濕蒸汽對(duì)AP1000核電汽輪機(jī)中調(diào)門(mén)氣動(dòng)力矩的影響

劉彥豐， 張旭瑞， 霍玉恒

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定071003)

濕蒸汽對(duì)AP1000核電汽輪機(jī)中調(diào)門(mén)氣動(dòng)力矩的影響

劉彥豐， 張旭瑞， 霍玉恒

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定071003)

摘要：為了解核電汽輪機(jī)濕蒸汽對(duì)中壓進(jìn)汽蝶閥的氣動(dòng)力矩的影響，利用FLUENT中Mixture多相流模型對(duì)AP1000核電汽輪機(jī)中調(diào)門(mén)的氣動(dòng)力矩進(jìn)行汽水兩相流數(shù)值模擬，分別對(duì)中調(diào)門(mén)不同開(kāi)度下濕蒸汽汽水兩相流和蒸汽單相流氣動(dòng)力矩的模擬結(jié)果進(jìn)行比較分析。結(jié)果表明：中調(diào)門(mén)開(kāi)啟過(guò)程中，氣動(dòng)力矩先逐漸增大，最大值發(fā)生于中調(diào)門(mén)40°開(kāi)度時(shí)，中調(diào)門(mén)開(kāi)度繼續(xù)增大，氣動(dòng)力矩逐漸減小。濕蒸汽汽水兩相流對(duì)中調(diào)門(mén)的氣動(dòng)力矩為蒸汽單相流的兩倍之多，增加了閥門(mén)發(fā)生卡澀故障的風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：核電；汽輪機(jī)；濕蒸汽；中調(diào)門(mén)；氣動(dòng)力矩；數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào):TK264

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.10.014

收稿日期：2015-07-28。

作者簡(jiǎn)介：劉彥豐(1965-)，男，教授，主要從事高效清潔燃燒技術(shù)及環(huán)境污染控制方面的研究,E-mail：liuyf100@sina.com。

Abstract：To understand how wet steam in nuclear power steam turbine affects the pneumatic torque of medium-pressure butterfly valve, the mixture multiphase flow model in FLUNET was first used to make numerical simulation for wet steam’s two phase flow. The simulation is about the pneumatic torque of mid-pressure control valve in AP1000 nuclear power steam turbine. And then the pneumatic torque’s simulation results of wet steam’s two-phase flow and single phase flow were compared under valve’s different openings. The results show that the pneumatic torque increases gradually until the maximum occurs in valve’s 40 ° opening and that with the valve’s opening getting bigger than 40° the pneumatic torque gradually decreases. The aerodynamic torque decreases when the valve’s opening continues to increase. The pneumatic torque of the wet steam’s two phase flow is more than double that of steam single-phase flow, thus increasing the risk of valve’s jam fault.

Keywords：nuclear power; steam turbine; wet steam; mid-pressure control valve; pneumatic torque; numerical simulation

0引言

核電汽輪機(jī)組的進(jìn)汽初參數(shù)低，有效熱焓降較小，導(dǎo)致進(jìn)汽質(zhì)量流量較大。同等容量的核電汽輪機(jī)組進(jìn)汽量約為火電機(jī)組的2倍，容積流量為4～6倍，所以核電汽輪機(jī)組的尺寸比相同功率的火電機(jī)組大很多[1，2]。蝶閥在輸送流體的管道內(nèi)起到調(diào)節(jié)和截?cái)嘟橘|(zhì)流動(dòng)的作用，因其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)且適用于大中口徑管道,因此在核電汽輪機(jī)進(jìn)氣管道得到了廣泛應(yīng)用[3]，而大流量蒸汽流經(jīng)蝶閥時(shí)對(duì)閥桿產(chǎn)生的扭矩很大，蝶閥在啟閉過(guò)程中常存在卡澀故障，所以對(duì)于蝶閥不同開(kāi)度下蒸汽對(duì)閥桿產(chǎn)生的扭矩即氣動(dòng)力矩的研究十分必要。

利用工程計(jì)算雖然也能估算蝶閥所受力矩大小，但由于蝶閥結(jié)構(gòu)各異，難以得到力矩的準(zhǔn)確值。隨著計(jì)算流體力學(xué)(CFD)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)值模擬對(duì)蝶閥內(nèi)的流動(dòng)模擬及氣動(dòng)力矩求解顯然是十分可取的。文獻(xiàn)[4～9]對(duì)汽輪機(jī)高壓進(jìn)汽閥內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。文獻(xiàn)[10～12]對(duì)蝶閥氣動(dòng)力矩進(jìn)行了模擬求解。已有的對(duì)于閥門(mén)氣動(dòng)力矩的研究大多是針對(duì)蒸汽單相流的，而AP1000核電汽輪機(jī)進(jìn)口蒸汽為飽和濕蒸汽，閥內(nèi)的單相流數(shù)值模擬已經(jīng)無(wú)法真實(shí)反映其內(nèi)流特征及蝶閥的氣動(dòng)力矩。本文利用FLUENT提供的Mixture多相流模型對(duì)AP1000核電汽輪機(jī)中調(diào)門(mén)的氣動(dòng)力矩進(jìn)行數(shù)值模擬。為了突出濕蒸汽對(duì)蝶閥氣動(dòng)力矩大小的影響，證明兩相流模擬更符合實(shí)際情況，將兩相流模擬結(jié)果與相應(yīng)的單相流的模擬結(jié)果進(jìn)行比較，得出濕蒸汽對(duì)中調(diào)門(mén)氣動(dòng)力矩的影響。

1幾何建模和網(wǎng)格劃分

該AP1000核電汽輪機(jī)中壓進(jìn)汽蝶閥為主汽閥和調(diào)節(jié)閥一體的聯(lián)合進(jìn)汽閥，主要由閥體、閥桿和閥碟組成。該蝶閥直徑為1 200 mm，蝶閥的CFD模型與實(shí)物的比例為1∶1，模型結(jié)構(gòu)如圖1所示，閥碟中間厚度最大為300 mm，邊緣厚度最小為20 mm。

圖1　蝶閥結(jié)構(gòu)

為了提供一個(gè)完整的流動(dòng)分析模型并保證流場(chǎng)的充分穩(wěn)定性，取蝶閥及前部管道L1=5D和后部管道L2=10D作為計(jì)算域，將整個(gè)流道模型劃分為閥體和管道兩部分。閥碟附近的流道空間采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，進(jìn)出口管道采用結(jié)構(gòu)六面體網(wǎng)格。取劃分網(wǎng)格數(shù)分別為120萬(wàn)、150萬(wàn)、200萬(wàn)時(shí)，閥門(mén)管道內(nèi)同一點(diǎn)的蒸汽流速和壓力幾乎沒(méi)有差別，說(shuō)明所設(shè)置的3種網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果影響很小，可認(rèn)為120萬(wàn)網(wǎng)格已經(jīng)達(dá)到網(wǎng)格無(wú)關(guān)，為節(jié)省數(shù)值模擬運(yùn)行內(nèi)存和運(yùn)行時(shí)間，取120萬(wàn)的網(wǎng)格作為計(jì)算網(wǎng)格。圖2為調(diào)節(jié)閥碟開(kāi)度為40°時(shí)的網(wǎng)格劃分情況。

圖2　網(wǎng)格劃分

2計(jì)算模型

蝶閥內(nèi)部流場(chǎng)的流動(dòng)為三維粘性流動(dòng)，基于不可壓縮流動(dòng)的雷諾時(shí)均方程組求解，使用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模擬湍流流動(dòng)；方程中的對(duì)流項(xiàng)均采用二階迎風(fēng)格式離散，離散方程的求解采用壓力耦合方程組的半隱式方法。流動(dòng)為定常流動(dòng)，計(jì)算收斂標(biāo)準(zhǔn)為最大殘差小于10-4。計(jì)算時(shí)進(jìn)口邊界為速度進(jìn)口，出口邊界為壓力出口，其余邊界均設(shè)為固體邊界。

Mixture(混合)模型是一種簡(jiǎn)化的多相流模型。混合模型模擬的多相流中，各相以不同速度運(yùn)動(dòng)，但在局部空間尺度是平衡的，相間耦合較強(qiáng)。混合模型允許各相相互穿插，在一個(gè)控制容積內(nèi)任意相的體積分?jǐn)?shù)可以取0～1之間的任意值。混合模型求解混合物的動(dòng)量方程、連續(xù)性方程和能量方程、次級(jí)相體積分?jǐn)?shù)方程以及相對(duì)速度的代數(shù)表達(dá)式來(lái)模擬n個(gè)相(流體或顆粒)的運(yùn)動(dòng)。該模型還可以用于模擬相間耦合非常強(qiáng)、各相以相同速度運(yùn)動(dòng)的均勻多相流。

對(duì)于本文中壓進(jìn)汽閥內(nèi)汽水兩相流的數(shù)值模擬作如下假設(shè)：流體相均為不可壓縮流體，液滴也為連續(xù)介質(zhì)，每項(xiàng)的物理特性均為常數(shù)；液滴為球形，粒徑均勻，且不考慮相變。蒸汽在高壓缸膨脹作功后，濕度可達(dá)10%～12%，然后進(jìn)入汽水分離器去濕及再熱，蒸汽濕度可達(dá)到0.5%，液滴粒徑一般為0.5～2 μm。本文取液滴所占體積分?jǐn)?shù)為0.5%，液滴粒徑為0.5 μm進(jìn)行數(shù)值模擬。

3模擬結(jié)果

通常中壓主汽閥只有全開(kāi)和全關(guān)兩種狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥用來(lái)調(diào)節(jié)蒸汽流量和壓力，通過(guò)改變蝶閥閥碟轉(zhuǎn)過(guò)的角度，調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的進(jìn)汽量，控制機(jī)組的主力和轉(zhuǎn)速，適應(yīng)不同工況的需要，所以本文對(duì)中壓調(diào)節(jié)閥不同開(kāi)度下的氣動(dòng)力矩進(jìn)行數(shù)值模擬。

蒸汽流經(jīng)中壓調(diào)節(jié)閥碟時(shí)，將對(duì)閥碟轉(zhuǎn)軸兩側(cè)產(chǎn)生不等的作用力，因而產(chǎn)生氣動(dòng)力矩。閥碟兩側(cè)的壓差一定程度上影響了閥碟兩側(cè)作用力，所以對(duì)調(diào)節(jié)閥不同開(kāi)度下的濕蒸汽兩相流進(jìn)行壓力損失模擬求解。為了顯示蒸汽中帶水對(duì)壓力損失的影響，將兩相流壓力損失結(jié)果與蒸汽單相流壓力損失進(jìn)行比較。

3.1　壓力損失模擬

蝶閥的流量特性為流體通過(guò)蝶閥的流量或相對(duì)流量與閥門(mén)開(kāi)度或相對(duì)開(kāi)度之間的關(guān)系[15]。中壓調(diào)節(jié)閥不同開(kāi)度下，進(jìn)入中壓缸的蒸汽量不同，調(diào)節(jié)閥不同開(kāi)度對(duì)應(yīng)的蒸汽質(zhì)量流量曲線(xiàn)圖如圖3所示。

圖3　開(kāi)度與流量曲線(xiàn)圖

分別對(duì)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度為10°，20°，30°，40°，50°，60°，70°，80°下蒸汽單相流與濕蒸汽汽水兩相流的壓損模擬結(jié)果比較如表1。

表1　單相流與兩相流壓損

由表1看出，兩個(gè)數(shù)值模擬得到的壓損數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)相同。調(diào)節(jié)閥開(kāi)度為10°時(shí)，閥門(mén)管道內(nèi)的通流面積小，但通過(guò)的蒸汽流量也小，所以此時(shí)壓損并不是最大的。隨著調(diào)節(jié)閥開(kāi)度增加，蒸汽流量相應(yīng)增加，壓損也逐漸增大，直至閥門(mén)開(kāi)度30°時(shí)壓損達(dá)到最大值，調(diào)節(jié)閥開(kāi)度繼續(xù)增加，通流面積增加，壓損隨閥門(mén)開(kāi)度的增大而減小。

在調(diào)節(jié)閥上述各個(gè)開(kāi)度下，汽水兩相流流經(jīng)閥門(mén)產(chǎn)生的壓損比單相流產(chǎn)生的壓損大很多，在數(shù)值上將近是單相流壓損的兩倍，由此看出蒸汽中帶水對(duì)閥門(mén)壓損影響非常大，濕蒸汽在核電汽輪機(jī)中壓閥內(nèi)的流動(dòng)嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行效率。

3.2　氣動(dòng)力矩

在數(shù)值模擬中，將閥碟轉(zhuǎn)軸定于y軸上，則閥碟轉(zhuǎn)軸所受氣動(dòng)力矩可表達(dá)為：

式中：y軸為閥碟圍繞轉(zhuǎn)動(dòng)的軸線(xiàn)；i為閥碟上網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)；n為網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)。Fx為沿x方向?qū)﹂y碟的作用力；Fz為沿z方向?qū)﹂y碟的作用力；x為作用力Fz到y(tǒng)軸的距離；z為作用力Fx到y(tǒng)軸的距離。

本文對(duì)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度分別為10°，20°，30°，40°，50°，60°，70°，80°時(shí)的閥內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，為得到中壓調(diào)節(jié)閥在不同開(kāi)度下所受氣動(dòng)力矩的大小，在Fluent菜單欄Report下選擇Forces選項(xiàng)，由于閥桿轉(zhuǎn)軸固定于y軸且閥碟是中心對(duì)稱(chēng)的，所以將Moment Center設(shè)置為(0，0，0)，Moment Axis設(shè)置為(0,1,0)，在Wall Zones選項(xiàng)下選擇調(diào)節(jié)閥碟前后兩個(gè)表面，輸出數(shù)據(jù),得到的數(shù)據(jù)就是數(shù)值模擬求解的氣動(dòng)力矩值。

為了說(shuō)明蒸汽含水對(duì)閥門(mén)氣動(dòng)力矩的影響，將濕蒸汽汽水兩相流和蒸汽單相流的氣動(dòng)力矩模擬結(jié)果列于圖4進(jìn)行比較。

圖4　數(shù)據(jù)比較

由圖4模擬結(jié)果看出，單相流和汽水兩相流氣動(dòng)力矩的模擬結(jié)果都隨著調(diào)節(jié)閥的開(kāi)啟過(guò)程先不斷增大，這主要是由于隨調(diào)節(jié)閥開(kāi)度增加，流量迅速增大，致使氣動(dòng)力矩的變大。當(dāng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度達(dá)到40°時(shí)合力矩均達(dá)到最大值，此后隨著開(kāi)度繼續(xù)增大，通流面積變大，而通流流量變化并不大，氣動(dòng)力矩變得越來(lái)越小。當(dāng)閥碟開(kāi)度達(dá)到90°即全開(kāi)的狀態(tài)下，由于閥碟兩側(cè)受到的蒸汽流對(duì)閥桿產(chǎn)生的力矩大小相等且方向相反，氣動(dòng)力矩為0，因此本文沒(méi)有對(duì)閥碟全開(kāi)時(shí)進(jìn)行數(shù)值模擬。隨著調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的增加，氣動(dòng)力矩的變化趨勢(shì)與壓損的變化趨勢(shì)都是先增大再減小。

調(diào)節(jié)閥碟開(kāi)度增大過(guò)程中，以閥桿軸為中心，閥體與閥碟之間的通流區(qū)域呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，以圖2調(diào)節(jié)閥碟為例，閥碟下側(cè)順著蒸汽流動(dòng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，而上側(cè)逆著蒸汽流動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)，閥碟兩側(cè)受到一個(gè)蒸汽力偶作用，形成合力矩。在閥門(mén)開(kāi)啟過(guò)程中，閥碟上側(cè)的前后壓差逐漸增大，受到的力矩逐漸增大，而下側(cè)受到的壓差逐漸減小，所受力矩也越來(lái)越小，則其合力矩必然逐漸增大。隨著閥門(mén)開(kāi)度不斷變大，閥碟面向出口側(cè)的氣流反作用力逐漸增加，對(duì)閥門(mén)形成一個(gè)反向作用力矩阻止閥門(mén)的開(kāi)啟，閥門(mén)開(kāi)度進(jìn)一步增大，反向力矩增加強(qiáng)度將大于正向力矩增加值，這時(shí)閥門(mén)所受氣動(dòng)力矩合力矩逐漸減小。調(diào)節(jié)閥所受氣動(dòng)力矩的大小由調(diào)節(jié)閥碟上下側(cè)所受力矩的合力矩決定，與整個(gè)閥門(mén)的總壓損沒(méi)有必然的同增減的關(guān)系。壓損的最大值發(fā)生于調(diào)節(jié)閥開(kāi)度為30°時(shí)，而氣動(dòng)力矩最大值發(fā)生于調(diào)節(jié)閥40°開(kāi)度。

從數(shù)值上分析，濕蒸汽汽水兩相流與蒸汽單相流氣動(dòng)力矩的模擬結(jié)果相差較大。由圖中可以看出，兩相流的流動(dòng)所產(chǎn)生的氣動(dòng)力矩幾乎為單相流的兩倍，這就要求閥門(mén)在開(kāi)啟過(guò)程需要的油動(dòng)機(jī)和關(guān)閉過(guò)程需要的彈簧提高接近一倍的輸出力矩。若油動(dòng)機(jī)或彈簧的輸出力矩未達(dá)到指定值，閥門(mén)將會(huì)產(chǎn)生卡澀故障，甚至造成事故，所以閥門(mén)管道內(nèi)蒸汽的濕度應(yīng)得到嚴(yán)格控制。

4結(jié)論

(1)中壓調(diào)節(jié)閥由閉合到全開(kāi)過(guò)程中，氣動(dòng)力矩先逐漸變大，當(dāng)開(kāi)度達(dá)到40°左右，氣動(dòng)力矩達(dá)到最大值。隨著開(kāi)度進(jìn)一步增大，氣動(dòng)力矩逐漸減小，直至調(diào)節(jié)閥全開(kāi)，氣動(dòng)力矩減小至0。

(2)調(diào)節(jié)閥不同開(kāi)度下，汽水兩相流通過(guò)閥門(mén)產(chǎn)生的壓損大致為單相流的兩倍，大大降低了機(jī)組的效率。兩相流對(duì)中壓調(diào)節(jié)閥桿產(chǎn)生的氣動(dòng)力矩也幾乎為單相流的兩倍，增加了發(fā)生卡澀故障的風(fēng)險(xiǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊曉輝,單世超. 核電汽輪機(jī)與火電汽輪機(jī)比較分析[J]. 汽輪機(jī)技術(shù),2006,48(6):404-406，438.

[2]鄧曉暉,徐仕海. 核電汽輪機(jī)中壓蝶閥卡澀的超速分析[J]. 東方汽輪機(jī),2013,(2):15-19.

[3]崔寶玲,尚照輝,石柯,等. 基于CFD的蝶板結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)及數(shù)值分析[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào),2013,31(6):523-527.

[4]胡志強(qiáng),王鵬. 百萬(wàn)核電汽輪機(jī)再熱蝶閥閥板氣動(dòng)力矩分析[J]. 熱力透平,2015,44(1):50-53.

[5]胡李鵬,巫志華,張曉,等. 1000MW超臨界機(jī)組給水泵汽輪機(jī)高壓進(jìn)汽部分?jǐn)?shù)值模擬[J]. 汽輪機(jī)技術(shù),2013,55(5):347-350.

[6]于靜梅,孟凡丹,劉盼盼,等. 600MW汽輪機(jī)組高壓聯(lián)合進(jìn)汽閥變工況內(nèi)部流場(chǎng)的特性分析[J]. 動(dòng)力工程學(xué)報(bào),2014,34(11):862-866.

[7]曹仲武. 中心型蝶閥流場(chǎng)的數(shù)值模擬及分析[J]. 化工管理,2015,(10):213-214.

[8]惠偉,劉應(yīng)征,王少飛. 蝶閥閥體后雙彎管道流場(chǎng)的數(shù)值模擬[J]. 動(dòng)力工程學(xué)報(bào),2014,34(6):450-457.

[9]Wang Y, Zhu Y, Shen X R, et al. Numerical simulation and experimental research of a new butterfly valve[J]. Applied Mechanics and Materials, 2012, 212-213:1255-1260.

[10]沈洋,金曉宏,楊科. 蝶閥三維流場(chǎng)仿真和閥板驅(qū)動(dòng)力矩求解[J]. 中國(guó)科技論文,2013,8(8):820-823.

[11]X Jin, Y Shen, Q Miao. Simulation of flow field and calculation of moment on valve plate for butterfly valve[J]. Applied Mechanics and Materials, 2013,312:186-190.

[12]Leutwyler Z, Dalton C. A CFD study of the flow field, resultant force, and aerodynamic torque on a symmetric disk butterfly valve in a compressible fluid [J]. J Press Vessel Technol, 2008, 130(20: 1030-1036.

[13]羅吉江. AP1000核電汽輪機(jī)的去濕防蝕技術(shù)[J]. 熱力透平,2014,43(4):265-268.

[14]李亮,李瑜,吳曉明,等. 汽輪機(jī)中濕蒸汽兩相凝結(jié)流動(dòng)研究[J]. 熱力透平,2008,37(4):235-239.

[15]李前敏,柏毅輝. 汽輪機(jī)閥門(mén)流量特性?xún)?yōu)化分析[J]. 電力科學(xué)與工程,2012,28(9):47-52.

Wet Steam’s Effect on the Pneumatic Torque of Mid-pressure Control Valve in AP1000 Nuclear Power Steam Turbine

Liu Yanfeng, Zhang Xurui, Huo Yuheng(School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003,China)