高溫氣冷堆示范工程主給水隔離閥空化及振動風險分析

（中核能源科技有限公司，北京 100193）

高溫氣冷堆示范工程是世界首臺具有四代核電特征核電站。主給水隔離閥是核安全2級閥門,當蒸汽發生器傳熱管發生斷管事故時，需要快速關斷主給水隔離閥，以切斷主給水管道，防止更多的水通過蒸汽發生器斷管處進入反應堆一回路。主給水隔離閥，作為核電站幾大關鍵閥門之一，安全運行的可靠性至關重要。由于閥門口徑較大，全流量性能試驗臺架造價高，國內外工廠及國家試驗室均不具備全流量全功能試驗的條件。目前示范工程所采購主給水隔離閥產品的樣機試驗、出廠功能試驗時都是在非全流量情況下做的非循環試驗，無法完全模擬實際工作狀態下的閥門流場的變化情況。本文采用ANSYS CFX軟件對該閥門在不同開度下閥門及出口管路中的流動進行數值模擬分析，輔助驗證了該閥門的可靠性、預警存在的風險，為示范工程的安全設計和主給水系統的設計提供了依據。

1 流場分析

1．1 基本條件

主給水隔離閥的主要參數如下：

工作壓力：16.5MPa

工作溫度：205℃

介質：無離子水

流量：96.22kg/s

關閥時間要求：＜5s

1．2 計算模型

本文分析采用RNG k-ε雙方程模型，控制方程如下：

連續性方程：

動量方程：

k方程：

ε方程：

式中：ρ和μ分別為體積分數平均的密度和分子黏性系數p為壓力；μt為紊流黏性系數，它可由紊動能k和紊動耗散率ε求出：

采用有限體積法對上述方程進行離散，時間和空間均采用二階精度格式，壓力速度耦合采用壓力隱式算子分割法PISO算法。

1．3 邊界條件

主給水隔離閥關閉時間要求小于5s，因此，假設在關閉過程中，進口的壓力和進出口的流量恒定。

入口邊界條件設為工作壓力16.5MPa，

出口邊界條件設為流量：96.22kg/s。

1．4 模型和網格

為了保證閥門進出口邊界條件準確，把進口管和出口管做了延長，進口延長了5倍直徑的長度，出口延長了10倍直徑的長度，避免出現回流現象，影響流場分布的計算結果。

利用ICEM軟件進行網格劃分。閥體結構復雜，采用四面體網格；進出口流道采用六面體網格，交界處的網格尺寸保持一致，既保證迭代精度同時又控制網格總數，加快計算速度。

圖1 三維模型示意圖

圖2 閥體網格示意圖

2 結果分析

2．1 不同開度下的壓力場分布

流體溫度為205℃，在此溫度下內，水的飽和蒸氣壓為1.772MPa。從上述壓力分布可以看出，閥門全開情況下最低壓力接近于16.5MPa，遠遠大于1.772MPa，因此閥門在其正常運行情況下幾乎不會產生空化現象。隨著開度逐漸減小，流場的最低壓力逐漸降低，但在5%開度下的最低壓力也在7MPa左右，也遠遠高于1.772MPa。并且，考慮到閥門從5%到全關閉的時間很短，因此可判斷在閥門正常快速關閉過程中，不會有空化現象產生。

2．2 極小開度（1%）下,流場壓力分布情況

在極小開度下，閥后流域的壓力均接近飽和蒸汽壓，存在產生空化現象的風險。閥門此時的流通面積較小，流速急劇增加，壓力急劇下降，這會導致閘板與閥座之間形成低壓區域，即文丘里效應。在閘板背部固壁存在兩處明顯低壓區域，如果長期在此開度下工作，根據空化原理，閘板背面和出口管路靠近閘板的管壁將是發生空蝕的高風險區域。

2．3 不同開度下的速度場分析

（1）當開度減小到50%的時候，在閥門閘板背面有明顯的渦產生，隨著開度變小，單個渦的區域逐漸增大，渦產生頻率逐漸增大。因此，在閥門關閉的過程中，閘板后方的流動狀態很劇烈，渦的產生和脫落將造成閥門及管路的振動。

（2）在開度小于10%左右情況下，閘板與閥座之間的區域出現射流。如果閥門出現關不到位的情況，導致長時間在小開度下工作，則閘板密封面將因長期被高速沖擊而受到損傷。

3 結論及應用

3．1 計算結論

通過上述計算結果和分析，我們可以得出以下結論：

（1）閥門在正常工作狀態下（即全開情況下）不會產生空化；（2）閥門在正常動作（快速關閉）狀態下，不會產生空化；（3）閥門在正常動作（快速關閉）過程中，閘板不會產生明顯振動；（4）閥門在正常動作（快速關閉）過程中，閥門和出口連接管路會產生振動和噪音；（5）若長時間在極小開度下使用，則產生空化和空蝕現象的風險較大；（6）若長時間在小開度下使用，則產生射流現象，損傷閥門密封面的風險較大。

以上計算結論不僅輔助驗證了主給水隔離閥產品在實際工況下正常運行的可靠性，同時也預警了當主給水隔離閥長時間處于小開度下運行時，產生空化空蝕現象風險較大，同時射流的存在會對閥門密封面造成損傷，而閥門及出口管路與流體產生共振的風險較大，這些情況都會對閥門及管路造成嚴重損壞。

3．2 工程應用

（1）工程上已采取的預防措施。主給水隔離閥的功能是事故工況下關閉，隔斷二回路的水，對系統安全有很重要的作用。針對計算識別出的風險,我們已在示范工程的設計上采取相關的預防措施：在主給水閥關斷信號發出時,同時給二回路加壓泵和加熱裝置發出停止信號,以降低主給水溫度,降低產生空化造成的設備損壞的風險，得到了相關部門的認可。

（2）輔助高溫氣冷堆示范工程主給水系統工程設計。①針對閥門關閉過程中射流引起的壓差和水錘效應，重新校核了設計壓力的裕量。②根據計算結果中X方向的振動情況，在閥門支吊架設計中增加了X方向的約束，防止閥門的振動造成管路的損傷；③在進行60萬千瓦的高溫堆商業電站設計時，已優化了布置方案，將六條主給水管路呈六邊形方式布置在豎井中，縮短了X方向的管路長度，減少閥門振動和噪音方面的影響。