核電機組給水泵最小流量閥布置位置對閥門空化的影響

祝欣慰，顏炳良

（1.國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，北京 100095；2.重慶川儀調(diào)節(jié)閥有限公司，重慶 400707）

0 引言

泵在水量很小的情況下運行時，水在泵體內(nèi)長期受葉輪的摩擦發(fā)熱而使水溫升高。當水溫升高到一定程度后就會發(fā)生汽化，形成汽蝕。為保證主給水泵組所需的最小流量，避免發(fā)生汽蝕，核電機組在主給水泵出口與除氧器之間設(shè)置給水再循環(huán)管路。再循環(huán)管路上設(shè)有給水泵最小流量閥來控制再循環(huán)管路的流量。在機組啟動、運行或停機等各種工況下，給水泵最小流量閥都應該和主給水泵流量保持聯(lián)鎖關(guān)系并自動調(diào)節(jié)開度，保證通過主給水泵組的流量不小于其所需的最小流量。

其所在管系的工藝系統(tǒng)特點，在電站運行過程中給水泵最小流量閥內(nèi)工質(zhì)很容易產(chǎn)生空化現(xiàn)象，造成閥內(nèi)件及密封面的損壞，并引起閥門及相連管道的振動及噪聲[1-3]。因此，本文主要研究最小流量閥布置位置對閥門空化產(chǎn)生的影響。

1 最小流量閥空化產(chǎn)生原理

調(diào)節(jié)閥空化產(chǎn)生過程如下：調(diào)節(jié)閥前液體壓力為P1，調(diào)節(jié)閥后液體壓力為P2，液體工作溫度對應的飽和壓力為Pv。當液體流過調(diào)節(jié)閥節(jié)流處時，由于通流面積減小造成流速升高，液體壓力在節(jié)流處及其下游降低到低于該液體工作溫度對應的飽和蒸汽壓Pv。隨著調(diào)節(jié)閥下游流通面積的增大，流道內(nèi)的流速降低、壓力逐漸升高，當壓力升高到大于工作溫度下的飽和蒸汽壓時，氣泡逐漸潰裂破滅為液體，在液體中生成氣泡并潰滅的過程被稱為空化。調(diào)節(jié)閥內(nèi)產(chǎn)生的空化對調(diào)節(jié)閥的閥芯及其部件造成嚴重的沖刷和損壞，在調(diào)節(jié)閥的閥芯及其附屬部件的表面出現(xiàn)點蝕和材料缺失等現(xiàn)象[4]。流動過程中壓力和流速變化圖如圖1所示。

由于給水泵出口壓力較高，除氧器壓力較低，所以給水泵最小流量閥前后壓差較大，且該閥門內(nèi)工質(zhì)溫度為除氧器壓力下飽和溫度，閥后壓力比除氧器壓力略高，但基本接近除氧器壓力。因此，閥門最后一級節(jié)流件內(nèi)工質(zhì)很容易出現(xiàn)空化，從而引起對閥內(nèi)件及密封面的損壞，同時產(chǎn)生振動和噪聲。

消除調(diào)節(jié)閥空化的方法主要有以下3 個方面：1）第一種方法是通過控制壓力降來消除空化。如果通過閥門的壓力降經(jīng)過控制而使得局部壓力不會低于飽和蒸汽壓力，那么蒸汽氣泡就不會形成，沒有蒸汽氣泡的破裂，也就不會產(chǎn)生空化。這種方法主要集中于對閥門內(nèi)件結(jié)構(gòu)的研究，使用多級降壓內(nèi)件，把通過閥門的壓降分成數(shù)個較小的壓降，每一個較小壓降都確保其縮流斷面處的壓力大于蒸汽壓力；2）第二種方法是盡可能減小或隔離其破壞。這種方法的目標是把空化與閥內(nèi)表面隔離開來，并硬化那些會受到?jīng)_擊的表面。如在受沖蝕嚴重的部件使用高硬度合金或不銹鋼材質(zhì)，或在部件表面噴鍍硬質(zhì)合金層；3）第3 種方法是以某種方式改變工藝系統(tǒng)或布置，將閥后壓力P2 升高以致于縮流斷面處的壓力不會降到飽和蒸汽壓力以下，那么空化就可以避免了。如在閥門下游管路增加限流孔板來提高閥后壓力。以往學者對最小流量閥空化的研究多集中在多級籠罩或多級迷宮盤式閥內(nèi)件結(jié)構(gòu)的研究[5-8]、耐沖蝕材質(zhì)研究[9-11]及閥后增加節(jié)流孔板[12]研究。本文主要對最小流量閥布置位置進行分析研究，通過將閥門移到下游處具有一定靜壓頭的位置來提高閥后壓力，從而消除最小流量閥空化的產(chǎn)生。

2 最小流量閥高低位布置方案

由于給水泵最小流量閥很容易產(chǎn)生空化，使閥后管道極易出現(xiàn)汽水兩相流，對閥后管道產(chǎn)生沖蝕。為減小汽水兩相流對閥后管道沖蝕的影響，通常將給水最小流量閥布置在除氧器上方再循環(huán)接口附近且閥后管道盡量短。此布置方案為最小流量閥高位布置方案，由于最小流量閥標高高于除氧器液位且閥后管道很短，閥后壓力基本等于除氧器壓力。某核電機組給水再循環(huán)系統(tǒng)流程示意圖如圖2 所示。

圖3 最小流量閥高位布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the recirculation valve height arrangement

圖4 最小流量閥低位布置示意圖Fig.4 Schematic diagram of the low-position arrangement of the recirculation valve

圖5 最小流量閥高位布置模型Fig.5 Model of the recirculation valve height arrangement

圖6 最小流量閥低位布置模型Fig.6 Low-position layout model of the recirculation valve

由最小流量閥空化產(chǎn)生的原理可知，通過工藝或布置修改使閥后壓力P2 升高有助于消除閥門的空化問題。通過修改最小流量閥布置位置，將最小流量閥及前后隔離閥布置于除氧層地面上，使其低于除氧器液面標高，并將除氧器再循環(huán)接口由除氧器上方進水改為底部進水。由于除氧器液位與最小流量閥存在一定的高差，此時在最小流量閥后建立一段靜水柱壓差。此方案為最小流量閥低位布置方案。最小流量閥高位布置方案及低位布置方案分別如圖3、圖4 所示。

3 最小流量閥高低位布置對閥門空化的影響

3.1 最小流量閥工作參數(shù)計算

某核電機組給水系統(tǒng)配置3 臺33.3%電動定速給水泵組。額定工況下單臺給水泵組流量2717t/h，揚程877m H2O，泵組所需最小流量890t/h。額定工況下除氧器運行壓力1.026MPa.a，溫度181℃。除氧器正常液位標高約23.5m，給水泵組中心線標高約-7.5m。高位布置方案最小流量閥標高約26.5m，低位布置方案最小流量閥標高約20m。

根據(jù)給水再循環(huán)管道布置，針對高低位布置分別建立流體力學計算模型，計算最小流量下最小流量閥前后壓差。使用AFT Fathom 軟件進行建模計算，模型如圖5、圖6 所示。

兩種布置方案計算結(jié)果見表1。由表1 可以看出，低位布置由于在最小流量閥后建立一段靜水柱壓差，閥后壓力提高了約0.04MPa。

3.2 最小流量閥空化數(shù)值模擬計算

圖7 迷宮式最小流量閥整體三維模型Fig.7 Overall 3D model of labyrinth recirculation valve

圖8 迷宮式最小流量閥閥內(nèi)件示意圖Fig.8 Schematic diagram of labyrinth type recirculation valve trim

表1 最小流量閥高低位布置計算結(jié)果表Table 1 Calculation results of the high and low position of the recirculation valve

針對該核電機組給水泵組工作參數(shù)，研發(fā)了一種多級迷宮式最小流量閥。 該迷宮式調(diào)節(jié)閥閥內(nèi)件是由多層金屬盤片經(jīng)真空釬焊而成。所有迷宮盤片表面，通過電火花切割成多級節(jié)流槽。閥門入口高壓給水流經(jīng)一系列的直角彎道，由于其強大的流阻作用，使流速得到完全地控制，整個閥門的壓降由多級節(jié)流槽逐級分擔。由于每一級節(jié)流槽壓降較小，在其節(jié)流過程中局部最大壓降也相應減小，從而提高整個節(jié)流過程中的給水最小局部壓力，可以大大緩解最小流量閥中極易出現(xiàn)的空化、振動和噪聲問題。該最小流量閥整體三維模型如圖7 所示，迷宮式閥內(nèi)件示意圖如圖8 所示。

利用Solidworks 三維實體建模軟件，進行最小流量閥內(nèi)部流道三維建模。三維模型主要有閥體流道和迷宮式節(jié)流件流道組成。用CFD 進行數(shù)值模擬，介質(zhì)和邊界條件按照表1 中數(shù)據(jù)進行設(shè)置。在定常條件下，采用三維不可壓縮流體的N-S 方程和標準k-ε 湍流模型。使用CFD 前處理軟件進行三維模型網(wǎng)格劃分，將生成的網(wǎng)格導入CFD 軟件，并設(shè)置相關(guān)邊界條件。分別針對最小流量閥高低位布置兩種方案進行模擬計算。由于最小流量閥前壓力較高，遠高于除氧器溫度對應的飽和壓力。因此，空化最可能發(fā)生在最后一級或兩級節(jié)流槽內(nèi)。模擬計算結(jié)果如圖9、圖10 所示。

由計算結(jié)果可以看出，高位布置最小流量閥最后一級流道轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)了空化，而低位布置最后一級并沒有產(chǎn)生空化。計算結(jié)果表明，低位布置由于在最小流量閥后建立一段靜水柱壓差從而使閥后壓力比高位布置提高了約0.04MPa，閥后壓力的提高加上迷宮式節(jié)流槽分級降壓作用，可以消除最小流量閥的空化產(chǎn)生。

4 結(jié)論

本文對最小流量閥空化產(chǎn)生的原理進行了分析，對某核電機組給水泵最小流量閥高低位兩種布置方式進行了介紹，通過建模對兩種布置方式下最小流量閥運行參數(shù)進行了計算。針對該核電機組研制的一種多級迷宮式最小流量閥，分別對兩種布置方式進行了閥內(nèi)流場的數(shù)值模擬計算。本文得出以下結(jié)論：

1）由于核電站給水泵最小流量閥后壓力接近閥內(nèi)工質(zhì)運行溫度對應的飽和蒸汽壓力，在電站運行過程中最小流量閥內(nèi)工質(zhì)很容易產(chǎn)生空化現(xiàn)象。

2）低位布置方案，由于在最小流量閥后建立了一段靜水柱壓差，從而使閥后壓力比高位布置提高了約0.04MPa。

3）高位布置方案，最小流量閥最后一級流道轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)了空化。低位布置方案閥后壓力的提高加上迷宮式節(jié)流槽分級降壓作用，可以消除最小流量閥的空化產(chǎn)生。

圖9 高位布置最小流量閥模擬結(jié)果圖Fig.9 Simulation results of recirculation valve with high position

圖10 低位布置最小流量閥模擬結(jié)果圖Fig.10 Simulation result of recirculation valve at low position