Y 型截止閥在液態(tài)鉛鉍中流阻測量與分析

賀 建 朱志強 黃群英 汪 海 尚 華

Y 型截止閥在液態(tài)鉛鉍中流阻測量與分析

賀 建1,2朱志強2黃群英2汪 海2尚 華2

1（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 合肥 230027）2（中國科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所 中國科學(xué)院中子輸運理論與輻射安全重點實驗室 合肥 230031）

液態(tài)鉛鉍合金是加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)(Accelerator Driven Sub-critical System, ADS)反應(yīng)堆主選冷卻劑材料之一，閥門是高溫液態(tài)鉛鉍實驗回路的重要組成部件之一，它的流動阻力大小直接影響整個回路裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計與安全運行?；谝簯B(tài)鉛鉍流體測量技術(shù)實驗回路PREKY，開展了Y型截止閥在液態(tài)鉛鉍堆典型工況下的阻力特性測量實驗研究，利用壓差變送器獲得壓差實驗數(shù)據(jù)，并與理論計算結(jié)果進行對比分析，驗證了實驗測量方法的可行性和測量結(jié)果的合理性。另外，獲得了流速1.2–2.0m·s?1內(nèi)液態(tài)鉛鉍介質(zhì)中Y型截止閥流阻理論計算指數(shù)x值為2.4，此值可直接應(yīng)用于未來液態(tài)鉛鉍實驗回路流阻計算與分析工作。

液態(tài)鉛鉍，Y型截止閥，PREKY，流阻

加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)(Accelerator Driven Sub-critical System, ADS)由強流質(zhì)子加速器、散裂靶和次臨界反應(yīng)堆構(gòu)成[1–4]。液態(tài)鉛鉍合金由于具有良好的中子學(xué)性能、抗輻照性能和傳熱性能等，成為目前ADS散裂靶兼鉛鉍堆的主要候選冷卻劑材料[5]。液態(tài)鉛鉍實驗回路是開展ADS關(guān)鍵技術(shù)研究的必備實驗平臺，如鉛鉍合金與材料相容性、鉛鉍成分控制與純化技術(shù)、鉛鉍流動和傳熱特性、流體測量與控制技術(shù)等[6–9]。中國科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所FDS團隊建造了液態(tài)重金屬回路與材料技術(shù)綜合實驗平臺KYLIN，并開展了液態(tài)鉛鉍一系列關(guān)鍵技術(shù)研究，回路中鉛鉍流動典型實驗參數(shù)為溫度300–400 °C、流速1.0–2.0 m·s?1等[10–11]。

閥門作為高溫液態(tài)鉛鉍回路的重要組成部件之一，能起調(diào)節(jié)與控制鉛鉍流量的作用，它的服役特性直接影響整個回路裝置的穩(wěn)定與安全運行。當(dāng)工作介質(zhì)流過閥門時會產(chǎn)生一定的局部流動阻力，這種阻力會引起實驗回路中的驅(qū)動系統(tǒng)壓頭消耗和發(fā)熱量增加，引起流動不穩(wěn)定性，同時也與閥門內(nèi)部液態(tài)鉛鉍介質(zhì)流動速度分布和變化有關(guān)。

為了減少高溫液態(tài)鉛鉍實驗回路中閥門的阻力損失，提高驅(qū)動系統(tǒng)揚程，并確保液態(tài)鉛鉍回路安全穩(wěn)定運行。利用高溫液態(tài)鉛鉍流體測量實驗回路PREKY，針對Y型截止閥開展了典型運行工況下流阻特性測量實驗，獲得了一系列流阻數(shù)據(jù)，并將測量數(shù)據(jù)與理論計算值進行對比。同時分析了閥門在不同流速下的流體阻力及流阻理論計算指數(shù)的取值。此研究可為KYLIN系列鉛鉍回路關(guān)鍵技術(shù)的研究提供實驗依據(jù)。

1 Y型截止閥簡介

1.1 閥門結(jié)構(gòu)

Y型截止閥流道呈直流式，閥桿與流道保持45°夾角，主要由閥體、閥蓋、閥瓣、閥桿、波紋管、焊料等組成，如圖1所示。

圖1 Y型截止閥結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural diagram of Y-type globe valve.

1.2 流阻理論分析

由圖1可見，閥門結(jié)構(gòu)中的閥座和閥體突起，目前閥門的流動阻力值可以通過理論公式與工程經(jīng)驗獲取。

介質(zhì)通過Y型截止閥的壓力損失ΔP一般表示為[12]：

式中，A、B為工況條件不變情況下，閥門一定開度時為常數(shù)；v為介質(zhì)平均流速，m·s?1；x為計算指數(shù)，取值范圍為1.6–2.4[12]。

從式(1)可以看出，閥門壓力損失與速度取值成冪函數(shù)關(guān)系。

計算指數(shù)對于水介質(zhì)一般取x=2.0，而在液態(tài)鉛合金介質(zhì)中，閥門結(jié)構(gòu)和其它因素對指數(shù)x的影響及x的具體取值尚未見報道。因此，對于液態(tài)鉛鉍介質(zhì)，x的取值需要實驗研究以驗證式(1)的普適性。在介質(zhì)流速很低（層流狀態(tài)下）時，第一項Av起決定性作用；在其它情況下，第二項Bvx起決定性作用[12]。

2 實驗裝置與測量

2.1 實驗裝置

FDS團隊自主研制的液態(tài)鉛鉍流體測量技術(shù)實驗回路PREKY，如圖2所示。該回路的主要功能是開展液態(tài)鉛鉍流體測量與驅(qū)動等關(guān)鍵技術(shù)研究?；芈分饕?qū)動系統(tǒng)、加熱與保溫系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、計算機遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)等，并能夠?qū)崿F(xiàn)回路各溫區(qū)獨立測控溫功能。其中，驅(qū)動系統(tǒng)是一臺電磁驅(qū)動泵，流量可調(diào)?；芈分饕O(shè)計參數(shù)：流道內(nèi)徑?32mm；最大流速2.0 m·s?1；最高溫度500 °C；最大壓力2.0 MPa；鉛鉍總量約1t。

圖2 PREKY強迫循環(huán)實驗回路Fig.2 Forced circulation experimental loop PREKY.

2.2 測量方法

實驗測量過程中，管道內(nèi)液態(tài)鉛鉍流速高于1m·s?1，呈紊流狀態(tài)，故式(1)中Av值對閥門壓頭損失可忽略[12?13]，即簡化為：

另外，在紊流狀態(tài)下閥門流阻理論計算公式也可以表達為[14]：

式中，Z為Y型截止閥流阻系數(shù)；ρ為介質(zhì)密度，kg·m?3，即式(2)中的系數(shù)B為式(3)中的0.5Zρ。在相同溫度下，一定開度的閥門流阻理論值主要與液態(tài)鉛鉍流速大小相關(guān)。

圖3給出了閥門流阻測量示意圖。由工程經(jīng)驗得出，實驗測量過程中，Y型截止閥的壓力損失ΔP等于閥門進出口總壓力損失ΔP1減去對應(yīng)流速下直管道壓力沿程損失ΔP2[15–16]，即：

式中，ΔP1為Y型截止閥前后壓降，kPa；ΔP2為相同流速下相應(yīng)管道壓降，kPa；ρ為介質(zhì)密度，kg·m?3；v為介質(zhì)流速，m·s?1；L為管道長度，mm；D為管道內(nèi)徑，mm；λ為管道流阻系數(shù)。

圖3 閥門流阻測量示意圖Fig.3 Scheme on flow resistance measurement of valve.

本實驗中Y型截止閥前后端的壓力ΔP1是通過壓差變送器獲取，流速由電磁流量計實時采集獲得。因此，影響Y型截止閥流阻實驗測量的準(zhǔn)確度主要由壓差測量精度和鉛鉍流速測量精度等因素決定。

另外，在實驗中流速測量采用FDS團隊自主研制的電磁流量計（校準(zhǔn)范圍為1.0–2.0 m·s?1，精度約4%），壓力測量采用壓差變送器（測量范圍約為62.2 kPa，校準(zhǔn)范圍15–45kPa，精度0.2%）。

本實驗開展閥門全開狀態(tài)下流阻測量實驗，通過驅(qū)動系統(tǒng)調(diào)節(jié)整個回路的流速，利用已標(biāo)定的電磁流量計測量液態(tài)鉛鉍的流速，壓差變送器測量閥門兩端的壓降。通過理論計算公式(3)和工程經(jīng)驗公式(4)，計算出高溫液態(tài)鉛鉍環(huán)境中閥門流阻計算公式中指數(shù)x的取值。

2.3 實驗數(shù)據(jù)

理論公式和經(jīng)驗公式中相關(guān)參數(shù)分別為：實驗溫度控制在350 °C，鉛鉍密度ρ為10270kg·m?3，流速范圍為1.0–2.0m·s?1，L取500mm，D取32mm，λ取0.046，Z取1.0[12]。獲取的實驗數(shù)據(jù)如圖4所示。從圖4看出，在閥門開度100%狀態(tài)下，隨著流速的增大，閥門兩端壓差值逐步增大，這與理論分布特征一致，說明了閥門流阻測試結(jié)果的合理性。

在流速1.2–2.0m·s?1內(nèi)（即電磁流量計的校準(zhǔn)范圍內(nèi)），壓差變送器的測量值ΔP1在該儀器的校準(zhǔn)范圍(15–45kPa)內(nèi)。

圖4 閥門流阻測量實驗數(shù)據(jù)Fig.4 Experimental results on flow resistance measurement of valve.

3 結(jié)果分析

閥門流阻計算指數(shù)x先假定選取2.0（參考水介質(zhì)的取值）和最大值2.4進行參考分析。圖5給出了Y型截止閥在高溫液態(tài)鉛鉍中開度為100%狀態(tài)下不同流速對應(yīng)的流阻測量值與理論值對比曲線。

圖5 閥門流阻實驗數(shù)據(jù)與理論值對比曲線Fig.5 Comparative curves of the value flow resistance between experimental data and theoretical calculation.

從圖5中可以分析得出，如果參考水介質(zhì)下的x取值為2.0，此時理論計算值與實驗測量值相差40%–50%，說明水介質(zhì)和鉛鉍介質(zhì)下閥門的流阻相差較大。而當(dāng)閥門流阻計算公式中指數(shù)x取2.4時，在流速1.2–2.0 m·s?1內(nèi)（即壓差變送器測量校準(zhǔn)范圍內(nèi)，如圖5中虛線右側(cè)部分），理論計算值與實驗測量值相對偏差約10%。

從圖5看出，實驗值全都比理論值大，表明閥門流阻測量偏差主要為系統(tǒng)誤差，隨機誤差的影響較小。另外，由前面內(nèi)容可知，電磁流量計的最大測量誤差是4%，根據(jù)式(2)，當(dāng)x=2.4時由于最大流速誤差4%引起的閥門壓損誤差為10%。當(dāng)然，閥門流阻測量偏差10%實際包含有流速測量誤差、壓差變送器測量誤差和測量儀器安裝引起的系統(tǒng)誤差，以及環(huán)境因素（震動、空氣波動等）或操作不當(dāng)?shù)纫鸬碾S機誤差。

根據(jù)圖5，若x取值大于2.4，實驗值與理論值可能會更吻合。此時x取值看似更合理，但是由于測量誤差的存在，x的取值實際上并不合理。另外，根據(jù)工程經(jīng)驗公式(1)可知，x的合理取值最大為2.4。在此研究中，綜合考慮到測量誤差的影響，確定x取值為2.4，此時閥門流阻理論值與實驗值相差在10%范圍內(nèi)。

上述實驗數(shù)據(jù)說明壓差變送器測量數(shù)據(jù)是合理的，即壓差傳感器在校準(zhǔn)范圍(15–45kPa)和流速1.2–2 m·s?1內(nèi)，實驗測量壓差值與理論計算值的誤差在10%以內(nèi)。

為利用此實驗數(shù)據(jù)擬合分析出閥門的理論計算公式，使閥門在流速1.2–2.0 m·s?1內(nèi)具有理論計算普適性，擬采用最小二乘法對式(1)中A、B常數(shù)進行擬合分析，獲得優(yōu)化后的參數(shù)A=0.8227、B=5.1987。從而獲得閥門流阻值與理論值的修正曲線，如圖6所示。從圖6看出，在流速1.2–2 m·s?1內(nèi)，閥門實驗測量流阻值與擬合值之間的相對誤差低于1%，可以作為今后閥門流阻理論計算分析參考依據(jù)。

圖6 閥門流阻值與擬合值對比曲線Fig.6 Comparative curves of the valve flow resistance between experimental data and fitted value.

因此，針對本實驗中Y型截止閥結(jié)構(gòu)及高溫液態(tài)鉛鉍的實驗工況，閥門的流阻理論計算通過實驗測量驗證。初步實驗結(jié)果顯示，當(dāng)閥門在全開狀態(tài)以及流速1.2–2 m·s?1內(nèi)時，Y型截止閥的流阻計算指數(shù)x取值為2.4，此時閥門流阻計算為：

通過式(5)計算得出的閥門流阻值，仍然存在9%–11%的測量誤差，而式(5)僅適用于在液態(tài)鉛鉍溫度350°C條件下Y型截止閥流阻測量實驗。為獲得更高精度的閥門流阻測量值，需要完善實驗測量方法、閥門與測量儀器安裝工藝等，開展進一步的實驗研究。

4 結(jié)語

閥門是液態(tài)鉛鉍實驗裝置重要組成部分之一，基于液態(tài)鉛鉍實驗回路PREKY，開展了不同流速下閥門流阻測量實驗研究，獲得了Y型截止閥在100%開度下的流體阻力。在液態(tài)鉛鉍流速1.2–2m·s?1內(nèi)，Y型截止閥的流阻實驗測量值與理論值相對誤差在10%內(nèi)，而與擬合值吻合較好，且閥門流阻理論計算公式中x取最大值2.4是合理的，可以為液態(tài)鉛鉍實驗裝置流阻設(shè)計分析提供重要的依據(jù)。

致謝 本工作得到中國科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所FDS團隊其他成員的指導(dǎo)幫助，在此向他們表示衷心的感謝。

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CLC TL343

Test and analysis on the flow resistance of Y-type globe valve in the liquid lead-bismuth alloy

HE Jian1,2ZHU Zhiqiang2HUANG Qunying2WANG Hai2SHANG Hua2
1(University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China) 2(Key Laboratory of Neutronics and Radiation Safety, Institute of Nuclear Energy Safety Technology, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China)

Background: Liquid lead-bismuth eutectic (PbBi) has been proposed as one of mainly coolant materials for Accelerator Driven Sub-critical Systems (ADS) reactors, and the valve is a key component for flow regulation in high temperature liquid PbBi experimental loop. The flow resistance has a direct impact on the structural design and safe operation of the loop. Purpose: This study aims to reduce the resistance loss of the valve in high temperature liquid PbBi experimental loop of the drive system, ensuring the safe and stable operation of the loop. Methods: Based on liquid PbBi fluid measurement experimental loop PREKY, the resistance characteristics experiment of Y-type globe valve in the typical conditions of liquid PbBi reactor was performed, and the pressure datum were achieved by using differential pressure transmitter and compared with the theoretical calculation results. Results: The results verified the rationality of experimental results and reasonability of measurement method. In addition, the flow resistance theoretical calculated index on Y-type globe valve was proved to be 2.4 in the flow rate range of 1.2–2.0 m·s?1for the liquid PbBi loop. Conclusion: The experimental results could be directly applied to calculation and analysis of flow resistance in liquid PbBi experimental loop in future.

Liquid lead-bismuth, Y-type globe valve, PREKY, Flow resistance

TL343

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.040604

ITER 973國內(nèi)配套項目(No.2014GB112002、No.2014GB116000)、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(No.XDA03040200)、中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院院長火花基金(No.YZJJ201328)資助

賀建，男，1983年出生，2011年于北京工業(yè)大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士研究生，主要從事高溫液態(tài)金屬流體測量技術(shù)研究

朱志強，E-mail: zhiqiang.zhu@fds.org.cn

2014-11-26，

2015-01-16