超超臨界電站鍋爐調節閥及管配系統空蝕特性研究

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

（1.四川理工學院 機械工程學院，自貢 643000；2.華夏閥門有限公司，自貢 643000）

0 引言

超超臨界電站鍋爐高溫減壓調節閥等高端關鍵閥門主要集中應用在鍋爐島、汽機島和四大管路系統上（主蒸汽管道、主給水管道、再熱器冷段與熱段管道、汽機各段抽汽管道及高低壓旁路系統管道）。目前主要被歐美日少數幾個國家所壟斷，特別是600MW、1000MW 超(超)臨界機組關鍵調節控制閥門產品還主要依賴進口。依據國家能源局《超超臨界火電機組關鍵閥門國產化實施方案》（國能科技[2010]335號）精神和《關于超超臨界火電機組關鍵閥門國產化工作會議紀要》（國能科技[2010]392號）要求，國內四大電站閥門企業均致力于進行超超臨界配套用關鍵閥門系列產品的研發工作，部分關鍵調節控制閥門產品相續在五大超超臨界火電機組依托工程項目得到了推廣應用。由于超超臨界調節閥門工況多為高溫、高壓、大流量，調節閥及管配系統內部流場及其不穩定，這在一定程度上影響發電鍋爐配汽系統的運行穩定性。在該類調節閥研制初期，受實驗條件的限制，目前所研制的調節閥及管配系統只能通過示范工程電站機組試運行方式對其調節性能和流體特性開展實驗驗證研究。高溫、高壓、大流量調節閥及管配系統在調節過程中產生空化氣蝕現象較為常見，也是引起該類閥門及管配系統失效的主要原因之一。由于電站鍋爐調節閥及管配系統的工況的特殊性，開展該類調節閥及管配系統的兩相空化流場特性數值模擬是非常必要的。

1 問題的提出

針對國產化電站鍋爐361調節閥在某火電機組110小時試運行中出現管配三通盲板空蝕汽蝕被擊穿的問題，經檢查調節閥閥芯、閥座均無沖刷磨損現象，密封元件無損壞；管配三通盲板在升負荷至直流負荷階段被蝕穿（如圖2所示）。經分析該361調節閥在開度的13.5%的工況條件下，高溫介質流將流經較小截面的喉口。根據文丘里效應，介質流過喉口時壓力會急劇的減小，在溫度不變的下，壓力減小將使流經喉口的部分蒸汽汽化。分析閥門進出口條件可知，在進、出口壓力比值超過10倍以上時流體處于極端情況，勢必在低壓區域出現強烈的汽化現象而使得局部區域密度發生變化。氣泡的產生會影響閥門的流通能力，還使得原來不溶于蒸汽介質的氣體也會隨之溶入產生空泡，其流動狀態十分紊亂。汽液混合流動是一種典型的湍流，當空泡潰滅時，會產生很大的瞬時壓強和沖擊波，如果空泡的潰滅發生在閥體和管壁壁面附近，則會對壁面產生極大的破壞，同時也將影響節流后兩相流的穩定流態的恢復，這種現象在工程上稱之為空化現象。由于空化現象是種瞬時的、微觀的，具有很大的隨機性，其在流動中極為復雜，數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題，是由調節閥節流降壓后存在較為嚴重的氣蝕空化現象，加之該管配系統設計所需的穩態過渡管段過于偏短，使得節流降壓的兩相流體在到達管配三通盲板處時存在垂直向的空蝕腐蝕，三通盲板被蝕穿難于避免。基于運行試驗檢測，閥門內件不存在氣蝕腐蝕，三通盲板被蝕穿屬于低壓端管配系統設計不合理所致。

圖1 361調節閥

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，二者都將流體微團作為分析的微觀對象。流體力學數學描述是建立在所遵循的物理規律上，即質量守恒定律、能量守恒定律、動量守恒定律，三大定律方程為：

1）質量守恒方程

質量守恒方程又稱為連續性方程，即單位時間內流體微元體中質量的增加等于同一時間間隔內流入該微元體的凈質量[4]。

2）動量守恒方程

上式對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生在微元體表面上的粘性應力的分量，Fx，Fy，Fz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，ST為粘性耗散項。

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量輸運方程，依據氣泡動力學方程引入質量轉換，從而能更好的模擬兩相在空間真實的分布。

1）氣泡動力學方程

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表示遠場壓，SRB表示氣泡半徑。

2）氣相輸運方程

2.3 Schner and Sauer Model定義輸運方程

3 調節閥及管配系統空化特性分析計算

3.1 分析計算結構模型的建立

依據調節閥及管配系統設計，其流體區域具有較好的對稱性，空化特性分析計算可簡化為二維平面模型，如圖3所示。利用ICEM對其進行網格劃分，由于喉口部分流場特性復雜，對該部分進行了網格加密處理，如圖4所示。

圖3 流體部分二維圖

圖4 流體部分二維網格

3.2 流體動力學模型的確定

Fluent提供的流體湍流模型為：單方程（Spalar-Allmaras）模型，雙方程模型（標準k ε- 模型、重整化群k ε- 模型、可實現k ε- 模型）及雷諾應力模型和大渦模擬[6]。其中可實現k ε- 模型適用的范圍較廣，對于剪切流、自由流、邊界流等模擬的效果都比較好，故本研究采用可實現k ε- 動力學模型進行分析研究。

3.3 工況條件

該361調節閥及管配系統在開度13.5%的工況條件下，進口壓力12.77Mpa，質量流201.6t/h，工作溫度325℃（598K）。查取飽和蒸汽水表可知，在此種狀態下介質為低于350℃的飽和蒸汽水，同時介質處于臨界邊線附近，在溫度不變的情況下壓力的微小變化都會引起介質狀態的變化。

4 空化特性數值模擬及結果分析

4.1 閥門的流通能力計算

流通能力是調節閥的基本性能要求，也是評價其調節特性設計的主要依據。根據通用閥門流量系數和流阻系數計算方法（JB/T-5296-91），結合上述分析計算結構模型，以常溫水為介質，進出口壓差為35Kpa，采用Fluent分析計算該調節閥流量系數和流阻系數調節規律如圖5、圖6所示。

圖5 閥門不同開度下流量系數

圖6 閥門不同開度下的流阻系數

從圖5可以看出，在不同開度條件下流量系數曲線基本呈線性變化，達到調節閥（361）的設計要求；從圖6可以看出，在開度13%以下流阻系數較大，開度超過30%以后流阻系數趨近平穩，表明調節閥及管配系統在開度13.5%的工況條件流通能力存在一定得波動性。盡管如此，其結果較好的達到了調節閥（361）設計的要求。

4.2 改進前閥門及管配系統空蝕特性計算

如前所述，閥門及配管系統三通盲板被蝕穿時開度為13.5%，進口壓力12.77Mpa，質量流201.6t/h，工作溫度325℃（598K）。 將其工況條件作為加載參數，以3.1、3.2所述計算模型和動力學模型為基礎，采用Fluent進行分析計算得到其流速分布和氣液空化分布規律如圖7、圖8所示。

圖7 閥門模擬速度云圖

圖8 工況下汽液分布（紅色為汽相）

從圖7可以看到，部分介質流沿管壁高速流向三通盲板處，在盲板轉彎處的速度達到了114m/s，對三通盲板形成了極大的沖涮作用，遠大于調節閥及管配系統常規設計流體介質流速小于80m/s的得要求。在如此高速度下，流動過程中的汽泡會反復撞擊壁面，是導致三通處的閥壁嚴重破壞的主要原因之一。

同時從圖8可以看到在流體介質流過喉口后，極大部分區域被汽化（空化），汽化產生的氣泡極大的干擾了穩定的流態，并在管配系統后續段乃至轉彎后同樣存在汽化（空化）現象，說明高溫飽和蒸汽經節流降壓后在管配系統的流態極不穩定，在三通盲板存在有空化低壓區，底板附近產生較強的渦流，極大地加速了汽泡反復撞擊壁面的空蝕汽蝕，在較短的時間內蝕穿，這與該系統試運行被蝕穿（6小時）的實際情況相符。

4.3 改進后閥門及管配系統空蝕特性計算

從閥門及配管系統改進前空蝕特性計算結果來看，閥門節流降壓調節能滿足13.5%開度蝕的設計設計要求，并且閥門內件完好無損，產生管配系統三通轉彎盲板被蝕穿的主要原因在于受電廠地理位置和構建物的限制，管配三通轉彎前穩流緩沖段僅2.9倍管徑，遠小于7～10倍管徑的常規管配系統設計要求，使得產生極度空化的渦流介質未得到足夠的緩沖降速便高速轉彎沖擊盲板，產生被蝕穿的故障現象。

為此提出了加長管配三通盲管段及增大閥門節流降壓后氣體介質的緩沖容積的改進設計方案，以達到降低介質流得流速和氣蝕空化，進而降低介質氣蝕空化對管配系統的空蝕汽蝕。該加長三通盲管段的改進方案，采用前述相同的空蝕特性分析計算方法，得到其流速分布和氣液空化分布規律如圖9、圖10所示。

圖9 改進后的速度云圖

圖10 改進后汽液分布圖

從圖9可以看出，由于管配三通盲管段加長和緩沖容積增大，在三通轉彎處介質流速有所降低，其高速介質在盲管段前端產生較大的渦流效應，使其到達三通盲板的流速明顯降低，盡管對后續介質流得穩定性存在一定得影響，但在實際使用中完全能滿足系統的使用要求；從圖10中看出，整過管配系統在三通轉彎前介質空化特性趨于穩定，對管壁的空蝕較小，在轉彎后出現一定的空化波動，這是由于氣體介質流動方向改變所致，屬于較為合理的流態。

表1 改進前后底板的相應情況

通過表1可知，改進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，渦流現象明顯減弱。

5 結論

本文基于氣體兩相流空化流動方程，利用Fluent對某電站鍋爐國產化361調節閥及管配系統進行空蝕特性分析計算研究，通過調節閥及管配系統改進設計前后分析計算，以及與實際失效結果比較，可得出以下結論：

1）空化及空蝕現象的產生是導致該調節閥及管配系統失效的主要原因之一。介質流動的過程伴隨著氣泡的生長與潰滅，高速流動帶著氣泡與閥壁產生摩擦或撞擊，氣泡破滅時產生的激流對金屬壁面沖擊是致命的損傷，反復作用最終可使系統加速失效。

2）通過結構改進加長尾管后，增大節流降壓氣液兩相介質的緩沖作用，可有效降低流體介質的速度、穩定壓力及含空化率，阻止氣液波動對系統的影響，進一步表明了調節閥至氣液轉向緩沖穩流長度大于7～10倍管徑常規管配系統設計要求合理性。

3）通過加載兩相實現k ε- 動力學模型對高溫高壓過熱蒸汽兩相流進行空蝕特性分析計算其結果與實際問題基本吻合，證明了該分析方法的合理性，具有有較好的實用性，對于其它系統設計分析研究也有一定的指導作用。

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