基于Fluent的凝結水氣動主調節閥防空化設計驗證

祝欣慰，騫宏偉，陳 寶，蔣永兵，顏炳良，諶傳江

（1.國核電力規劃設計研究院有限公司，北京 100095；2.重慶川儀調節閥有限公司，重慶 400707）

0 引言

凝結水氣動主調節閥進口壓力不高，但部分工況中閥后壓力較低，實際運行中閥門內部空化破壞較嚴重。普通的單級調節閥所能承受的最大壓力較小，容易出現空化、閃蒸等現象[1]。多級減壓調節閥以流量控制穩定、耐高壓等優點廣泛地應用在各種工業系統中，也被稱為防空化調節閥[2]。因此，為避免出現空化現象，設計出多級降壓的閥內件結構。

圖1 多級降壓結構防空化原理Fig.1 The principle of multistage depressurization on preventing cavitation

針對閥門防空化結構，學者做了較多的研究。彭建等[3]通過對串級式多級降壓閥門的研究，發現調節閥開度越大，閥內越容易產生空化現象。產生空化現象的主要部位在最后一級減壓區域的閥座與閥芯的交界面上，而且閥座表面的空化現象比閥芯表面更為嚴重；李樹勛[4,5]等對多層套筒閥的內部空化情況進行了模擬，發現多級降壓套筒達到了逐級降壓，限制流速的目的。閥內部加入多級套筒與均流罩，可有效抑制閥內部空化的發生與發展，基本能夠滿足防空化的要求；何秋玲[6]通過對串級式多級降壓做仿真模擬，發現該結構可有效防止閥門空化的產生；李軍業[7]通過對防汽蝕結構的研究，發現兩層多孔式的套筒在某些工況下防汽蝕效果較好；陳鋒[8]通過對電廠使用的閥門進行分析，發現多級節流降壓技術能有效防止閥門內部產生汽蝕。

通過查閱大量文獻，發現多級降壓結構的防空化效果較好。為滿足凝結水氣動主調節閥對防空化的要求，本文對所涉及的分段式三級套筒閥門內件結構進行了仿真模擬，驗證其防空化效果。

1 空化的產生及多級降壓結構防空化原理

空化包含了兩個階段，即閃蒸和空化[9]。當壓力為P1的流體流經節流孔時，流速突然急劇增加，靜壓驟然下降；當孔后壓力P2達到或低于該流體所在情況下的飽和蒸汽壓力Pv時，部分流體汽化成氣體，產生氣泡，形成汽液兩相共存現象，稱為閃蒸階段。在節流處后面，壓力逐漸恢復，升高的壓力壓縮氣泡，使氣泡突然破裂，稱為空化階段。氣泡破裂時所有的能量集中在破裂點上，產生幾千牛的沖擊力，沖擊波的壓力高達2×103MPa，大大超過了大部分金屬的疲勞破壞極限。同時，局部溫度高達幾千攝氏度。這些過熱點引起的熱應力是產生汽蝕破壞作用的主要原因[10]。

圖2 方案一：分段式三級套筒閥門結構示意圖Fig.2 Scheme 1：The general view of the piecewise three-stage cage multi-hole valve

圖3 方案二：單級套筒閥門結構示意圖Fig.3 Scheme 2：The general view of the single-stage cage multi-hole valve

目前，利用多級降壓的原理，國內外已有多種防汽蝕結構，其中典型的有迷宮式結構和多層套筒式結構[7]。高壓調節閥在設計過程中，解決的方案是利用多級節流降壓原理，如圖1所示。把入口處的高壓p1通過多級節流區域，逐漸降壓至出口處的壓力p2。這個思路就是在閥芯處設置多級節流裝置，并保證在每一次降壓后的壓力高于該處的飽和蒸汽壓力pv而不致發生空化的現象。

2 閥門節流組件的設計

根據ISA-RP75.23的介紹，閥門空化系數定義為：

圖4 分段式三級套筒閥門結構工況7下介質壓力分布云圖Fig.4 Contours of static pressure of the piecewise three-stage cage multi-hole valve working on condition 7

圖5 分段式三級套筒閥門結構工況7下蒸汽體積組分分布云圖Fig.5 Contours of volume fraction of the piecewise three-stage cage multi-hole valve working on condition 7

圖6 單級套筒閥門工況7下介質壓力分布云圖Fig.6 Contours of static pressure of the single-stage cage multi-hole valve working on condition 7

當此系數較低時，閥門容易產生空化現象。

根據對閥門的設計計算，凝結水氣動主調節閥的空化系數較低時主要出現在較小閥門開度下，空化系數較高時出現在較大閥門開度下。針對此種情況，為避免閥門結構出現大面積的空化現象，閥門設計節流組件成如下結構：較小閥門開度下，節流組件采用三層孔式套筒結構；中等閥門開度下，節流組件采用兩層孔式套筒結構；較大閥門開度下，節流組件采用單層孔式套筒結構。

圖7 單級套筒閥門結構工況7下蒸汽體積組分分布云圖Fig.7 Contours of volume fraction of the single-stage cage multi-hole valve working on condition 7

3 仿真模擬實驗

目前，歐拉—拉格朗日方法和歐拉—歐拉方法較多地應用于研究多相流方法。在Fluent中，共有3種歐拉—歐拉多相流模型，即VOF（Volume Of Fluid）模型、混合物模型和歐拉（Eulerian）模型。本文基于Fluent對閥門真實應用工況做空化仿真模擬實驗，湍流模型選用standardk-epsilon Model，多相流模型選擇Mixture，空化模型選用Schnerr-Sauer模型。

表1 介質空化過程中汽相質量和體積數據統計表Table 1 Statistical table of gas mass and volume data in the process of medium cavitation

1）分段式三級套筒閥門結構的仿真模擬

以其中最惡劣工況為例做仿真模擬測試：該工況介質為28℃的水，閥門前端壓力為P1=3.187Mpa，閥門后端壓力為P2=0.4371Mpa，飽和蒸汽壓力為P2=0.004Mpa。根據對閥門的設計計算，該工況下閥門相對開度為23%。通過Fluent仿真模擬實驗，閥門在該工況下的蒸汽體積組分分布云圖如圖4、圖5所示。

模擬結果顯示，多級套筒使閥門內介質壓力分級降壓，因而每層壓力降更小；閥門在該工況下的蒸汽體積組分最嚴重處占比為0.237，且僅在與閥塞接觸的最內層套筒上有零星的幾處空化現象。根據軟件計算結果，空化過程中汽相總質量為6.06×10-6g，總體積為10.93mm3。

2）單層套筒閥門結構工況7的仿真模擬測試

為對比多層套筒結構的防空化效果，將單層套筒閥門結構做仿真模擬實驗，同樣以該工況為實驗條件：介質為28℃的水，閥門前端壓力為P1=3.187Mpa，閥門后端壓力為P2=0.4371Mpa，飽和蒸汽壓力為P2=0.004Mpa。仿真模擬結果如圖6、圖7：

模擬結果顯示，閥門在該工況下的蒸汽體積組分最嚴重處占比為0.972，且僅在與閥塞接觸的最內層套筒上有零星的幾處空化現象。根據軟件計算結果，空化過程中汽相總質量為9.82×10-4g，空化總體積為1772mm3。

3）兩種結構的空化模擬對比

通過對其余工況在實際開度下的運行狀態做仿真模擬實驗，得到介質空化過程中汽相質量和體積數據，統計見表1。

模擬結果顯示，同種工況及同等流通能力下，分段三級式套筒閥門結構空化過程中汽相質量和體積遠小于單級套筒閥門結構中汽相的質量和體積。

4 結論

通過對凝結水氣動主調節閥兩種結構各使用工況的仿真模擬，對比分析結果可發現：針對凝結水氣動主調節閥的使用工況，分段式三級套筒閥門結構中轉換成汽相的體積、質量相對于單級套筒閥門結構較少，汽相所占的絕對量亦較少，因此判定，分段式三級套筒閥門結構應用于凝結水工況能有效防止閥門產生大面積的空化現象。