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    发布日期:2017-2-4


    超超临界最小流量调节阀的设计及数值分析

    摘 要:为快速适应国内火电机组向大容量发展的趋势,文中对一台超超临界最小流量调节阀进行国产化设计,并对其内部结构进行优化。为进一步保证阀门芯包内流特性设计的合理性,文中利用CFD数值计算方法对其内部整体流场进行分析,首先对调节阀在全开状态下的流场进行计算,接着对其在不同开度下的流量特性进行分析。最后通过试验的方法对阀门的流量特性进行验证。

    关键字:最小流量调节阀 超超临界 数值计算 流量特性 迷宫盘


    0 引言

    长期以来,火力发电在国家能源发展中都具有举足轻重的作用,近年来,随着清洁高效及节能减排的要求,国内火电逐步向大容量高参数的超超临界机组发展。锅炉系统作为火电站的“心脏”,其能否安全运行至关重要,而最小流量调节阀作为锅炉给水系统中重要的流量控制部件,其性能的优劣直接影响着整个机组的运行。目前,国内火电超超临界锅炉机组中所选用的最小流量调节阀多数是国外进口产品,国产化程度较低。因此,开发一种能够满足超超临界锅炉机组用最小流量调节阀具有重要的意义。

    1 超超临界最小流量调节阀优化设计

    最小流量调节阀又称锅炉给水泵再循环阀,位于锅炉给水旁路系统中,安装在给水泵出口,连接至除氧器(或冷凝器)。锅炉给水泵通过转子将介质从除氧器送至锅炉,当输送介质的流量小于其最小额定流量时,为防止给水泵发生过热和汽蚀,最小流量调节阀立即自动开启,将输送介质分流到除氧器(或冷凝器),从而保证给水泵在安全可靠的条件下运行,同时将余热循环利用,有效节约能源。因此,对最小流量调节阀进行合理的优化设计,使其具有较好的调节性能,不仅可以保证电厂系统设备的安全,同时还能起到节能减排的作用。

    1.1 结构组成

    最小流量调节阀主要由执行机构和阀体部件组成。执行机构分为电动、气动或电液执行机构,控制阀的开闭;阀体部件主要由阀体、芯包、阀芯、阀盖、阀帽等部件组成,结构如图1所示。芯包作为最小流量调节阀的核心部件,不同于其他阀门,流体流过芯包部件,在其节流效应的作用下压力降低。经过合理设计的芯包部件,可以使最小流量调节阀的流量特性满足线性或者对数的变化规律,亦可以根据实际工况进行特殊的设计,使其实现精确的流量控制。

    图1 最小流量调节阀结构示意图

    1.2 芯包迷宫盘设计

    本文所设计的超超临界锅炉机组用最小流量调节阀技术参数详见表1。

    表1 最小流量调节阀技术参数

    依据表1中的技术参数对其进行设计,考虑到现有火电机组向大容量发展,锅炉容量变大,锅炉给水泵最小流量相对增加,为了使所设计的超超临界最小流量调节阀能够适应机组运行,同时考虑到设备的安全可靠性,选取阀门开度75%为设计参考点;为使阀门在小开度过渡工况下获得较好的流量特性,满足设备运行要求,根据公司产品的设计理念,结合现有产品的设计运行状况,本文所设计的超超临界最小流量调节阀芯包由两种迷宫盘组成,在小开度工况下采用迷宫盘片A,如图2(a)所示;为使超超临界最小流量调节阀具有较好的抗汽蚀性能,采用多级降压,考虑现有加工条件以及加工成本,大开度工况下采用迷宫盘B,如图2(b)所示。

    图2 迷宫盘模型

    为使得最小流量调节阀能够满足实际运行工况,根据多种优化组合,最终确定最小流量调节阀芯包由迷宫盘A、B按4+30形式叠加布置。考虑最小流量调节阀在系统管路中的位置,前后存在较大的压差,运行过程中流体高速流过阀体会产生振动、噪声,为减小振动、噪声,将迷宫盘进行错位安装。

    2 最小流量调节阀数值计算

    为进一步验证阀门设计的合理性,本文对此最小流量调节阀在不同开度下的内部流场进行综合分析。为深入研究整个阀门芯包的流场分布情况,首先对全开状态下最小流量调节阀的内部流场进行计算,接着对其在不同开度下的流量特性进行分析。

    2.1 模型建立

    本文基于超超临界机组的实际运行工况,完成了最小流量调节阀阀体、阀盖以及芯包等部件的结构设计。并运用NXUG软件对最小流量调节阀的过流部件进行建模,如图3所示。

    图3 最小流量调节阀过流部件

    2.2 计算域及网格

    运用ANSYSICEM对最小流量调节阀各过流部件进行网格划分,为保证网格质量,缩短计算时间,提高计算精度,本文采用六面体结构化网格对最小流量调节阀进行网格划分,如图4所示。

    图4 最小流量调节阀过流部件网格划分

    2.3 计算方法及边界条件

    运用ANSYSCFX进行数值计算,根据最小流量调节阀实际运行状况,以180益高温高压水为介质。计算采用三维不可压缩流体的N-S方程标准k-着湍流模型,采用SIMPLEC算法,采用总压进口和质量流出口,壁面设置为无滑移边界条件,壁面粗糙度设置为Ra12.5滋m,计算精度为10-4

    3 数值计算结果

    3.1 最小流量调节阀内部流场总体分布规律

    如图5所示为最小流量调节阀内压力总体分布情况,流体流经最小流量调节阀,模型总体压降明显,压力下降主要发生在芯包位置,进出口段压力变化较小。由图5(b)可知,进口部分对最小流量调节阀的压降作用很小,最大压力为37MPa,最小压力为36.3MPa,整体压降小于0.8MPa;高压流体从进口管流入,在正对进水管位置处冲击芯包,流体速度降低压力增大,通过环形腔室(芯包外围与阀体形成的封闭空间)的导流作用,高压流体在阀芯外围均匀分布。因此合理地布置环形腔室有利于改善芯包入口处的压力分布,提高最小流量调节阀的安全可靠性,降低振动噪声。由图5(c)可知,出口部分对最小流量调节阀的压降作用也相对较小,最大压力为2.08MPa,最小压力1.04MPa;在经过芯包降压作用,流体压力大幅降低,从芯包进入出口部分,由于出口管路略高于阀体最低点,一部分流体在进入出口管之前,冲击阀体底部,进一步降低了流体的压力。

    图5 模型整体压力分布

    如图6所示为最小流量调节阀速度矢量分布情况,在最小流量调节阀内部,速度矢量变化较大,但整体分布较为均匀,由于芯包中迷宫盘片的节流作用,高速区出现芯包位置,最大速度为79.63m/s;同时由图6(b)、图6(c)可知,在进出口部分与芯包的交界处,出现低速区。

    图6 模型整体速度矢量分布

    如图7所示为模型中间轴面流场分布,对比中间轴面压力与速度矢量的分布可知,在进出口处,压力、速度变化较小。由图7(a)可知,流体经过芯包之后压力明显降低。由图7(b)可知,进出口流道中的最大流速为40.36m/s,远低于芯包处流速;流体从芯包流出,靠近进口管边流速较大,靠近出口管边流速较小,在出口流道中速度分布不对称,出现偏向现象,从而使得流体在阀体底部位置形成涡流。

    图7 模型中间轴面流场分布

    3.2 芯包内部流场分布规律

    通过对最小流量调节阀内部流场的宏观分析,发现其内部流场总体分布较为均匀,为进一步验证设计的合理性,对最小流量调节阀芯包部件中迷宫盘的内部流场分布情况进行分析。本方案设计的最小流量调节阀芯包由迷宫盘A、B按4+30形式叠加布置,在综合对比各迷宫盘流场分布的基础上,选取第2层的迷宫盘A和第17层的迷宫盘B进行分析。

    如图8所示为迷宫盘A、B压力分布,二者变化规律基本相同。流体从进口流道流入芯包外围,在环形腔室的均压作用下,迷宫盘外圈圆周方向压力基本相同;高压流体从迷宫盘入口进入迷宫盘,流通面积骤减,压力开始下降,在迷宫盘中由于迷宫流道的节流作用,流体压力骤降,在迷宫流道的拐角处降压更明显,在迷宫流道末端,压力下降速度减缓;低压流体从迷宫盘内圈出口流出,进入出口流道,压力相近。对比图8(a)、图8(b)中迷宫盘A、B压力云图,二者变化存在差异。迷宫盘A中最大压力为36.8MPa,最小压力为1.35MPa,迷宫盘B中最大压力为37.1MPa,最小压力为1.53MPa;迷宫盘A内圈范围内压力分布基本相同,迷宫盘B内圈出口附近压力略高于内圈圆心部分压力,这主要是由于迷宫盘A靠近最小流量调节阀出口,迷宫盘B远离出口,在轴向方向上,流体从迷宫盘A、B存在压力差,有流动存在。同时由于迷宫盘B流道较多,在迷宫盘B出口位置,各个流道内的流体形成干涉,在迷宫盘出口附近圆周方向上压力分布呈现阶梯离散状。

    图8 压力分布

    如图9所示为迷宫盘A、B速度分布,二者变化基本趋同。在环形腔室的圆周方向上,由于各处距离进口流道位置不同,各处流速存在差异;在迷宫盘外圈进口处,由于流通面积发生变化,流速增加,迷宫盘外圈圆周方向上离进口越远流速越低,在两个进口之间的中间位置附近,流速最低;流体在迷宫流道内速度达到最大,由于两迷宫盘阻力存在差异,迷宫盘A中最大流速为35.85m/s,迷宫盘B中最大流速为49.56m/s;流体从迷宫盘A、B流出,流速变化出现差异:流体从迷宫盘A沿径向方向流出,与从轴向方向流下的高速流体混合,在径向方向上由于黏性力的作用,在靠近内圈处流速较低,靠近圆心处速度最高,从内圈到圆心处速度产生巨大变化;流体从迷宫盘B沿径向方向以较高流速射入出口流道,冲破内圈附近的低速流体出现射流尾迹,与轴向流体混合后一起流向出口。

    图9 速度分布

    3.3 不同开度的流量特性曲线

    通过CFD计算可以得到调节阀的特性参数,从中选出10个不同开度下压力调节阀流量计算数据绘制,最小流量调节阀流量特性曲线如图10所示。由图10可以看出,当进出口保持35.65MPa压降不变,随着调节阀开度的增加,流量也随之增加,压力调节阀的流量特性曲线变化趋势接近直线型。

    图10 最小流量调节阀流量特性曲线

    4 试验验证

    在数值计算的基础上,完成结构设计,同时依托生产、质检部门对最小流量调节阀进行试制,并对阀体进行压力试验,同时在试验台对样机进行模拟试验,测得样机在全开状态下流量为686.72m3/h,与模拟所得流量727.62m3/h相差5.62%,从而验证了数值模拟的可靠性。图11所示为最小流量调节阀样机,图12所示为压力测试试验台。

    图11 最小流量调节阀样机

    图12 压力测试试验台

    5 结论

    本文基于CFD数值计算方法对最小流量调节阀内部流场进行分析,对不同开度下的流场进行模拟,选取全开状态下最小流量调节阀的内部及迷宫盘内部的压力和流速进行分析,并对不同开度下流量特性进行分析,同时对最小流量调节阀的流量特性进行了试验验证,结果表明:

    1)采用两种不同迷宫盘叠加布置的最小流量调节阀能够产生较好的节流降压效果,在不同开度下均能保证阀门具有较好的流量特性

    2)全开状态模拟流量与试验流量误差为5.62%,数值模拟较为可靠。

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