600MW汽輪機主汽調節閥流動特性的數值研究

大唐南京發電廠 210059

摘要：通過數值模擬600MW汽輪機主汽調節閥在全開狀態下的流動特征，對閥門內部流量分布狀況以及閥門壓損狀況進行分析，以期能夠為閥門結構改進工作做出一點貢獻。

關鍵詞：汽輪機；主調節閥；流動特性；數值模擬

大型汽輪機組的調節閥一旦受損，就會給機組經濟性帶來較大的影響，關于超過亞臨界參數的機組，調節閥每增加1%的壓損，高壓缸的效率大約就會降低0.4%。所以，利用閥門管理或者結構改進等措施對調節閥的壓損率進行降低，對汽輪機組運行效率的提高具有重要作用。

汽輪機主汽調節閥型腔的結構比較復雜，長時間以來都把實驗研究當作主要的探究方式。利用實驗研究雖然可以掌握閥門的整體性能，比如閥門損失、提升力曲線等，但是卻不能獲悉閥門內部的整體流程。由于改進閥門結構是結合設計人員對流動的設想與實際經驗來展開的，具有不確定性，因此難以得到更厚的結果。利用CFD方法對其進行研究，能夠全面了解閥門內部流動信息，進而了解更多科學的閥門結構。

文章建立在CFD方法基礎之上，分別用數值模擬了600MW汽輪機主汽門與主調門的內部流場，并且對聯合氣門研流程的壓損分布進行全面分析，提出指導性的閥門管理建議。

一、物理模型的創建

組成600MW汽輪機組的主調閥門系統包括：主汽閥兩個、調節閥四個。主蒸汽首先經過兩根主蒸汽管后再進入兩個主汽閥，然后被送進調節汽室，最后被四個調節閥送入汽輪機的噴嘴中，并對四組噴嘴進行膨脹做功。其中調節閥的配汽方式為2+3-4-4，具體可參見圖1。主蒸汽進汽的時候，2號和3號調節閥就會同時開啟，逐漸增加負荷到達一定程度后，4號和1號調節閥依次開啟。

圖1 600MW汽輪機調節閥展示圖

觀察其幾何結構，可以發現一個主汽閥與兩個調節閥共同構成一組，而且兩組是互相對稱的。其中閥組系統的內部流道結構可以參見圖2，在一個閥組中，距離主汽閥較近的被稱為A閥，較遠的被稱為B閥。

圖2 主汽調節閥組幾何結構示意圖

明確計算域后，就可以采用Gambit來劃分非結構化網格。在該算例中，應用了四面體網格對流道網絡進行劃分，網格的數量為200萬，具體可以參見圖3。其中邊界計算條件是壓力進口與速度進口。具體采用的是標準k-E模型與全三維N-S方程。在計算過程中，利用有限元法對邊界條件與被控制方程進行離散，壓力-速度耦合的求解則應用的是Simplec算法，其中、能量、棟梁、湍流耗散率和湍動能都應用的是二階迎風差分格式。應用IAPWS-IF97水蒸氣性質計算模型對蒸汽工質的熱力性參數進行分析。在該模型下，主蒸汽的溫度是540℃，壓力是16.59MPa，流量是1985t/h。

圖3 計算網格分析圖

二、計算結果與具體分析

為了能夠更加便捷的說明問題，在流量不變的前提下，更改調節閥的開啟順序，具體為2+3-1-4，具體來說就是在主蒸汽進汽過程中，同時開啟2號與3號調節閥，逐漸增加負荷，達到一定程度后再將1號與4號調節閥依次開啟。當對機組達到600MW時，就可用數值來模擬進氣閥的內部流場，并將兩種配汽方式所得結果進行對比。

其中閥門內部流線圖可以參見圖4，Z=O截面上閥組流體速度等值可以參見圖5，圖6-9則是各閥門典型界面與喉部速度等值線圖。在閥門內部，氣流流動的特點具體如下：第一，在調節閥與主汽閥的喉部位置都存在節流，并且氣流速度較大，主汽閥喉部氣流的最高速度為120m/s，調節閥A喉部氣流速度最高可達130m/s，調節閥B喉部最高氣流速度為170m/s。第二，蒸汽在進入主汽閥的咽喉位置后，氣流就會達到腔室上半部分，從而讓調節閥A和主汽閥間的腔室中形成大漩渦，局部形成了速度約為20m/s的低速區。第三，經過A/B閥的流量比例為47.3：52.7，經過A閥的蒸汽量比B閥約少5%。

圖4 閥門內部的流線圖

圖5 Z=O蒸汽速度等值線圖

圖6 調節閥A的喉部速度等值線圖 圖7 調節閥B的喉部速度等值線圖

圖8 主汽閥的喉部速度等值線圖 圖9 H-H截面速度等值線

在閥組流道系統中，蒸汽流動的總壓損是2.66%，主汽閥共損失了0.57%，占總損失的21%；調節閥共損失了2.09%，占總損失的79%。若是調節閥的流道具有高速蒸汽流動，那么就會產生壓損，而且通常都出現在調節閥的喉口位置。因為蒸汽在經過閥腔室流入閥喉位置的時候，通流的面積會急劇降低，導致蒸汽的流速迅速上升，尤其是垂直主流方向，速度呈梯度變化，進而使閥喉位置出現大面積的壓損。調節汽門與主汽門喉口后管道具有較好的擴壓效果，能夠大幅度降低總壓損率，至少可以減小2%。

通過對閥門內部的氣流流動進行觀察，可以發現蒸汽在進入主汽閥的喉部位置后會呈流線不斷上揚，蒸汽不能夠順利轉折，進入A閥的氣流較少，在主汽閥與A閥間就形成了漩渦及流動死區，不能夠均勻流動。而主汽閥周圍大部分的低能流體就逐漸流進A閥喉部，而其余流體大都繞過A閥閥桿后向B閥流進，由于A閥喉部具有一定的吸引力，流線開始向下稍微偏轉，一些流體就流進A閥喉部。當流體進入B閥的時候，已經得到充分轉折，就會迅速流入B閥喉部。所以，A閥的流程雖然比B閥短，但是損失卻比B閥要大，具體可以參見圖10。

圖10 壓損流程圖

三、總結

第一，根據計算結果，可以知道A調節閥的流量是47.3%，B調節閥的流量是52.7%，計算結果表明，A調節閥流量為47.6%，兩閥的流量大約相差5%。第二，蒸汽流動的總壓損是2.66%，主汽閥共損失了0.57%，占總損失的21%；調節閥共損失了2.09%，占總損失的79%。壓損大都是在高速蒸汽流動的調節閥流道中出現的。第三，通常在主汽閥與調節閥的喉口位置出現壓力損失。在調節閥的閥碟與閥座間會出現顯著的節流現象，蒸汽在B調節閥喉口位置的速度最高可以達到170m/s。第四，蒸汽在進入主汽閥的咽喉位置后，氣流就會達到腔室上半部分，從而讓調節閥A和主汽閥間的腔室中形成大漩渦，局部形成了速度約為20m/s的低速區。第五，調節汽門與主汽門喉口后管道具有較好的擴壓效果，能夠大幅度降低總壓損率，至少可以減小2%。

參考文獻：

[1]段倫，余偉權，陳嘉.某700MW汽輪機高壓調節閥改造[J].廣東電力，2014，07：30-33.

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