分析某火電機(jī)組儲(chǔ)水罐調(diào)節(jié)閥在運(yùn)行中出現(xiàn)的閥后配管端蓋損壞問題，建立該調(diào)節(jié)閥和配管的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型，利用CFD軟件CFX對(duì)其進(jìn)行兩相流流場(chǎng)特性分析．結(jié)果表明，調(diào)節(jié)閥在節(jié)流口處發(fā)生了強(qiáng)烈的汽化現(xiàn)象，導(dǎo)致配管底板處沖蝕力較大，汽蝕沖擊現(xiàn)象嚴(yán)重，分析結(jié)果與實(shí)際破壞情況相符．結(jié)合分析改進(jìn)了調(diào)節(jié)閥配管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值模擬，結(jié)果表明，在配管底板處流場(chǎng)速度降低近70%，汽相體積減少90%以上，汽蝕沖擊現(xiàn)象減弱，分析結(jié)果可供該類閥門和配管設(shè)計(jì)參考．

計(jì)算流體力學(xué)；調(diào)節(jié)閥；兩相流；CFX軟件；汽蝕；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

超臨界火電機(jī)組儲(chǔ)水罐調(diào)節(jié)閥主要配套過熱系統(tǒng)使用，用于控制儲(chǔ)水罐內(nèi)的壓力和水位．在使用過程中，高溫高壓介質(zhì)經(jīng)調(diào)節(jié)閥減壓后，產(chǎn)生強(qiáng)烈的汽化現(xiàn)象，并伴隨劇烈的振動(dòng)和噪聲，給閥門和管配系統(tǒng)造成嚴(yán)重的沖擊，影響整個(gè)閥門及管配系統(tǒng)的使用性能和壽命，甚至危害整個(gè)鍋爐系統(tǒng)的運(yùn)行安全．因此，有必要對(duì)該類閥門及管配系統(tǒng)進(jìn)行流場(chǎng)特性研究和結(jié)構(gòu)優(yōu)化．

目前，對(duì)相關(guān)流場(chǎng)的研究主要集中在離心泵[1-2]、軸流泵[3]、常規(guī)調(diào)節(jié)閥[4]、球閥[5-6]以及相關(guān)水利機(jī)械上，而對(duì)高溫高壓條件下的調(diào)節(jié)閥[7-8]管配系統(tǒng)流場(chǎng)分析還較少．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，對(duì)某火電機(jī)組儲(chǔ)水罐調(diào)節(jié)閥進(jìn)行流場(chǎng)特性模擬．給出了設(shè)計(jì)工況下閥門和管配的流場(chǎng)分布，結(jié)合流場(chǎng)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)的問題，提出相應(yīng)改進(jìn)方案，并對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究結(jié)果對(duì)閥門和管配結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高可靠性及其國產(chǎn)化有積極意義．

1 破壞原因分析及模型建立

閥門流動(dòng)介質(zhì)為高溫高壓水，溫度達(dá)到311 ℃，壓力為10.2 MPa，此時(shí)，介質(zhì)處于壓力和溫度動(dòng)平衡的臨界狀態(tài)，細(xì)微的參數(shù)變化就會(huì)引起介質(zhì)屬性的轉(zhuǎn)變．根據(jù)閥門運(yùn)行工況要求，調(diào)節(jié)閥主要技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)如下：壓力為30.5 MPa、溫度375 ℃、運(yùn)行條件為直流升負(fù)荷、開度21%、進(jìn)口壓力10.2 MPa、出口壓力4.78 MPa、閥門入口溫度311 ℃．

圖1 儲(chǔ)水罐調(diào)節(jié)閥Fig.1 Regulating valve of water storage

圖1為該調(diào)節(jié)閥實(shí)物圖．在電站經(jīng)3次啟動(dòng)試運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)閥后直管末端直角轉(zhuǎn)彎處端蓋被擊穿．此時(shí)閥門開度為21%，處于升負(fù)荷至直流升負(fù)荷階段．在機(jī)組啟動(dòng)過程進(jìn)入直流運(yùn)行前，閥門入口介質(zhì)(來自儲(chǔ)水罐)為飽和水，通過調(diào)節(jié)閥節(jié)流后的介質(zhì)為汽水兩相混合物．若閥后管路布置不當(dāng)，閥門出口汽水兩相介質(zhì)在閥后直管段未形成穩(wěn)定流態(tài)前進(jìn)入90°直角轉(zhuǎn)彎處，流態(tài)受管路原因急劇改變將在端蓋底部形成湍流強(qiáng)度較大的漩渦，介質(zhì)高頻沖擊將造成端蓋的破壞．

本研究根據(jù)某企業(yè)在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)生端蓋破壞的調(diào)節(jié)閥尺寸，建立流場(chǎng)分析模型，如圖2．

圖2 調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Structure sketch of regulating valve

利用HyperMesh對(duì)調(diào)節(jié)閥流道模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格為主．由于閥芯為關(guān)鍵部位，其周邊流場(chǎng)較為復(fù)雜，劃分網(wǎng)格時(shí)對(duì)閥芯進(jìn)行了局部細(xì)化并考慮了各塊間連接區(qū)域網(wǎng)格具有的連續(xù)性．最終得到網(wǎng)格數(shù)為2 941 798，節(jié)點(diǎn)數(shù)為580 096．經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性檢查，在此情況下，網(wǎng)格數(shù)量增加并不會(huì)進(jìn)一步提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，故網(wǎng)格劃分是可信的．流道網(wǎng)格劃分如圖3．

圖3 流道網(wǎng)格劃分示意圖Fig.3 Grid of flow field model

2 空化湍流控制理論

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來求解調(diào)節(jié)閥復(fù)雜的空化流動(dòng)．對(duì)于調(diào)節(jié)閥流道內(nèi)的空化流動(dòng)，可認(rèn)為是空泡相和水流相達(dá)到了熱平衡和動(dòng)力平衡[9]，將空泡相和水流相當(dāng)成統(tǒng)一的流體進(jìn)行分析，因此采用混合物均相流模型對(duì)調(diào)節(jié)閥的空化流動(dòng)進(jìn)行流場(chǎng)分析．

2.1 連續(xù)性方程

(1)

2.2 動(dòng)量方程

(2)

2.1 Reyleigh-Plesset方程

(3)

考慮到流場(chǎng)處于低頻狀態(tài)和忽略表面張力的情況下，可將式(3)簡(jiǎn)化為

其中，RB為氣泡半徑； pV為局部溫度下的汽化壓力； ρf為液體密度； σ為表面張力．

3 流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果及分析

將網(wǎng)格模型導(dǎo)入CFX中，按實(shí)際使用工況參數(shù)設(shè)置邊界條件，進(jìn)口壓力10.2 MPa，出口壓力4.78 MPa．給定流體介質(zhì)溫度311 ℃，飽和蒸汽壓約為9.9 MPa．此時(shí)，流動(dòng)介質(zhì)屬于低于350 ℃的飽和水，此溫度下介質(zhì)處于臨界飽和線附近，當(dāng)溫度不變時(shí)，微小的壓力波動(dòng)就會(huì)引起介質(zhì)狀態(tài)的改變．閥門數(shù)值模擬選用高階求解模式，物理時(shí)間尺度設(shè)置為0.1 s，收斂最大殘差值為1.0×10-4．計(jì)算收斂圖顯示收斂效果很好，說明所建流道模型合理．

3.1 流場(chǎng)分析結(jié)果

根據(jù)流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示，在4 s后介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)趨于穩(wěn)定，此時(shí)的流場(chǎng)分布狀況如圖4和圖5．圖4和圖5為截取調(diào)節(jié)閥中心對(duì)稱面流場(chǎng)分布情況．從圖4速度云圖可知，介質(zhì)經(jīng)過調(diào)節(jié)閥閥芯喉口時(shí)速度急劇增大，最高可達(dá)149 m/s，而高速介質(zhì)隨著管道流動(dòng)，能量有所衰減，在調(diào)節(jié)閥直角轉(zhuǎn)彎處速度達(dá)到60 m/s左右，同時(shí)可見在端蓋底板附近形成了一定湍流強(qiáng)度的急劇漩渦，頻繁撞擊端蓋底板．從圖5汽相體積云圖可見，介質(zhì)經(jīng)過喉口時(shí)，發(fā)生大量汽化且最先發(fā)生在壁面附近．隨著管道的流動(dòng)，能量有所衰減，部分介質(zhì)壓力恢復(fù)至空化壓力之上，使得這部分氣泡壓縮潰滅，在氣泡潰滅過程中，散發(fā)出巨大的能量，該能量會(huì)在短時(shí)間內(nèi)反復(fù)沖擊閥體壁面．尤其是在直管末端，由于底板的阻擋，氣泡沖擊底板而破裂，因此，圖5中顯示在底板附近汽相介質(zhì)含量很低．

圖4 調(diào)節(jié)閥速度云圖Fig.4 Contours of the velocity

圖5 調(diào)節(jié)閥汽相體積分布Fig.5 Contours of the vapor volume fraction

為更加直觀表現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)過程，本研究提取了喉口和底板處樣點(diǎn)的速度和汽相體積分?jǐn)?shù)變化數(shù)據(jù)并繪制成曲線，如圖6和圖7．

圖6 調(diào)節(jié)閥樣點(diǎn)速度曲線Fig.6 Sample velocity curve of the valve

圖7 調(diào)節(jié)閥樣點(diǎn)汽相體積曲線Fig.7 Sample vapor volume fraction curve of the valve as a function of time

結(jié)合圖6和圖7曲線可看出，喉口附近介質(zhì)汽化體積分?jǐn)?shù)達(dá)到90%以上，減壓效果明顯，同時(shí)，壓力內(nèi)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能使得速度急劇上升．而在直管末端底板附近，介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)極不穩(wěn)定，波動(dòng)的速度頻繁對(duì)底板形成沖擊，這也驗(yàn)證了實(shí)際使用過程中底板的失效是由于介質(zhì)高速?zèng)_擊造成的．

3.2 閥后直管段結(jié)構(gòu)改進(jìn)及分析結(jié)果

綜上分析可知，在閥后直管末端底板處存在較強(qiáng)的汽蝕沖擊現(xiàn)象，其原因在于介質(zhì)流過喉口時(shí)劇烈的壓降導(dǎo)致速度急劇增加，介質(zhì)汽化嚴(yán)重，由于管道長(zhǎng)度不夠，介質(zhì)速度衰減不充分，高速運(yùn)動(dòng)的介質(zhì)對(duì)底板造成強(qiáng)烈的沖擊，最終導(dǎo)致底板被擊穿．結(jié)合分析結(jié)果，為減少汽蝕的影響，在滿足工程整體布局的前提下，增加閥后配管的長(zhǎng)度并進(jìn)行模擬計(jì)算．設(shè)置相同的邊界條件和介質(zhì)參數(shù)，分別增長(zhǎng)管配200～1 000 mm等5種方案的模擬計(jì)算．下面選取增長(zhǎng)1 000 mm的模擬結(jié)果，如圖8、圖9和圖10．

圖8 改進(jìn)后調(diào)節(jié)閥速度云圖Fig.8 Contours of the velocity after optimizing

圖9 改進(jìn)后調(diào)節(jié)閥汽相體積分布Fig.9 Vapor volume fraction distribution of the valve after optimizing

圖10 改進(jìn)后速度與汽相體積對(duì)比Fig.10 Curves of velocity and vapor volume fraction after optimizing

從圖8可見，介質(zhì)經(jīng)過喉口后速度仍然較高，接近132 m/s，而隨著配管的增長(zhǎng)，速度逐漸衰減，在底板附近降至20 m/s以下，符合常規(guī)閥門流速的要求．從圖9可知，隨著管道的延長(zhǎng)，底板附近汽相體積幾乎為0．結(jié)合圖10延長(zhǎng)后底板樣點(diǎn)速度與汽相體積曲線圖可以看出，在1.5 s后，底板附近介質(zhì)流速降低，汽相體積幾乎為0，說明增長(zhǎng)管道后底板附近流場(chǎng)改善比較明顯，該區(qū)域處于相對(duì)安全的狀態(tài)．

為深入探究閥后管配長(zhǎng)度對(duì)整體流場(chǎng)的影響，分別模擬不同管配長(zhǎng)度下流場(chǎng)分布情況，并提取了相應(yīng)管配長(zhǎng)度下底板附近樣點(diǎn)的流場(chǎng)量變化，繪制成速度和汽相體積變化對(duì)比曲線，如圖11和圖12．

圖11 不同增長(zhǎng)量下底板處速度變化Fig.11 Velocity distribution at the baseboard under different lengthen pipelines

圖12 不同增長(zhǎng)量下底板處汽相體積變化Fig.12 Vapor volume fraction distribution at the baseboard under different lengthen pipelines

從圖11可見，增加管配流道長(zhǎng)度后，流場(chǎng)速度下降較為明顯，在加長(zhǎng)至800 mm后，速度降低至18 m/s以下，與圖6相比速度降低近70%，隨著時(shí)間推移還有進(jìn)一步降低的趨勢(shì)，表明加長(zhǎng)管配管道可以有效改善底板處的流場(chǎng)分布情況．

此外，從圖12可見，增加管配管道長(zhǎng)度后，底板附近的汽相體積占比減少，與圖7相比汽相體積減少近95%．在管道加長(zhǎng)800 mm后，該區(qū)域的汽相體積占比幾乎為0，說明在該種情況下底板附近流場(chǎng)幾乎為液相，即流場(chǎng)分布較為均勻，表明閥門結(jié)構(gòu)滿足了運(yùn)行工況的要求．

4 結(jié) 論

本研究結(jié)合某超臨界火電機(jī)組調(diào)節(jié)閥在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的問題，基于CFX空化湍流模型，對(duì)其進(jìn)行了流場(chǎng)分析，得到了該調(diào)節(jié)閥在設(shè)計(jì)工況下的流場(chǎng)規(guī)律，并通過對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，得出以下結(jié)論：

1)通過對(duì)調(diào)節(jié)閥和管配系統(tǒng)的流場(chǎng)特性分析，其結(jié)果和實(shí)際閥后直角轉(zhuǎn)彎處端蓋破壞情況比較吻合，表明使用CFX分析調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)的方法是合理的．

2)通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，底板附近流場(chǎng)速度降低近70%，氣泡潰滅沖蝕現(xiàn)象明顯減弱，汽相體積減少近90%，流動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定，有效改善了底板處汽蝕問題．

3)管配管道的長(zhǎng)度與流場(chǎng)分布的均勻性有較大的關(guān)系，管道越長(zhǎng)，流場(chǎng)相對(duì)越穩(wěn)定，體現(xiàn)了多相流流動(dòng)的松弛性．

4)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)能有效改善配管銜接處的流場(chǎng)特性，降低介質(zhì)對(duì)配管的沖擊，提高配管的使用壽命．對(duì)今后同類閥門配管布置具有重要的參考價(jià)值．

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【中文責(zé)編：晨 兮；英文責(zé)編：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

國家能源局國能科技基金資助項(xiàng)目(2011HVCHT095)；自貢市科技創(chuàng)新苗子工程資助項(xiàng)目(2015CXM03)

劉曉敘(1957—)，男，四川理工學(xué)院教授. 研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化. E-mail:xiaoxu_liu@.163.com

引 文：劉曉敘，劉 佳，何慶中，等. 電站鍋爐調(diào)節(jié)閥管配系統(tǒng)流場(chǎng)特性的數(shù)值分析[J]. 深圳大學(xué)學(xué)報(bào)理工版，2017，34(1)：105-110.