壓水堆核電站主蒸汽安全閥升力數(shù)值計(jì)算

顧春輝

摘要：基于第三代壓水堆核電站主蒸汽安全閥結(jié)構(gòu)，建立了閥門(mén)數(shù)值計(jì)算的CFD模型，計(jì)算求得了作用于閥瓣組件上的升力，得到了閥門(mén)在全開(kāi)啟高度范圍內(nèi)的升力曲線。結(jié)果表明，閥門(mén)在全開(kāi)度范圍的介質(zhì)升力均大于彈簧力，可使閥門(mén)在開(kāi)啟后快速達(dá)到全開(kāi)。

關(guān)鍵詞：主蒸汽安全閥；升力；數(shù)值計(jì)算

中圖分類(lèi)號(hào)：TH134 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6487 （2018） 01-0045-03

0 引言

安全閥在超壓開(kāi)啟過(guò)程中，其流道內(nèi)部的流場(chǎng)變化一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)[1]。建立安全閥流體動(dòng)力學(xué)模型并進(jìn)行數(shù)值分析是獲取安全閥內(nèi)部流場(chǎng)詳細(xì)信息的重要手段。通過(guò)模型計(jì)算可以獲取速度、壓力分布等具體流場(chǎng)形態(tài)，以及排放能力等宏觀性能參數(shù)，最終對(duì)安全閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能改進(jìn)提供指導(dǎo)。

第三代CAP1400壓水堆核電站用主蒸汽安全閥為彈簧直接加載式安全閥，采用了雙排口結(jié)構(gòu)，要求入口壓力達(dá)到整定值時(shí)閥門(mén)開(kāi)啟并迅速達(dá)到全開(kāi)。根據(jù)閥門(mén)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，作用在閥瓣上的力可分為2組，包括彈簧壓緊力和閥瓣組件重力之和，以及工作介質(zhì)的作用力，即閥門(mén)的升力[2]。閥門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉是作用在閥瓣組件上2組不同力綜合作用的結(jié)果。

本文通過(guò)建立主蒸汽安全閥的流體動(dòng)力學(xué)模型，采用固定開(kāi)高的方法[3-4]求解閥門(mén)在開(kāi)啟過(guò)程中的介質(zhì)升力，論證閥門(mén)快速開(kāi)啟的理論基礎(chǔ)，為安全閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能改進(jìn)提供指導(dǎo)。分析軟件采用ANSYS，使用的模塊為CFX和ICEM CFD。

1 分析方法

1.1計(jì)算模型

主蒸汽安全閥的流道幾何模型見(jiàn)圖l。流道結(jié)構(gòu)由閥座、閥瓣組件、上調(diào)節(jié)圈、下調(diào)節(jié)圈、導(dǎo)向套以及閥體組成。為了減少計(jì)算量，流場(chǎng)區(qū)域的固體壁面邊界形狀進(jìn)行了簡(jiǎn)化，忽略了緊定螺釘、疏水孔等對(duì)流道的影響，同時(shí)也不考慮上調(diào)節(jié)圈和閥瓣組件之間、下調(diào)節(jié)圈和閥座之間等配合部件之間的間隙影響。此外，在模型中延長(zhǎng)了排放管長(zhǎng)度便于分析時(shí)軟件的收斂。

1.2網(wǎng)格劃分

由于整個(gè)模型成對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，為了減少網(wǎng)格數(shù)量提高分析效率，取1/4模型進(jìn)行有限元分析。采用ICEMCFD模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分。根據(jù)模型的尺寸定義網(wǎng)格的大小尺寸，并細(xì)化密封面等細(xì)小結(jié)構(gòu)。網(wǎng)格劃分之后，對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行修復(fù)，并降低小尺寸單元網(wǎng)格的數(shù)量。

1.3控制方程及邊界條件設(shè)置

通道流體為過(guò)熱蒸汽，根據(jù)經(jīng)典流體力學(xué)模型，其通用控制方程為：

采用RNG k-ε兩方程湍流模型，通用方程中各符號(hào)的具體形式見(jiàn)表1。表中，μ、Pr分別為介質(zhì)的動(dòng)力粘度與普朗特?cái)?shù)；μ為湍流動(dòng)力粘度，可表示為μt= cupk2/ε。

對(duì)模型進(jìn)行如下邊界條件設(shè)置：分析介質(zhì)從材料庫(kù)選擇IAPWS IFsteam5，湍流模型采用K一ε，傳熱為總能方程；入口設(shè)定整定壓力8.56MPa，溫度320℃，出口根據(jù)開(kāi)度不同，按照閥門(mén)出口法蘭與閥門(mén)開(kāi)高簾面積的比值，根據(jù)介質(zhì)在釋放過(guò)程中的等焓原則計(jì)算出口壓力，設(shè)定出口溫度。

1.4收斂性判斷

收斂性判斷的依據(jù)：動(dòng)量、能量方程RMS殘差收斂到e-5，在求解收斂殘差達(dá)到要求是出入口流量要求同時(shí)達(dá)到平衡。

2 分析結(jié)果

2.1 固定開(kāi)高位置

主蒸汽安全閥的額定開(kāi)啟高度為36mm，在該范圍內(nèi)選取了11個(gè)開(kāi)高位置進(jìn)行分析計(jì)算。各開(kāi)高位置如表2所示。

2.2速度與壓力分布

圖2給出了閥門(mén)在小開(kāi)度、全開(kāi)度下的流線分布。由于閥門(mén)的流道變化復(fù)雜，導(dǎo)致蒸汽在流動(dòng)過(guò)程中的狀態(tài)參數(shù)變化也變得復(fù)雜。從圖中可看出，當(dāng)蒸汽從閥門(mén)進(jìn)口流至閥座和閥瓣圍成的密封面區(qū)域時(shí)，由于流道截面的變小，使得壓力變小，而蒸汽的流速則變大；在閥瓣和上調(diào)節(jié)圈位置向閥門(mén)腔體流動(dòng)的區(qū)域，流道截面的突然變大導(dǎo)致流動(dòng)參數(shù)變化也最為激烈，此時(shí)壓力急劇降低而流速急劇增大，形成一股高速的射流直接沖向閥體壁面，蒸汽流速將超過(guò)音速，而音速將出現(xiàn)在臨界截面上。

當(dāng)閥門(mén)開(kāi)高較小時(shí).閥座出口處會(huì)產(chǎn)生很大的流阻，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了臨界背壓力，此時(shí)蒸汽的音速流動(dòng)出現(xiàn)在閥座與閥瓣之間的流場(chǎng)區(qū)域，即兩密封面之間圍成的圓柱側(cè)面成為流場(chǎng)的臨界截面。隨著開(kāi)高變大，閥門(mén)出口處的壓力也在逐漸變小，當(dāng)開(kāi)高接近閥門(mén)的全開(kāi)位置時(shí)，使得閥門(mén)出口處的壓力低于臨界背壓力，因而臨界截面逐漸移動(dòng)至閥座喉口處。此外，隨著閥門(mén)開(kāi)度的變大，蒸汽在閥瓣出口的噴射角度也在逐漸由小變大。而該噴射角度可以通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)向套上的上調(diào)節(jié)圈來(lái)改變。噴射角度不同，閥瓣組件所受到的升力也不同，可以調(diào)整閥門(mén)的前泄壓力及啟閉壓差。

2.3 升力結(jié)果

ANSYS CFX的后處理可以對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行諸如力、壓力、溫度、速度、流量、質(zhì)量及馬赫數(shù)等物理量的直接提取用于流場(chǎng)的特征分析，本文主要關(guān)注閥瓣受到的介質(zhì)升力。在劃分網(wǎng)格時(shí)，己將閥瓣組件的底面（即與介質(zhì)接觸并隨介質(zhì)上升的面）合并為一個(gè)整體，流體分析中獲得的該組平面豎直向上力的大小即為閥瓣組件所受的升力大小。此外，通過(guò)閥門(mén)在不同開(kāi)高下彈簧的壓縮量，可求得閥瓣組件在開(kāi)啟動(dòng)作過(guò)程所受的彈簧力大小。表3為閥瓣升力分析結(jié)果。

從表3可以看出，由于彈簧剛度恒定，彈簧力隨閥門(mén)開(kāi)高增大呈線性增加，而閥瓣組件所受到的介質(zhì)升力也呈現(xiàn)單調(diào)遞增的趨勢(shì)，且在各開(kāi)度下介質(zhì)升力均大于彈簧力。因此閥門(mén)在開(kāi)啟后，閥瓣將始終作加速運(yùn)動(dòng)，由此表明當(dāng)閥門(mén)達(dá)到整定壓力后，閥門(mén)可以迅速開(kāi)啟。

4 結(jié)論

本文采用固定開(kāi)高的方法，選取1/4流道模型對(duì)CAP1400主蒸汽安全閥在不同開(kāi)啟高度下的特征參數(shù)進(jìn)行了模擬分析，獲得了閥門(mén)在11個(gè)不同開(kāi)高下速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，并通過(guò)ANSYS CFX的后處理功能提取了閥瓣組件所受的升力，結(jié)果表明在不同該升力值恒大于閥瓣所受到的彈簧，通過(guò)安全閥閥門(mén)的熱態(tài)性能試驗(yàn)同樣證明安全閥在開(kāi)啟后可迅速達(dá)到全開(kāi)，論證了主蒸汽安全閥動(dòng)作特性的理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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