閥門操作方式對系統運行優化研究

趙占奎　李福春　李加剛　余峰　黃仁忠　唐坤林　張義科　趙登山　蘇志偉　胡俊

摘 要：本文以反應堆的冷卻水系統為載體，利用實驗和Fluent數值模擬方法，對系統啟動時閥門開啟時間與開閥速度對其上游與下游裝置的振動特性和內部流動特性的影響進行了研究。研究表明：充滿水狀態下啟泵使出口壓力穩定達到0.25MP所用時間為2s，未充滿水狀態下啟泵使出口壓力穩定達到0.25MP所用時間為7s；在閥門開啟過程中，泵的振動瞬態變化規律和出口壓力的瞬態變化規律具有一致性，閥門以慢速（8s）開啟對泵運行的穩定性具有積極作用；以慢速（8s）開閥對閥門下游管道內部的流體特性產生很小影響。

關鍵詞：閥門開速 振動特性 流動特性 Fluent

中圖分類號：TH138 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）04（a）-0071-07

反應堆的很多系統是由管道、泵、閥門、電機與介質等相關組成。閥門是反應堆系統中重要的部件，其覆蓋反應堆的絕大部分系統。閥門是系統管道流動中的重要控制元件，通過閥門可以改變介質在管路中的流動方向、流體壓力、流體速度等流體參數[1-3]。由于閥門開度的瞬態變化，在閥門啟閉過程中極易在其上下游產生流量快速變化、壓力快速變化、漩渦、二次流、空化等復雜流動狀態，這些流體參數和流動狀態的產生與發展會最終導致系統中閥芯、泵、管道、電機和其它裝置的運行故障[4-7]。因此本文對系統啟泵和啟泵后閥門開啟瞬態過程開展研究具有重要意義。

本文以反應堆的冷卻水系統為載體，利用實驗和Fluent數值模擬方法，對系統啟動時閥門開啟時間與開閥速度對其上游與下游裝置的振動特性和內部流動特性的影響進行了研究，為制定該系統調試和維修保養過程中閥門操作方法提供重要依據。

1 實驗系統與研究內容和方法

1.1 實驗系統

本次實驗系統示意圖如圖1所示，實驗系統中流體介質為水，泵為單級長軸立式離心泵，泵的啟動振動數值應小于1.00mm/s。在整個系統中，介質在泵的作用下，通過管路、調節閥和閥門。實驗臺如圖1所示。

1.2 研究內容和方法

分別在水泵內充滿水和未充水的狀態下啟動泵，采集系統啟動瞬態運行的壓力表參數。在水泵內未充水的狀態下，閉閥啟動泵，待壓力穩定后將閥門以慢速（8s）、中速（6s）和快速（4s）的方式開啟，采集閥門的在開啟過程中系統瞬態運行時的壓力表參數和泵振動參數。

1.3 泵的啟動試驗

在水泵內未充滿水的狀態下，閉閥啟動泵，啟動過程的出口壓力變化如圖2所示。圖2為泵出口壓力隨啟動時間的變化規律，在啟動過程中的前2s壓力在0～0.01MP震蕩，雖然泵已啟動，但泵仍有短暫失壓，啟動2s之后出口壓力快速增大，直至啟動7秒后達到最大壓力0.25MP。

在水泵內充滿水的狀態下，啟動泵，啟動過程的出口壓力變化如圖3所示。圖3泵出口壓力隨啟動時間的變化規律，在啟動過程中的前0.5s出口壓力緩慢增加，啟動0.5s之后出口壓力快速增大，直至啟動2秒后穩定達到最大壓力0.25MP。

從圖2和圖3的出口壓力隨泵的啟動時間可以看出，充滿水狀態下啟泵使出口壓力穩定達到0.25MP所用時間（2s）少于未充水狀態下啟泵的所用時間（7s）；充滿水狀態下啟泵前期出口壓力振蕩小于未充水狀態下啟泵的振蕩，在未充水狀態下啟泵的振蕩并且可能為泵的短時無流量輸出時間。

1.4 閥門開啟試驗

對實驗閥門進行開啟時間分別為 快速（4s）、中速（6s）、慢速（8s）開啟過程的瞬態試驗。給出了不同開啟速度工況下泵的振動和出口壓力瞬態變化的情況。閥門開啟速度不同，泵的振動和出口壓力瞬態變化的情況也不同。圖4、圖5、圖6分別表示閥門以快速、中速、慢速開啟時泵的振動和出口壓力瞬態變化規律，圖中系列一為出口壓力（單位：MP）隨閥門開啟時間的變化規律，系列二為泵的振動（單位：mm/s）隨閥門開啟時間的變化規律，閥門是從閉閥出口壓力0.25MP調節至開閥出口壓力0.20MP。

當閥門快速開啟時，泵的振動和出口壓力的瞬變規律如圖4所示。從圖4中曲線可以看出開閥3s內出口壓力穩定下降，出口壓力從0.25MP～0.22MP，開閥3～4s內出口壓力在0.22～0.18MP震蕩，4～7s內出口壓力在0.18～0.27MP內劇烈震蕩，7s之后壓力出口從0.23MP平緩降至0.20MP；泵的振動瞬態變化規律和出口壓力的瞬態變化規律具有一致性，開閥3s內泵的振動數值從0.20mm/s快速上升到1.00mm/s，開閥3～7s內泵的振動數值在在0.60mm/s至1.60mm/s震蕩，超出了泵的要求值（啟動振動數值應小于1.0mm/s）；7s之后泵的振動數值從0.60mm/s平緩降至0.40mm/s。

當閥門中速開啟時，泵的振動和出口壓力的瞬變規律如圖5所示。從圖5中曲線可以看出開閥4s內出口壓力穩定下降，出口壓力從0.25～0.21MP，開閥4～8s內出口壓力在0.27～0.18MP震蕩，8s之后壓力出口平緩降至0.20MP；泵的振動瞬態變化規律和出口壓力的瞬態變化規律具有一致性，開閥4s內泵的振動數值從0.20mm/s上升到0.50mm/s，開閥4～8s內泵的振動數值在在0.50mm/s至1.30mm/s震蕩，超出了泵的要求值，8s之后泵的振動數值平緩降至0.40mm/s。

當閥門慢速開啟時，泵的振動和出口壓力的瞬變規律如圖6所示。從圖6中曲線可以看出開閥7s內閥門壓力穩定下降，出口壓力從0.25～0.21MP，開閥7～10s內出口壓力在0.22～0.19MP震蕩，10s之后壓力出口從0.21MP平緩降至0.20MP；泵的振動瞬態變化規律和出口壓力的瞬態變化規律具有一致性，開閥5s內泵的振動數值從0.20mm/s平緩上升到0.30mm/s，開閥5～8s內泵的振動數值快速上升至0.70mm/s，8s之后泵的振動數值從0.70mm/s平緩降至0.40mm/s。

從圖4、圖5和圖6泵的振動和出口壓力的瞬變規律可以看出，泵的振動瞬態變化規律和出口壓力的瞬態變化規律具有一致性；開閥速度越快，泵的振動瞬態變化和出口壓力的瞬態變化越劇烈。閥門開啟過程中流動介質突然發生變化導致壓力和振動突變，形成壓力波沿管道傳播，進而使系統受到瞬時高低壓的沖擊，瞬時高壓將會產生振蕩流動，而瞬時低壓又有可能產生空穴，發生汽蝕。瞬變強度不大時，整個系統會很快恢復到穩定狀態。但當閥門以快速、中速開啟時泵的振動超出了泵的要求值，如果系統運行在超過危險限制的條件下，加之調節不當，系統將處于強瞬變狀態。強瞬變發生時，輕則影響設備的使用壽命，重則會使設備受到損壞，進而造成運行中斷，嚴重時還會發生事故。總之閥門以慢速開啟對系統運行的穩定性具有積極作用。

2 數值計算

基于實驗參數設定邊界條件，在系統需求的閥門的開度下，利用Fluent軟件對閥門下游管路進行了穩態和瞬態工況下的數值模擬，分析了此開度對內部流動特性的影響。在進行閥門不同開度下瞬態和穩態過程數值計算時，根據實驗數據設定邊界條件。數值計算過程如下，網格質量大于0.9，湍流模型的選擇：RNG k-ε模型；計算域：閥門進口前端 3D（D 為閥門公稱直徑）至閥后20D的流動區域；邊界條件：穩態采用壓力入口和壓力出口邊界條件；瞬態仿真采用壓力入口和壓力出口邊界條件，壓力入口條件如圖7，y=0.0055x+0.2541（x為閥門開啟時間，y為此時的壓力入口輸入量）。

2.1 穩態計算結果分析

本文對閥門下游管道進行了流場分析，得到了相應的流場特性。本文只呈現了流場速度分布和壓力分布，如圖8中a、b所示，蝶板邊緣與閥座密封圈之間的間隙很小，流體的速度增大、壓力降低，產生喉口效應；喉口效應導致蝶板邊緣的前后均產生強烈的渦流，導致蝶板附近以及軸頸處流動紊亂、流速方向急劇變化如圖8中c所示。當流體繞流過蝶板邊緣以后在閥門的下游形成渦流動，到10倍管徑處，流體趨于平穩如圖8中d所示。

2.2 瞬態計算結果分析

本文對閥門下游管道進行了瞬態流場分析，圖3瞬態變化的速度分布，穩態工況與閥開啟慢速開啟時壓力變化規律為壓力入口時的瞬態工況模擬流場進行比較，從流場云圖可以看到，閥門下游形成的漩渦，在入口壓力的變化下，其狀態有所差異，尤其最初時所形成的漩渦；隨著壓力的降低可以發現速度云圖分布規律及分布趨勢基本相同，都在此時逐漸形成內部低壓高速流動區域，該區域的產生與宏觀特性上趨勢的拐點的產生基本一致，表現出了較強的一致性。

3 結語

（1）充滿水狀態下啟泵使出口壓力穩定達到0.25MP所用時間為2s，未充滿水狀態下啟泵使出口壓力穩定達到0.25MP所用時間為7s；充滿水狀態下啟泵未充水狀態下啟泵的振蕩。

（2）在閥門開啟過程中，泵的振動瞬態變化規律和出口壓力的瞬態變化規律具有一致性；開閥速度越快，泵的振動瞬態變化和出口壓力的瞬態變化越劇烈，總之閥門以慢速（8s）開啟對系統運行的穩定性具有積極作用。

（3）穩態工況與閥門慢速開啟時壓力變化規律為壓力入口時的瞬態工況模擬流場在初期其流場有所差異，隨著壓力的降低可以發現速度云圖分布規律及分布趨勢基本相同，說明了以慢速開閥對閥門下游管道內部的流體特性沒有很大影響。

參考文獻

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