閥門操作方式對系統(tǒng)運行優(yōu)化研究

趙占奎　李福春　李加剛　余峰　黃仁忠　唐坤林　張義科　趙登山　蘇志偉　胡俊

摘 要：本文以反應堆的冷卻水系統(tǒng)為載體，利用實驗和Fluent數(shù)值模擬方法，對系統(tǒng)啟動時閥門開啟時間與開閥速度對其上游與下游裝置的振動特性和內(nèi)部流動特性的影響進行了研究。研究表明：充滿水狀態(tài)下啟泵使出口壓力穩(wěn)定達到0.25MP所用時間為2s，未充滿水狀態(tài)下啟泵使出口壓力穩(wěn)定達到0.25MP所用時間為7s；在閥門開啟過程中，泵的振動瞬態(tài)變化規(guī)律和出口壓力的瞬態(tài)變化規(guī)律具有一致性，閥門以慢速（8s）開啟對泵運行的穩(wěn)定性具有積極作用；以慢速（8s）開閥對閥門下游管道內(nèi)部的流體特性產(chǎn)生很小影響。

關鍵詞：閥門開速 振動特性 流動特性 Fluent

中圖分類號：TH138 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）04（a）-0071-07

反應堆的很多系統(tǒng)是由管道、泵、閥門、電機與介質(zhì)等相關組成。閥門是反應堆系統(tǒng)中重要的部件，其覆蓋反應堆的絕大部分系統(tǒng)。閥門是系統(tǒng)管道流動中的重要控制元件，通過閥門可以改變介質(zhì)在管路中的流動方向、流體壓力、流體速度等流體參數(shù)[1-3]。由于閥門開度的瞬態(tài)變化，在閥門啟閉過程中極易在其上下游產(chǎn)生流量快速變化、壓力快速變化、漩渦、二次流、空化等復雜流動狀態(tài)，這些流體參數(shù)和流動狀態(tài)的產(chǎn)生與發(fā)展會最終導致系統(tǒng)中閥芯、泵、管道、電機和其它裝置的運行故障[4-7]。因此本文對系統(tǒng)啟泵和啟泵后閥門開啟瞬態(tài)過程開展研究具有重要意義。

本文以反應堆的冷卻水系統(tǒng)為載體，利用實驗和Fluent數(shù)值模擬方法，對系統(tǒng)啟動時閥門開啟時間與開閥速度對其上游與下游裝置的振動特性和內(nèi)部流動特性的影響進行了研究，為制定該系統(tǒng)調(diào)試和維修保養(yǎng)過程中閥門操作方法提供重要依據(jù)。

1 實驗系統(tǒng)與研究內(nèi)容和方法

1.1 實驗系統(tǒng)

本次實驗系統(tǒng)示意圖如圖1所示，實驗系統(tǒng)中流體介質(zhì)為水，泵為單級長軸立式離心泵，泵的啟動振動數(shù)值應小于1.00mm/s。在整個系統(tǒng)中，介質(zhì)在泵的作用下，通過管路、調(diào)節(jié)閥和閥門。實驗臺如圖1所示。

1.2 研究內(nèi)容和方法

分別在水泵內(nèi)充滿水和未充水的狀態(tài)下啟動泵，采集系統(tǒng)啟動瞬態(tài)運行的壓力表參數(shù)。在水泵內(nèi)未充水的狀態(tài)下，閉閥啟動泵，待壓力穩(wěn)定后將閥門以慢速（8s）、中速（6s）和快速（4s）的方式開啟，采集閥門的在開啟過程中系統(tǒng)瞬態(tài)運行時的壓力表參數(shù)和泵振動參數(shù)。

1.3 泵的啟動試驗

在水泵內(nèi)未充滿水的狀態(tài)下，閉閥啟動泵，啟動過程的出口壓力變化如圖2所示。圖2為泵出口壓力隨啟動時間的變化規(guī)律，在啟動過程中的前2s壓力在0～0.01MP震蕩，雖然泵已啟動，但泵仍有短暫失壓，啟動2s之后出口壓力快速增大，直至啟動7秒后達到最大壓力0.25MP。

在水泵內(nèi)充滿水的狀態(tài)下，啟動泵，啟動過程的出口壓力變化如圖3所示。圖3泵出口壓力隨啟動時間的變化規(guī)律，在啟動過程中的前0.5s出口壓力緩慢增加，啟動0.5s之后出口壓力快速增大，直至啟動2秒后穩(wěn)定達到最大壓力0.25MP。

從圖2和圖3的出口壓力隨泵的啟動時間可以看出，充滿水狀態(tài)下啟泵使出口壓力穩(wěn)定達到0.25MP所用時間（2s）少于未充水狀態(tài)下啟泵的所用時間（7s）；充滿水狀態(tài)下啟泵前期出口壓力振蕩小于未充水狀態(tài)下啟泵的振蕩，在未充水狀態(tài)下啟泵的振蕩并且可能為泵的短時無流量輸出時間。

1.4 閥門開啟試驗

對實驗閥門進行開啟時間分別為 快速（4s）、中速（6s）、慢速（8s）開啟過程的瞬態(tài)試驗。給出了不同開啟速度工況下泵的振動和出口壓力瞬態(tài)變化的情況。閥門開啟速度不同，泵的振動和出口壓力瞬態(tài)變化的情況也不同。圖4、圖5、圖6分別表示閥門以快速、中速、慢速開啟時泵的振動和出口壓力瞬態(tài)變化規(guī)律，圖中系列一為出口壓力（單位：MP）隨閥門開啟時間的變化規(guī)律，系列二為泵的振動（單位：mm/s）隨閥門開啟時間的變化規(guī)律，閥門是從閉閥出口壓力0.25MP調(diào)節(jié)至開閥出口壓力0.20MP。

當閥門快速開啟時，泵的振動和出口壓力的瞬變規(guī)律如圖4所示。從圖4中曲線可以看出開閥3s內(nèi)出口壓力穩(wěn)定下降，出口壓力從0.25MP～0.22MP，開閥3～4s內(nèi)出口壓力在0.22～0.18MP震蕩，4～7s內(nèi)出口壓力在0.18～0.27MP內(nèi)劇烈震蕩，7s之后壓力出口從0.23MP平緩降至0.20MP；泵的振動瞬態(tài)變化規(guī)律和出口壓力的瞬態(tài)變化規(guī)律具有一致性，開閥3s內(nèi)泵的振動數(shù)值從0.20mm/s快速上升到1.00mm/s，開閥3～7s內(nèi)泵的振動數(shù)值在在0.60mm/s至1.60mm/s震蕩，超出了泵的要求值（啟動振動數(shù)值應小于1.0mm/s）；7s之后泵的振動數(shù)值從0.60mm/s平緩降至0.40mm/s。

當閥門中速開啟時，泵的振動和出口壓力的瞬變規(guī)律如圖5所示。從圖5中曲線可以看出開閥4s內(nèi)出口壓力穩(wěn)定下降，出口壓力從0.25～0.21MP，開閥4～8s內(nèi)出口壓力在0.27～0.18MP震蕩，8s之后壓力出口平緩降至0.20MP；泵的振動瞬態(tài)變化規(guī)律和出口壓力的瞬態(tài)變化規(guī)律具有一致性，開閥4s內(nèi)泵的振動數(shù)值從0.20mm/s上升到0.50mm/s，開閥4～8s內(nèi)泵的振動數(shù)值在在0.50mm/s至1.30mm/s震蕩，超出了泵的要求值，8s之后泵的振動數(shù)值平緩降至0.40mm/s。

當閥門慢速開啟時，泵的振動和出口壓力的瞬變規(guī)律如圖6所示。從圖6中曲線可以看出開閥7s內(nèi)閥門壓力穩(wěn)定下降，出口壓力從0.25～0.21MP，開閥7～10s內(nèi)出口壓力在0.22～0.19MP震蕩，10s之后壓力出口從0.21MP平緩降至0.20MP；泵的振動瞬態(tài)變化規(guī)律和出口壓力的瞬態(tài)變化規(guī)律具有一致性，開閥5s內(nèi)泵的振動數(shù)值從0.20mm/s平緩上升到0.30mm/s，開閥5～8s內(nèi)泵的振動數(shù)值快速上升至0.70mm/s，8s之后泵的振動數(shù)值從0.70mm/s平緩降至0.40mm/s。

從圖4、圖5和圖6泵的振動和出口壓力的瞬變規(guī)律可以看出，泵的振動瞬態(tài)變化規(guī)律和出口壓力的瞬態(tài)變化規(guī)律具有一致性；開閥速度越快，泵的振動瞬態(tài)變化和出口壓力的瞬態(tài)變化越劇烈。閥門開啟過程中流動介質(zhì)突然發(fā)生變化導致壓力和振動突變，形成壓力波沿管道傳播，進而使系統(tǒng)受到瞬時高低壓的沖擊，瞬時高壓將會產(chǎn)生振蕩流動，而瞬時低壓又有可能產(chǎn)生空穴，發(fā)生汽蝕。瞬變強度不大時，整個系統(tǒng)會很快恢復到穩(wěn)定狀態(tài)。但當閥門以快速、中速開啟時泵的振動超出了泵的要求值，如果系統(tǒng)運行在超過危險限制的條件下，加之調(diào)節(jié)不當，系統(tǒng)將處于強瞬變狀態(tài)。強瞬變發(fā)生時，輕則影響設備的使用壽命，重則會使設備受到損壞，進而造成運行中斷，嚴重時還會發(fā)生事故。總之閥門以慢速開啟對系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性具有積極作用。

2 數(shù)值計算

基于實驗參數(shù)設定邊界條件，在系統(tǒng)需求的閥門的開度下，利用Fluent軟件對閥門下游管路進行了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況下的數(shù)值模擬，分析了此開度對內(nèi)部流動特性的影響。在進行閥門不同開度下瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)過程數(shù)值計算時，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)設定邊界條件。數(shù)值計算過程如下，網(wǎng)格質(zhì)量大于0.9，湍流模型的選擇：RNG k-ε模型；計算域：閥門進口前端 3D（D 為閥門公稱直徑）至閥后20D的流動區(qū)域；邊界條件：穩(wěn)態(tài)采用壓力入口和壓力出口邊界條件；瞬態(tài)仿真采用壓力入口和壓力出口邊界條件，壓力入口條件如圖7，y=0.0055x+0.2541（x為閥門開啟時間，y為此時的壓力入口輸入量）。

2.1 穩(wěn)態(tài)計算結果分析

本文對閥門下游管道進行了流場分析，得到了相應的流場特性。本文只呈現(xiàn)了流場速度分布和壓力分布，如圖8中a、b所示，蝶板邊緣與閥座密封圈之間的間隙很小，流體的速度增大、壓力降低，產(chǎn)生喉口效應；喉口效應導致蝶板邊緣的前后均產(chǎn)生強烈的渦流，導致蝶板附近以及軸頸處流動紊亂、流速方向急劇變化如圖8中c所示。當流體繞流過蝶板邊緣以后在閥門的下游形成渦流動，到10倍管徑處，流體趨于平穩(wěn)如圖8中d所示。

2.2 瞬態(tài)計算結果分析

本文對閥門下游管道進行了瞬態(tài)流場分析，圖3瞬態(tài)變化的速度分布，穩(wěn)態(tài)工況與閥開啟慢速開啟時壓力變化規(guī)律為壓力入口時的瞬態(tài)工況模擬流場進行比較，從流場云圖可以看到，閥門下游形成的漩渦，在入口壓力的變化下，其狀態(tài)有所差異，尤其最初時所形成的漩渦；隨著壓力的降低可以發(fā)現(xiàn)速度云圖分布規(guī)律及分布趨勢基本相同，都在此時逐漸形成內(nèi)部低壓高速流動區(qū)域，該區(qū)域的產(chǎn)生與宏觀特性上趨勢的拐點的產(chǎn)生基本一致，表現(xiàn)出了較強的一致性。

3 結語

（1）充滿水狀態(tài)下啟泵使出口壓力穩(wěn)定達到0.25MP所用時間為2s，未充滿水狀態(tài)下啟泵使出口壓力穩(wěn)定達到0.25MP所用時間為7s；充滿水狀態(tài)下啟泵未充水狀態(tài)下啟泵的振蕩。

（2）在閥門開啟過程中，泵的振動瞬態(tài)變化規(guī)律和出口壓力的瞬態(tài)變化規(guī)律具有一致性；開閥速度越快，泵的振動瞬態(tài)變化和出口壓力的瞬態(tài)變化越劇烈，總之閥門以慢速（8s）開啟對系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性具有積極作用。

（3）穩(wěn)態(tài)工況與閥門慢速開啟時壓力變化規(guī)律為壓力入口時的瞬態(tài)工況模擬流場在初期其流場有所差異，隨著壓力的降低可以發(fā)現(xiàn)速度云圖分布規(guī)律及分布趨勢基本相同，說明了以慢速開閥對閥門下游管道內(nèi)部的流體特性沒有很大影響。

參考文獻

[1] 石柯.球閥開啟過程的瞬態(tài)數(shù)值模擬與實驗研究[D].浙江理工大學，2013.

[2] 王志剛，李麗娟，李軍，等.等下泄調(diào)節(jié)閥開度對下泄流影響的數(shù)值分析[J].核動力工程，2009（12）：49-52.

[3] 代真，郝曉軍，牛曉光等.疏水管道局部損傷的仿真模擬研究[J].核動力工程，2009（12）：67-69.

[4] 何慶中，王渝皓，王佳，等.基于CFX的大口徑蝶閥的流場分析及結構優(yōu)化[J].流體機械，2016（44）：42-46.

[5] 于沛，李嫦月.壓水堆核電廠主蒸汽管道汽錘計算分析[J].核動力工程，2014（4）：124-127.

[6] 傅天清，劉云芳，閻慶紱.帶負荷啟動工況下泵系統(tǒng)的瞬變特性研究[J].太原理工大學學報，2003（7）：443-446.

[7] 欒秀春.節(jié)流管式調(diào)節(jié)閥動態(tài)特性研究[J].電站系統(tǒng)工程，2012，28（3）：11-17.