徐亮亮，王正東，于新海，曾 聰

(華東理工大學(xué) 承壓系統(tǒng)與安全教育部重點實驗室，上海 200237)

氣動疏水閥沖蝕工況數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

徐亮亮，王正東，于新海，曾 聰

(華東理工大學(xué) 承壓系統(tǒng)與安全教育部重點實驗室，上海 200237)

采用Eulerian-Lagrangian多相流模型對Y型氣動疏水閥的內(nèi)部流場進行了模擬分析。通過將模擬結(jié)果與現(xiàn)場運行的閥門的實際狀況進行對比驗證了模擬的準(zhǔn)確性。研究發(fā)現(xiàn)閥門密封處液滴速度大于破壞閾值速度，此處沖蝕損傷嚴(yán)重。為減低閥門沖蝕損傷，提出通過閥內(nèi)流體中液滴對撞來降低液滴速度方法?；诖怂枷?，在疏水閥密封封面前加裝節(jié)流套裝置。發(fā)現(xiàn)液滴速度下降了52%，沖蝕損傷大幅下降且位置遠離密封面，但質(zhì)量流量下降到無節(jié)流裝置的56.5%。為了提高質(zhì)量流量，進而提出采用循環(huán)對流式迷宮式盤片組件作為閥芯的設(shè)計。模擬計算發(fā)現(xiàn)閥門液滴最大速度為78.6 m/s，僅為無盤片閥門的46%，同時的質(zhì)量流量為未加盤片閥門的78.2%。采用循環(huán)對流式迷宮式盤片組件作為閥芯的疏水閥適用于沖蝕嚴(yán)重的工況。

疏水閥；CFD；沖蝕；數(shù)值模擬

1 前言

對于火電機組啟停過程中，高溫蒸汽與主蒸汽金屬管壁接觸時，凝結(jié)產(chǎn)生的水需及時排出，否則將引起沖蝕破壞[1]。蒸汽疏水閥是進行排水的主要設(shè)備[2，3]，它的質(zhì)量直接影響到機組的安全運行和經(jīng)濟性[4]。于海波等采用CFD軟件，建立了兩相流模型，利用模擬計算說明了閃蒸現(xiàn)象對再熱器疏水閥造成的危害與影響，討論了減小閃蒸破壞的方法及預(yù)防手段[5]。E.Bigliardi等采用CFD方法對壓力調(diào)節(jié)閥多相流進行了模擬計算，主要研究了氣泄漏、汽蝕以及湍流對閥門流量特性的影響[6]。目前，在調(diào)節(jié)閥兩相流沖蝕研究方面幾乎未見相關(guān)報道。

蒸汽系統(tǒng)疏水調(diào)節(jié)閥的工作原理如圖1所示。火電主蒸汽疏水調(diào)節(jié)閥主要應(yīng)用于亞臨界、超臨界和超超臨界機組主蒸汽管道內(nèi)水和氣體的排放。亞臨界機組主蒸汽管道的典型參數(shù)為：主蒸汽壓力16.7 MPa，主蒸汽溫度538 ℃。超臨界機組蒸汽系統(tǒng)的主蒸汽壓力22.1 MPa，主蒸汽溫度為538～560 ℃。超超臨界機組的主蒸汽管道的壓力可達25～31 MPa，主蒸汽溫度可達580～610 ℃。在如此高溫的惡劣工況下[7]，主蒸汽疏水調(diào)節(jié)閥的閥芯和閥座等部件容易遭受嚴(yán)重的沖蝕破壞。

在機組正常運行時，管道內(nèi)的介質(zhì)為過熱蒸汽，不產(chǎn)生疏水，疏水系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)，防止高溫高壓的蒸汽泄漏，減少蒸汽的損失。而在火電機組啟動階段的暖管過程中，系統(tǒng)管道內(nèi)的溫度會經(jīng)歷一個由低到高的過程，在此過程中管道內(nèi)存在飽和水。在疏水閥疏水過程中，管道內(nèi)的飽和水會在高速蒸汽的裹挾下形成液滴并高速運動，撞擊到疏水閥內(nèi)部構(gòu)件，造成閥門的損傷，降低閥門的使用壽命。如何降低液滴的沖蝕對閥門內(nèi)部構(gòu)件尤其是密封面處的損傷，提高疏水閥的使用壽命是疏水閥設(shè)計的核心問題。

本文以某公司提供的型號為SY4500的氣動Y型疏水調(diào)節(jié)閥為研究對象，通過計算流體動力學(xué)(CFD)模擬，研究了液滴沖蝕損傷閥門的規(guī)律。進而提出兩種減弱液滴沖蝕的結(jié)構(gòu)，本文研究對于存在液滴沖蝕損傷的疏水閥的可靠性的提高具有重要的意義。沖蝕破壞如圖2所示。

圖2 氣動Y型疏水閥沖蝕損壞實物

2 氣動Y型疏水閥結(jié)構(gòu)及流道模型的建立

2.1 疏水閥結(jié)構(gòu)與建模

圖3為氣動Y型疏水閥流道結(jié)構(gòu)三維示意。在CFD模擬計算時，疏水閥的入口和出口分別連接直管段，其長度為閥門入口處直徑的5倍。為模擬計算閥門出口處的臨界流流場，閥門出口管直管段接入一個三面開口的大容器[8]。此大容器的直徑為出口處直徑的5倍。

圖3 氣動疏水閥結(jié)構(gòu)示意

2.2 網(wǎng)格劃分

CFD計算采用商業(yè)軟件CFX。閥門計算模型網(wǎng)格使用軟件ANSYS ICEM 進行劃分。Y型疏水閥節(jié)流部分結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，節(jié)流頭和管路間的相貫線較難處理，因此該部分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。由于出口、入口段直管和大容器尺寸較大，若采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行劃分，網(wǎng)格的數(shù)量將變得很大。另一方面，由于本文所使用的是Eulerian-Lagrangian多相流模型，跟蹤大數(shù)目的顆粒時，計算代價很大。為削減網(wǎng)格數(shù)量，本文采用混合式網(wǎng)格，即疏水閥流道部分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行劃分，直管段及大容器部分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行劃分。劃分的網(wǎng)格如圖4所示，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格之間用interface連接。

(a)

(b)

2.3 數(shù)值模擬邊界條件

該疏水閥的設(shè)計壓力為27 MPa，設(shè)計溫度為576 ℃。在此溫度條件下，蒸汽不會液化成水，由于本文模擬的是系統(tǒng)啟動暖管過程管道中水蒸氣夾帶液滴對閥門的沖蝕損壞，因此，在本文的模擬中，根據(jù)機組啟動階段工況溫度選擇為300 ℃，閥門入口壓力為9 MPa。不考慮流體間的熱傳遞，采用等溫模型，即不求解能量輸運方程。如要較為全面考慮動能等方面的影響應(yīng)采用總能傳熱模型。為說明采用等溫模型對本文沖蝕問題的研究是可行的。對閥門入口條件為304.2 ℃蒸汽分別采用這兩種傳熱模型進行模擬計算，得到氣相速度場如圖5所示，從圖5中可以看出，等溫模型與總能模型計算所得氣相最大速度分別為834.2 m/s與839.9 m/s，相差甚微，并且2種傳熱模型計算所得閥內(nèi)氣相速度分布場，尤其是閥門密封面附近的速度分布，幾乎一致?？紤]到復(fù)雜工況采用總能模型計算難以實現(xiàn)，本文采用等溫模型進行后續(xù)定性研究。此外，流體的湍流模型選用k-ε模型。入口湍流強度設(shè)定為5%。出口大容器的3個面采用開口靜壓條件，靜壓為2 MPa。液滴于入口隨機均勻噴入，模擬中將液滴噴入的位置設(shè)為20個。Eulerian-Lagrangian多相流模型適用于顆粒相含量為10%以下的工況，設(shè)定液滴噴入的質(zhì)量流量以保證閥門流體中液滴含量在10 %以下。給定液滴噴入的速度為15 m/s。壁面采用無滑移壁面邊界條件。

(a)等溫模型

(b)總能模型

在CFX商業(yè)軟件中用平行恢復(fù)系數(shù)和法向恢復(fù)系數(shù)來描述顆粒撞擊壁面的行為。平行恢復(fù)系數(shù)均為1代表完全彈性碰撞。由于疏水閥實際泄放時液滴碰撞閥門壁面并附著在管道表面形成一層液膜，所以本文顆粒相的平行恢復(fù)系數(shù)設(shè)為1，法向恢復(fù)系數(shù)設(shè)為0。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 網(wǎng)格無關(guān)性

為獲得較為經(jīng)濟的網(wǎng)格，本文對研究對象進行網(wǎng)格無關(guān)性研究，閥門開度為50%且在相同工況下的網(wǎng)格無關(guān)性計算結(jié)果表1所示。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)從598397上升到2245319時，近壁面最大液相速度從34.9 m/s略微下降到33.8m/s，下降的數(shù)值可以忽略?？紤]到計算結(jié)果的精度，選用網(wǎng)格3進行后續(xù)計算。

表1 不同網(wǎng)格計算結(jié)果

3.2 閥門沖蝕

圖6為疏水閥100%開度下閥門顆粒軌跡云。

圖6 100%開度下液滴的運動軌跡云圖

從圖6可以看出，液滴在近密封面處速度達到170.3 m/s，部分液滴在此處撞擊到壁面，形成液膜[9]。Kenndy等研究了水滴撞擊破壞碳鋼的閾值約為120 m/s[10]。當(dāng)液滴撞擊速度V低于水滴撞擊破壞閾值速度Vth時，材料不發(fā)生沖蝕。當(dāng)V高于Vth時，沖蝕導(dǎo)致的重量損失W和V有如下關(guān)系[11]。

W∝(V-Vth)2.5

(1)

此時密封面處的速度已經(jīng)高于該閾值，表明該處會出現(xiàn)嚴(yán)重的沖蝕損傷。實際工況中，液滴沖擊到壁面形成的液膜可能從壁面脫離后再次進入到蒸汽中。但此過程非常復(fù)雜，本文并未對其模擬。雖然如此，但如圖6所示，模擬計算結(jié)果顯示最大的沖蝕破壞位置與實際運行的疏水閥的沖蝕破壞的位置(如圖2)是一致的。本文所采用的模擬計算方法對于定性地研究閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝參數(shù)對疏水閥的沖蝕損傷破壞的影響規(guī)律是足夠正確的。

另外，由于鍋爐過熱器受熱沖擊在管內(nèi)側(cè)發(fā)生氧化剝落，以及蒸汽導(dǎo)管的焊渣、殘留物的接入等，不可避免地會在系統(tǒng)管路的飽和水中混入一些微小的顆粒物。一些研究者采集鍋爐和過熱器疏水的試樣，間接分析了固體顆粒粒度分布情況，表明絕大部分顆粒的尺寸范圍小于100μm[12～13]。濕蒸汽中包含有微顆粒，材料的破壞形式和破壞程度都將發(fā)生改變。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)顆粒粒徑大于6.5μm時，微顆粒的磨削為材料表面的主要破壞形式[14～17]。微顆粒的存在造成材料表面損傷加劇，Vth數(shù)值大幅下降。所以，降低液滴的速度對于降低疏水閥的沖蝕損傷是十分重要的。

4 降低液滴沖蝕損傷的設(shè)計

4.1 采用節(jié)流套裝置降低沖蝕損傷

采用節(jié)流套結(jié)構(gòu)的閥門結(jié)構(gòu)如圖7所示，該節(jié)流裝置為三級節(jié)流套筒結(jié)構(gòu)。節(jié)流結(jié)構(gòu)非常類似拜占庭式建筑的屋頂，為一圓柱體加一個穹頂,在穹頂下方對開有圓柱形的小孔,節(jié)流裝置內(nèi)流體流動路徑如圖8所示。

圖7 節(jié)流套式疏水閥結(jié)構(gòu)示意

圖8 節(jié)流套內(nèi)流體流動路徑示意

當(dāng)流體流經(jīng)節(jié)流裝置時，流體從小孔中噴出到流道壁面，然后在經(jīng)過對撞匯聚后進入到下一級的節(jié)流裝置。此節(jié)流裝置的特點是通過流體和流體的對撞來降低流體的速度，這樣就減輕了流體和金屬壁面對撞的程度，大幅降低液滴的沖蝕損傷。

對加裝節(jié)流套裝置的疏水閥進行了模擬，設(shè)定的壓差、溫度、開度等條件與前述未有節(jié)流套裝置的閥門模擬一致。從圖9中可以看出，無節(jié)流裝置氣相最大速度為896.5 m/s，出現(xiàn)位置為閥門出口管道靠后處，加裝節(jié)流裝置后，閥門內(nèi)部氣相最大速度為771.7 m/s，出現(xiàn)位置為閥門出口管道靠前處，此時氣相速度明顯下降。這是由于在節(jié)流套內(nèi)，流體每流經(jīng)一級節(jié)流孔道都會在中間交匯處產(chǎn)生對撞，流體間碰撞摩擦而損耗動能，從而有效降低了流體速度。

圖9 疏水閥氣相速度云圖

如圖10所示，存在節(jié)流裝置閥門內(nèi)部的液滴最大速度為81.8 m/s，出現(xiàn)的位置為節(jié)流裝置的開孔處。與圖6中無節(jié)流套裝置閥內(nèi)液滴最大速度170.3 m/s相比，液滴速度下降了52%。根據(jù)式(1)，液滴速度的降低使得沖蝕損傷大幅下降。在閥門實際疏水過程中，液滴高速撞擊節(jié)流套壁面將會在壁面形成一層液膜，液膜匯聚脫離壁面；再次形成的液滴在蒸汽的帶動下運動，再進入下一級節(jié)流套時發(fā)生對撞降速。所以，帶有節(jié)流套裝置的疏水閥中沖蝕嚴(yán)重位置不是閥門密封面，這使得閥門的使用壽命顯著提高。在密封面前加裝節(jié)流套裝置是一種有效降低疏水閥沖蝕損傷的方法。將節(jié)流裝置實際安裝在疏水閥中，在電廠實際應(yīng)用，未加節(jié)流裝置的疏水閥6個月即出現(xiàn)如圖2的密封面損傷，閥門出現(xiàn)大量的蒸汽泄露；加裝節(jié)流裝置后，閥門穩(wěn)定運行2年，未觀察到明顯的蒸汽泄露。但采用此節(jié)流套裝置存在一個明顯的缺點，即疏水閥的流量會下降,加裝節(jié)流裝置閥門質(zhì)量流量為1.3 kg/s，為無節(jié)流套閥門質(zhì)量流量的56.5%。所以如何優(yōu)化節(jié)流套的設(shè)計，降低液滴速度的同時保證閥門的流量是一個亟待解決的問題。

圖10 加裝節(jié)流套疏水閥內(nèi)液滴速度云圖

4.2 采用迷宮式盤片降低沖蝕損傷

循環(huán)對流式迷宮式盤片及加裝該盤片的疏水閥結(jié)構(gòu)如圖11，12所示。閥腔共由4個循環(huán)對流式盤片通過擴散焊焊接而成。在閥腔構(gòu)成的中心通道上安裝有實心的閥桿,通過閥桿的運動控制閥門的開度,每個盤片上開有類似于迷宮的流道，當(dāng)流體經(jīng)過盤片組件時，流體由內(nèi)圈上流道流入，經(jīng)層層彎折流道后，在外圈流道流出。可見流體在盤片上流動時將經(jīng)過多次轉(zhuǎn)折和對撞。

圖11 循環(huán)對流式迷宮盤片及局部流動路徑示意

圖12 迷宮式疏水閥結(jié)構(gòu)

如圖13，無盤片時，閥內(nèi)氣相最大速度為896.5 m/s；加裝迷宮盤片后，閥內(nèi)氣相最大速度大幅降為518.9 m/s。對比密封面附近氣相速度，加裝盤片時為173 m/s左右，僅為無盤片時的56%。當(dāng)流體經(jīng)過迷宮盤片流道時，由于流體間對撞能量損耗，使得流體在盤片上的速度始終處于50～200 m/s這一較低的數(shù)值范圍。如圖14，加裝迷宮盤片后，閥門液滴最大速度為78.6 m/s，僅為無盤片閥門的46%，所以在閥芯處加裝迷宮盤片組件能有效降低閥門沖蝕損傷。此78.6 m/s的最大液滴速度小于前述帶有節(jié)流套結(jié)構(gòu)閥門的最大液滴速度81.8 m/s，表明迷宮式盤片形式的疏水閥比帶有節(jié)流套的疏水閥耐沖蝕效果更好。但采用迷宮式盤片同樣如節(jié)流套結(jié)構(gòu)一樣會降低疏水閥的流量。加裝迷宮盤片閥門質(zhì)量流量為1.8 kg/s，為閥門質(zhì)量流量的78.2%,此1.8 kg/s的流量高于帶有節(jié)流套裝置閥門的流量1.3kg/s，加裝迷宮盤片閥門的流通能力明顯大于帶有節(jié)流套的閥門。所以，采用循環(huán)對流式迷宮式盤片組件作為閥芯對于疏水閥是一種抗沖蝕的理想設(shè)計。但需要說明的是，采用擴散焊工藝加工結(jié)構(gòu)復(fù)雜的循環(huán)對流式迷宮式盤片會造成閥門制造成本的上升，所以此類閥門適用于沖蝕非常嚴(yán)重的工況中。

圖13 疏水閥氣相速度云圖

圖14 迷宮式疏水閥內(nèi)液滴運動軌跡云圖

5 結(jié)語

Y型疏水閥門密封處液滴速度大于破壞閾值速度，此處沖蝕損傷嚴(yán)重,為減低閥門沖蝕損傷，通過閥內(nèi)流體中液滴對撞來降低液滴速度的方法是一種有效的方法。基于此，首先考慮在疏水閥密封封面前加裝節(jié)流套裝置，模擬發(fā)現(xiàn)液滴速度下降了52%，沖蝕損傷大幅下降且位置遠離密封面，但質(zhì)量流量下降到無節(jié)流裝置的56.5%。為了提高質(zhì)量流量，提出采用循環(huán)對流式迷宮式盤片組件作為閥芯的設(shè)計，模擬發(fā)現(xiàn)閥門液滴最大速度為78.6 m/s，僅為無盤片閥門的46%，同時的質(zhì)量流量為未加盤片閥門的78.2%，采用循環(huán)對流式迷宮式盤片組件作為閥芯的疏水閥適用于沖蝕嚴(yán)重的工況。

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Numerical Simulation on Erosion of Pneumatic Drain Valve and optimization on structure

XU Liang-liang,WANG Zheng-dong,YU Xin-hai,ZENG Cong

(Key Laboratory of Pressure Systems and Safety,Ministry of Education,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China)

In this paper,numerical simulations on Y type pneumatic drain valve were carried out using Eulerian-Lagrangian model.The simulation results were verified by the experimental ones.It was found that the droplet velocity close to the sealing surface exceeds the threshold values,resulting in serious erosion.To lower down the extent of erosion,a method that a collision of droplets causes a decrease in droplet velocity was proposed.In this way,a throttling unit was assembled inside the Y type pneumatic drain valve and its performance was simulated.The results showed that the maximum droplet velocity decreases by 52% and therefore the erosion is alleviated significantly.However,the flowrate declines up to 56.5% of the valve without the throttling unit.To increase the flowrate,a throttling unit with several plates featuring maze-like channel on the plates was proposed as the vale disk.The simulation results showed that the maximum droplet velocity is 78.6 m/s,46% of the value for the valve without the throttling unit.The flowrate can achieve 78.2% of the value for the valve without the throttling unit.It can be concluded that the Y type pneumatic drain valve with a disk that features maze-like channel on the plates is applicable to serious erosion operating conditions.

drain valve;CFD;erosion;numerical simulation

1005-0329(2017)02-0032-06

2016-04-11

2016-05-25

TH138.52

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.02.007

徐亮亮(1991-)，男，碩士研究生，主要從事閥門兩相流沖蝕模擬的研究，通訊地址：200237 上海市梅隴路130號華東理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院承壓系統(tǒng)與安全教育部重點實驗室實驗17樓621室，E-mail: xll2016ecust@163.com。