凝水系統(tǒng)水位調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)特性研究

胡宗成，高怡秋，楊 懿

(1.海軍駐上海第七一九研究所軍代表室，湖北 武漢 430064;2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七○四研究所，上海 200031)

0 引言

冷凝器是凝汽式汽輪機(jī)的重要組成設(shè)備，在熱力循環(huán)中起到冷源的作用。冷凝器水箱中水位的高低直接影響到冷凝器的工作性能，進(jìn)而影響整個(gè)蒸汽動(dòng)力裝置的熱經(jīng)濟(jì)性和安全可靠性。水位過(guò)高，將減少蒸汽的冷卻面積，影響冷凝效果，從而引起真空度的下降，降低汽輪機(jī)的有效焓降以及整機(jī)的熱效率;水位過(guò)低，將影響凝水泵的工作性能，當(dāng)凝水泵的吸入壓力過(guò)低時(shí)，將發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞設(shè)備。因此，凝水系統(tǒng)中必須設(shè)置有水位調(diào)節(jié)裝置，以使冷凝器水位維持在合理范圍內(nèi)［1］。

水位調(diào)節(jié)閥是水位調(diào)節(jié)裝置中的重要設(shè)備。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算中，由于閥門結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其流量系數(shù)不易獲得，為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，工程上通常將流量系數(shù)取為常數(shù)［2－3］。近年來(lái)隨著計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)及CFD數(shù)值模擬軟件的不斷發(fā)展，通過(guò)數(shù)值方法求解流量系數(shù)已成為當(dāng)今工程設(shè)計(jì)的重要手段［4－6］。

本文通過(guò)對(duì)流量系數(shù)的理論公式推導(dǎo)，得到了水位調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)的計(jì)算公式，采用數(shù)值模擬方法，研究不同參數(shù)對(duì)流量系數(shù)的影響。通過(guò)理論公式計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬值的對(duì)比，驗(yàn)證了水位調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)的計(jì)算結(jié)果，并為數(shù)值模擬方法求解流量系數(shù)提供了理論支持。

1 水位調(diào)節(jié)閥及系統(tǒng)組成

本次研究對(duì)象為船用凝汽式汽輪機(jī)，凝水系統(tǒng)如圖1所示，主要包括冷凝器、凝水泵、水位調(diào)節(jié)閥等設(shè)備。汽輪機(jī)排汽在冷凝器內(nèi)部經(jīng)冷卻后凝結(jié)為凝水并進(jìn)入冷凝器水箱，水箱底部設(shè)有管路聯(lián)接至凝水泵，凝水經(jīng)由凝水泵增壓后進(jìn)入水位調(diào)節(jié)閥。水位調(diào)節(jié)閥根據(jù)汽輪機(jī)排汽量的大小調(diào)節(jié)閥門開度，改變排水管路與回水管路的流量分配，使冷凝器水箱水位保持恒定。

圖1 凝水系統(tǒng)示意圖Fig.1 Condensate water system

水位調(diào)節(jié)閥采用三通結(jié)構(gòu)，設(shè)有排水、回水兩路出口，排水出口聯(lián)接至系統(tǒng)熱井，用于排走多余的凝水;回水出口聯(lián)接至冷凝器，可將凝水送回至冷凝器水箱內(nèi)。水位調(diào)節(jié)閥原理如圖2所示，當(dāng)汽輪機(jī)排汽量增加時(shí)，閥位升高，排水量增大，回水量減小;當(dāng)汽輪機(jī)排汽量減少時(shí)，閥位降低，排水量減小，回水量增大。

對(duì)于回水管路，由于冷凝器內(nèi)的真空環(huán)境，加之管路較短，因此其背壓較低;而排水管路由于管路較長(zhǎng)、管阻較大，因此其背壓較高。由于兩路出口背壓的不同，當(dāng)水位調(diào)節(jié)閥開度改變時(shí)，凝水管路的阻力特性將發(fā)生改變。

在汽輪機(jī)工況變更時(shí)，凝水系統(tǒng)的特性變化主要由水位調(diào)節(jié)閥引起，并使凝水泵的揚(yáng)程和流量隨之改變，而凝水泵參數(shù)的變化又會(huì)改變水位調(diào)節(jié)閥入口的壓力，造成閥流量系數(shù)與阻力特性的改變，二者相互關(guān)聯(lián)又相互影響。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，凝水系統(tǒng)的匹配特性必須給予充分的考慮。其中不同工況下水位調(diào)節(jié)閥的特性計(jì)算，特別是流量系數(shù)的計(jì)算，是整個(gè)凝水系統(tǒng)匹配特性研究的關(guān)鍵問(wèn)題。

圖2 水位調(diào)節(jié)閥原理圖Fig.2 Principle of level control valve

2 流量系數(shù)的特性

2.1 流量系數(shù)的公式推導(dǎo)

對(duì)于水位調(diào)節(jié)閥而言，根據(jù)伯努利方程，有流量公式

式中:Cx為不同開度水位調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù);F1為調(diào)節(jié)窗口面積;ΔP為調(diào)節(jié)閥總壓降;ρ為凝水的密度。

對(duì)于調(diào)節(jié)窗口，如圖2中的排水或回水窗口，有流量公式

式中:μ為調(diào)節(jié)窗口的流量系數(shù)，取0.78～0.8;F1為調(diào)節(jié)窗口面積;ΔP1為調(diào)節(jié)窗口壓降;ρ為凝水的密度。

對(duì)于水位調(diào)節(jié)閥，在凝水流過(guò)閥體內(nèi)部時(shí)，存在若干處節(jié)流與損失過(guò)程，每一處節(jié)流與損失過(guò)程有流量公式

令所有節(jié)流與損失過(guò)程流量系數(shù)μ相等，根據(jù)流量守恒方程:

流過(guò)調(diào)節(jié)閥的總壓降為各個(gè)節(jié)流與損失過(guò)程的壓降總和:

由式(9)可以看出，當(dāng)F2，F(xiàn)3，…，F(xiàn)n保持不變，F(xiàn)1增大時(shí)，Cx減小;F1減小，Cx增大時(shí)，二者為反比關(guān)系。

對(duì)于本次計(jì)算的水位調(diào)節(jié)閥，在整個(gè)流動(dòng)過(guò)程中，壓降主要產(chǎn)生于調(diào)節(jié)窗口處以及調(diào)節(jié)閥出口處，忽略其余沿程阻力，則根據(jù)式(8)，可得調(diào)節(jié)窗口處的壓降

式中:ΔP為調(diào)節(jié)閥總壓降;Fx為調(diào)節(jié)窗口面積;Fc為調(diào)節(jié)閥出口處面積

令

則在考慮調(diào)節(jié)閥出口處壓力損失時(shí)，流量系數(shù)

面積比f(wàn)表征了調(diào)節(jié)窗口壓降占整個(gè)調(diào)節(jié)閥壓降的比值，面積比f(wàn)越大，調(diào)節(jié)窗口壓降比值越小，當(dāng)面積比f(wàn)=1時(shí)，調(diào)節(jié)閥全部壓降集中在調(diào)節(jié)窗口處。

2.2 流量系數(shù)的數(shù)值模擬與分析

2.2.1 流量系數(shù)的計(jì)算方法

通過(guò)CFD數(shù)值模擬軟件，對(duì)不同開度下水位調(diào)節(jié)閥的計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算。給定調(diào)節(jié)閥進(jìn)出口壓力，可得到調(diào)節(jié)閥的實(shí)際流量。閥流量系數(shù)的計(jì)算公式為:

式中:Qx為不同開度下數(shù)值模擬所得實(shí)際流量;Fx為不同開度下調(diào)節(jié)窗口面積;ΔP為調(diào)節(jié)閥總壓降;ρ為凝水的密度

2.2.2 不同開度對(duì)流量系數(shù)的影響

圖3分別為排水以及回水工況時(shí)不同開度下的水位調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)，二者變化趨勢(shì)基本一致，在開度較小，窗口面積不大時(shí)，流量系數(shù)較大;在開度不斷增大，窗口面積增加時(shí)，流量系數(shù)逐漸減小;在最大開度時(shí)二者的流量系數(shù)僅為0.56左右。根據(jù)式(9)，閥流量系數(shù)的變化是由于在開度增大、窗口面積增加時(shí)，沿程與閥體內(nèi)部的流動(dòng)損失增大而引起的。

圖3 不同開度的流量系數(shù)Fig.3 Flow coefficient in different lift

2.2.3 不同壓差對(duì)流量系數(shù)的影響

以100%開度為例，分別對(duì)排水工況和回水工況的流量系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，保持入口壓力不變，改變出口壓力，得到不同壓差下水位調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)，如圖4所示。

圖4 排水以及回水的流量系數(shù)Fig.4 Flow coefficient of discharge and back

由圖4可知，隨著壓差的減小，閥的流量系數(shù)略有降低，當(dāng)壓差減小到一定程度時(shí)，呈加速下降趨勢(shì)。這是由于流量系數(shù)為閥門雷諾數(shù)的函數(shù)，當(dāng)雷諾數(shù)大于一定值時(shí)，閥內(nèi)部流動(dòng)為紊流狀態(tài)，此時(shí)隨雷諾數(shù)增加，流量系數(shù)基本穩(wěn)定［7］。總體而言，從工程計(jì)算的角度可認(rèn)為流量系數(shù)不隨壓差的變化而改變，即在開度一定時(shí)流量系數(shù)為恒定值。

2.3 不同計(jì)算方法的對(duì)比

圖5與圖6分別為采用公式計(jì)算以及數(shù)值模擬所得水位調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)的對(duì)比。根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，對(duì)于排水窗口，在全開位置時(shí)通流面積最大，面積比f(wàn)的值最大，此時(shí)窗口處的壓降占整個(gè)調(diào)節(jié)閥壓降的比值較小，由于沿程以及閥體內(nèi)部的流動(dòng)損失的作用，閥的流量系數(shù)最小;當(dāng)窗口面積逐漸減小時(shí)，沿程以及閥體內(nèi)部的流動(dòng)損失對(duì)閥流量系數(shù)的影響減小，流量系數(shù)逐漸增大;當(dāng)閥門接近于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)閥的壓力損失集中于排水窗口處，此時(shí)面積比f(wàn)→1，閥的流量系數(shù)接近于調(diào)節(jié)窗口的流量系數(shù)，Cx=0.78～0.8。回水窗口的流量特性與排水窗口基本相同，二者符合同一變化規(guī)律。

圖5 排水工況流量系數(shù)Fig.5 Flow coefficient in discharge condition

圖6 回水工況流量系數(shù)Fig.6 Flow coefficient in back condition

圖5和圖6顯示，當(dāng)調(diào)節(jié)窗口面積越小時(shí)，計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬值越吻合;當(dāng)窗口面積最大時(shí)，由于調(diào)節(jié)窗口處的壓力損失占整個(gè)閥損失的比值較小，流量系數(shù)的計(jì)算值受其他部位損失的影響較大，而在計(jì)算中未能將閥內(nèi)的流動(dòng)損失全部計(jì)算進(jìn)去，因此誤差相對(duì)較大。

2.4 凝水系統(tǒng)的流量計(jì)算

圖7和圖8分別給出了采用固定流量系數(shù)(C=0.62)以及變流量系數(shù)下水位調(diào)節(jié)閥的流量特性曲線。由圖中可以看出，在采用變流量系數(shù)計(jì)算時(shí)，排水流量以及回水流量不再是各自窗口面積的單一函數(shù)。當(dāng)窗口面積增大時(shí)，由于流量系數(shù)的減小，排水流量以及回水流量均較固定流量系數(shù)的計(jì)算結(jié)果偏小，總流量的變化幅度則有所降低。

圖7 采用固定流量系數(shù)的計(jì)算結(jié)果Fig.7 Result under constant flow coefficient

圖8 采用變流量系數(shù)的計(jì)算結(jié)果Fig.8 Result under change flow coefficient

3 結(jié)語(yǔ)

1)對(duì)流量系數(shù)公式進(jìn)行推導(dǎo)，得到了水位調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)的理論計(jì)算方法，得出流量系數(shù)是窗口面積與出口面積之比的函數(shù);

2)通過(guò)數(shù)值模擬方法得到凝水系統(tǒng)水位調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)以及變化趨勢(shì)。分析不同開度以及不同壓差下水位調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)的變化規(guī)律;

3)根據(jù)不同開度下流量系數(shù)的數(shù)值模擬結(jié)果，驗(yàn)證了理論計(jì)算方法的正確性，同時(shí)為數(shù)值模擬結(jié)果提供了理論依據(jù);

4)根據(jù)本次計(jì)算所得流量系數(shù)，對(duì)凝水系統(tǒng)的流量進(jìn)行重新計(jì)算，得到了更加合理的計(jì)算結(jié)果。

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