汽輪機(jī)高壓旁路翼型閥芯調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)特性

王海民 ，胡 峰 ，陳睿池 ，陳 思

（1.上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2.上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093）

0 引言

高壓旁路調(diào)節(jié)閥是汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)的重要組成部件，當(dāng)鍋爐和汽輪機(jī)的運(yùn)行工況不匹配，或者鍋爐產(chǎn)生的蒸汽量大于汽輪機(jī)所需要的蒸汽量時(shí)，多余部分蒸汽可以不進(jìn)入汽輪機(jī)而經(jīng)過(guò)旁路減溫減壓后直接進(jìn)入凝汽器。此外，部分旁路還承擔(dān)著將鍋爐的主蒸汽經(jīng)減溫減壓后直接引入再熱器的任務(wù)，以保護(hù)再熱器的安全［1］。

對(duì)于電站機(jī)組中常用的高壓調(diào)節(jié)閥，其內(nèi)部流動(dòng)特性十分復(fù)雜［2］，因其內(nèi)部流動(dòng)介質(zhì)的溫度和壓力參數(shù)較高，運(yùn)用數(shù)值模擬方法研究其內(nèi)部特流動(dòng)性是一種重要手段［3-11］。文獻(xiàn)［12］通過(guò)建模對(duì)汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，著重于系統(tǒng)的熱力學(xué)平衡。文獻(xiàn)［13-14］主要研究了高壓旁路閥的傳熱特性和溫度場(chǎng)分布特性，文獻(xiàn)［15］研究了高低旁路系統(tǒng)閥門(mén)的結(jié)構(gòu)、材料和強(qiáng)度等力學(xué)性能，文獻(xiàn)［16］則主要研究了高壓旁路閥調(diào)的節(jié)流和噪聲特性。

上述研究中，對(duì)于調(diào)節(jié)閥內(nèi)部過(guò)流面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，特別是針對(duì)不同流量和壓力調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)特性以及換熱特性研究較少。本文將對(duì)某300MW汽輪機(jī)組高壓旁路閥門(mén)設(shè)計(jì)一種閥芯結(jié)構(gòu)，利用NACA6409翼型上表面型線結(jié)構(gòu)，根據(jù)運(yùn)行工況優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種翼型結(jié)構(gòu)的閥芯。結(jié)合已有的研究工作基礎(chǔ)之上［17-19］，對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得到閥門(mén)內(nèi)部流體的速度、壓力、溫度和液相體積分布等流場(chǎng)參數(shù)分布特征。研究減溫水的溫度和壓力、閥芯開(kāi)度以及減溫水噴射孔數(shù)量等因素對(duì)蒸汽減溫效果的影響，并提出改善方法。

1 數(shù)值模擬

1.1 三維模型

本文所研究的高壓旁路調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該閥門(mén)是旁路系統(tǒng)的主閥，高溫高壓蒸汽從右上的入口進(jìn)入，與從下方噴出的減溫水混合后，從左下的出口流出。這樣結(jié)構(gòu)能夠很好地適應(yīng)溫度的急劇變化給閥門(mén)帶來(lái)的熱應(yīng)力影響，調(diào)節(jié)閥閥芯結(jié)構(gòu)為NACA6409翼型的上表面型線結(jié)構(gòu)，與之相應(yīng)的閥座也采用同樣的設(shè)計(jì)，這樣的設(shè)計(jì)不僅能使閥門(mén)有更好的降壓調(diào)節(jié)特性，而且能減小噪音。按照汽輪機(jī)高壓旁路系統(tǒng)的工作原理，可以首先將整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單地分為兩段，即降壓部分和減溫部分。減壓部分通過(guò)收縮流道截面積，對(duì)過(guò)熱蒸汽進(jìn)行節(jié)流降壓。而減溫部分則是將減溫水噴入高壓旁路閥中，與過(guò)熱蒸汽混合進(jìn)行熱量交換的過(guò)程，從而降低出口蒸汽的壓力和溫度。在機(jī)組實(shí)際啟動(dòng)過(guò)程中，由于過(guò)熱蒸汽的流速極其快，通過(guò)調(diào)節(jié)閥的時(shí)間則非常短，基于此，在數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程中，將其視為絕熱節(jié)流過(guò)程。

圖1 高壓旁路調(diào)節(jié)閥三維結(jié)構(gòu)剖面

本文利用SolidWorks三維實(shí)體建模，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中閥門(mén)行程為100 mm。高溫高壓水蒸汽入口處截面直徑為φ185 mm，減溫水入口處直徑為φ50 mm，減溫水噴射孔的直徑為φ12 mm，高溫高壓水蒸汽出口處截面直徑為φ265 mm。

1.2 網(wǎng)格劃分

本文的高壓旁路調(diào)節(jié)閥流道結(jié)構(gòu)主要分為5個(gè)部分：高壓蒸汽進(jìn)口段、喉部、閥腔、減溫水通道以及高壓蒸汽出口段，高壓蒸汽通過(guò)進(jìn)口段進(jìn)入閥腔的較大空間后，一部分直接流向閥腔壁，另一部分則因閥桿的存在，氣流繞流受限圓柱后再轉(zhuǎn)折90°后與前一部分蒸汽一起經(jīng)過(guò)喉部流入閥腔下部，與從小孔噴出的減溫水進(jìn)行混合，最后得到的減溫減壓蒸汽從出口段流出。本文對(duì)流道進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，采用四面體網(wǎng)格，對(duì)其中尺寸差別較大的進(jìn)口減溫水通道以及閥芯處的漸縮段（喉部）都進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，確定此三維模型共計(jì)1 465 458個(gè)網(wǎng)格，257 226個(gè)節(jié)點(diǎn)，既控制了計(jì)算規(guī)模，也同時(shí)保證了計(jì)算精度。

1.3 邊界條件

高壓旁路閥的高溫過(guò)熱蒸汽在閥內(nèi)與不飽和減溫水混合，實(shí)現(xiàn)減溫、減壓的功能，屬于汽液兩相混合流動(dòng)，多相流模型選擇Mixture模型。另外，湍流模型設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，采用壓力進(jìn)口及壓力出口的邊界條件，選用壓力求解器和隱式算法。工作介質(zhì)為進(jìn)口水蒸氣和進(jìn)口減溫水，定義水蒸氣為第一相（汽相），并考慮其壓縮性，減溫水為第二相（液相），由于兩者均屬于流體（Fluid），因此將工作介質(zhì)設(shè)為Fluid。以上條件設(shè)置完成之后，選擇Hybrid Initialization方法進(jìn)行初始化，并監(jiān)測(cè)進(jìn)出口質(zhì)量流量之差，在本文的數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程中，監(jiān)測(cè)的進(jìn)出口質(zhì)量流量之差控制在0.18%以內(nèi)。邊界條件的參數(shù)如表1所示。

表1 調(diào)節(jié)閥全開(kāi)時(shí)邊界條件

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 全開(kāi)工況

2.1.1 速度場(chǎng)特性

采用表1中的邊界條件，經(jīng)過(guò)非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬之后，得到了如圖2所示在t=1.2 s時(shí)刻的速度場(chǎng)分布。分析圖2（a），在入口處蒸汽速度變化平緩，當(dāng)高溫高壓蒸汽從進(jìn)入閥門(mén)之后，在閥腔上部的空間內(nèi)，由于閥桿的阻礙，會(huì)出現(xiàn)蒸汽繞圓柱流動(dòng)，碰到閥壁之后，接著向下流動(dòng)，經(jīng)過(guò)縮小的過(guò)流斷面，速度急劇增大，最大速度出現(xiàn)在最小過(guò)流斷面處，是入口蒸汽速度的10倍。在靠近出口一端的閥腔內(nèi)，由于蒸汽速度很大，從小孔噴出的減溫水與蒸汽混合后，被蒸汽帶走，從出口流出，而在遠(yuǎn)離出口一端的閥腔內(nèi)，由于蒸汽與小孔噴出的減溫水的速度的差異，二者混合后，互相影響，在閥腔內(nèi)形成了2個(gè)明顯的漩渦，與閥腔壁相碰后，接著從出口流出。分析圖2（b），在Z=0截面上，流動(dòng)整體呈現(xiàn)對(duì)稱分布，而在閥桿正下方的狹小空間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)速度極小的回流區(qū)。

再分析圖2（c），在Y=31 mm截面上，從小孔噴出的減溫水絕大部分都在小孔附近與高溫蒸汽混合接觸，然后被汽化，起到降溫作用，接著被蒸汽從出口帶出，而只有從離出口端最遠(yuǎn)的小孔噴出的減溫水會(huì)在與高溫蒸汽混合后，先繼續(xù)向出口反方向運(yùn)動(dòng)，然后才反向運(yùn)動(dòng)，到達(dá)出口處。而從圖2（d）可以看出，在Y=37mm截面上，減溫水以較大速度從小孔噴出，在小孔附近與高溫蒸汽接觸發(fā)生熱量傳遞的同時(shí)，大部分會(huì)繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，直至碰到閥壁后，再向出口處運(yùn)動(dòng)，只有從靠近出口處小孔噴射出的減溫水會(huì)直接和蒸汽混合后從出口流出。

圖2 調(diào)節(jié)閥內(nèi)速度場(chǎng)分布特性

2.1.2 壓力分布特性

圖3示出采用表1中的邊界條件，經(jīng)過(guò)非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬得到在t=1.2 s時(shí)刻的壓力場(chǎng)分布特性。在圖3（a）中，壓力為16.8 MPa的過(guò)熱蒸汽從閥門(mén)入口端進(jìn)入后形成了一個(gè)相對(duì)的高壓區(qū)，在漸縮段蒸汽壓力急劇減小，流出漸縮段時(shí)的壓力約為6 MPa，節(jié)流產(chǎn)生的壓降約為10.8 MPa，壓力的最小值出現(xiàn)在閥桿最末端。閥門(mén)喉部過(guò)流段最小流通截面積為11 455.3 cm2，約為閥門(mén)入口處截面積的43%。分析圖3（b），由于流體在閥腔內(nèi)的流動(dòng)呈現(xiàn)對(duì)稱分布，壓力也呈現(xiàn)了對(duì)稱分布，而由于漩渦的存在，閥腔內(nèi)也出現(xiàn)了2個(gè)對(duì)稱的低壓區(qū)。

圖3 調(diào)節(jié)閥內(nèi)壓力場(chǎng)分布特性

通過(guò)分析由圖3（c）和圖3（d），這兩個(gè)截面的壓力分布沿著垂直于出口的截面呈現(xiàn)對(duì)稱分布，且整體上呈現(xiàn)出口端壓力低、遠(yuǎn)離出口段壓力高的特點(diǎn)；從圖3（d）可以看出，在出口截面，各點(diǎn)的壓力大致一致，除了在該截面的上部，會(huì)有2個(gè)近似對(duì)稱的相對(duì)低壓區(qū)，低壓區(qū)的位置與閥芯的位置有關(guān)。

2.1.3 溫度分布特性

圖 4（a）～（d）所示為高壓旁路調(diào)節(jié)閥在t=1.2 s時(shí)刻溫度分布云圖，入口水蒸汽溫度為813 K，噴射的減溫水溫度為441 K，出口平均溫度為634 K。在Y=31 mm和Y=37 mm截面上，溫度的梯度比較大，而溫度的分布總體上沿著垂直于出口的截面呈現(xiàn)對(duì)稱分布，且由于減溫水的降溫作用，靠近小孔的地方，會(huì)有部分低溫區(qū)。高壓旁路閥出口處的水蒸汽溫度分布并不均勻，在出口截面，總體呈現(xiàn)上下兩端溫度低，中間溫度高的現(xiàn)象，最大溫差可達(dá)100 K。

圖4 調(diào)節(jié)閥內(nèi)溫度場(chǎng)分布特性

2.1.4 液相的體積分布

圖5（a）和（b）示出高壓蒸汽旁路閥在t=1.2 s時(shí)刻液相體積分布云圖，從圖可以看出，減溫水從小孔噴出后，會(huì)有大部分直接在小孔附近吸收高溫蒸汽的熱量汽化成水蒸汽，只有少部分的水與高溫蒸汽混合聚集在閥桿下端的狹小空間內(nèi)。其原因可能是由于蒸汽節(jié)流之后的壓力仍然高于噴嘴附近減溫水的壓力，將其限制在一定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行熱量交換，這一點(diǎn)也可以從圖3（c）和圖3（d）中得到驗(yàn)證。

圖5 調(diào)節(jié)閥內(nèi)液相體積分布特性

2.1.5 減溫水參數(shù)影響分析

為了分析減溫水對(duì)全開(kāi)高壓旁路閥的減溫減壓特性的影響，對(duì)于相同的進(jìn)口高溫高壓蒸汽，在這里對(duì)減溫水設(shè)定了4種工況：Case1和Case2為不同的進(jìn)口減溫水溫度，Case3和Case4 為不同的進(jìn)口減溫水壓力，而Case0為表1中所對(duì)應(yīng)的計(jì)算工況，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 進(jìn)出口截面參數(shù)匯總

從表2中的數(shù)值模擬結(jié)果可以得到減溫水的溫度和壓力對(duì)調(diào)節(jié)閥出口參數(shù)的影響具有以下規(guī)律：

（1）增加減溫水的進(jìn)口壓力，可以增加減溫水的質(zhì)量流量，增強(qiáng)冷卻效果。對(duì)比Case0和Case3，當(dāng)減溫水的溫度為441 K，壓力從8.0 MPa增加到8.86 MPa時(shí)，流量從147.93 kg/s增加到167.91 kg/s，出口蒸汽的出口溫度則從632.72 K降低到626.66 K，改善幅度為6.06 ℃，溫度并不十分明顯。另外，如果降低減溫水的壓力，則會(huì)明顯惡化出口蒸汽溫度。對(duì)比Case 0與Case 4，當(dāng)減溫水的溫度均為441 K，壓力從8.0 MPa降低到7.13 MPa時(shí)，由于減溫水流量的明顯下降，蒸汽的出口溫度則從632.72 K升高到644.79 K，溫度的升幅比較明顯，升高幅度為12.07 ℃。

（2）相對(duì)于減溫水壓力而言，其溫度的變化對(duì)調(diào)節(jié)閥出口蒸汽溫度影響更明顯。對(duì)比Case0，Case1和Case2，當(dāng)減溫水的壓力均為8.0 MPa時(shí)，當(dāng)調(diào)節(jié)減溫水的溫度水的溫度從441 K降為421 K時(shí)，出口蒸汽溫度則從632.72 K降為620.77 K，改善幅度為11.95 ℃，改善幅度十分明顯。

（3）另外，進(jìn)口減溫水溫度的改變，對(duì)液相的體積分?jǐn)?shù)無(wú)太大影響，即使進(jìn)口減溫水壓力的變大，會(huì)增加噴射出的減溫水，進(jìn)而也增加在閥腔內(nèi)與高溫高壓蒸汽混合后留在閥腔內(nèi)的減溫水的量，但由于熱交換的區(qū)域有限，所以在較小的空間內(nèi)，液相的體積分?jǐn)?shù)變化不大。

2.2 不同開(kāi)度下的減溫減壓特性

以表1中所示的相同進(jìn)出口邊界條件對(duì)100%開(kāi)度（全開(kāi)）和50%開(kāi)度（半開(kāi)）的閥內(nèi)混合流動(dòng)的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究。

圖 6（a）～（e）分別為 50% 開(kāi)度，在t=1.2 s時(shí)刻的壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)及液相體積分布，其出口的減溫和減壓特性參數(shù)對(duì)比如表3所示。

圖6 50%開(kāi)度時(shí)的壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)及液相體積分布

表3 不同開(kāi)度下調(diào)節(jié)閥進(jìn)出口參數(shù)對(duì)比

在壓力場(chǎng)分布方面，通過(guò)與圖3進(jìn)行對(duì)比，從100%開(kāi)度到50%開(kāi)度，隨著閥芯的向上移動(dòng)，漸縮段的最小截面積越來(lái)越小，漸縮段對(duì)高溫高壓蒸汽的節(jié)流降壓增加，下部閥腔內(nèi)部整體的壓力更低。

而在溫度場(chǎng)分布方面，在全開(kāi)狀態(tài)下，出口截面的溫度梯度較大，在截面上方呈現(xiàn)兩個(gè)近似對(duì)稱的低溫區(qū)，而在半開(kāi)狀態(tài)下，出口截面的溫度更接近，兩個(gè)對(duì)稱的低溫區(qū)出現(xiàn)在截面下方。

差別比較明顯的是液相體積的分布，隨著閥桿的向上移動(dòng)，在閥腔內(nèi)部，液相的體積分?jǐn)?shù)變得更大，有更多還未被汽化的減溫水更廣泛地留在旁路閥腔體內(nèi)，而這部分未被汽化的減溫水基本都聚集在最上層小孔與閥桿最底端面間的空間內(nèi)。

2.3 噴水孔數(shù)目對(duì)減溫減壓特性的影響

在實(shí)際運(yùn)行工況時(shí)，由于減溫水的進(jìn)口壓力大多是恒定的，所以為了改善蒸汽的冷卻效果，增加噴水孔的數(shù)目是一個(gè)比較好的選擇。本節(jié)研究噴水孔的布置方案，重新構(gòu)建不同噴水孔數(shù)目的三維調(diào)節(jié)閥模型，在調(diào)節(jié)閥全開(kāi)的狀態(tài)下，模擬不同噴水孔數(shù)目的三維調(diào)節(jié)閥的內(nèi)部流場(chǎng)。原型1為原始設(shè)計(jì)工況，另外3種不同的模型見(jiàn)表4。

表4 噴水孔數(shù)目及其布置方式

圖7，8分別示出t=1.2 s時(shí)刻噴水孔附近的液相體積分布和溫度場(chǎng)分布，通過(guò)對(duì)比相同進(jìn)口邊界條件下不同減溫水噴射孔數(shù)目的三維模型的內(nèi)部流動(dòng)現(xiàn)象可知，減溫水噴射孔的數(shù)量越多，Z=0 截面上液相的體積分?jǐn)?shù)更大，留在閥腔內(nèi)部未被汽化的減溫水更多，而且這部分未汽化的水大多聚集在閥芯下部的空間內(nèi)。

增加減溫水噴射孔數(shù)目，可以明顯改善閥腔內(nèi)溫度，以及出口截面處的平均溫度。另外，在相同的噴射孔數(shù)目時(shí)，兩層分布的效果要比一層分布的要好，液相分布區(qū)域擴(kuò)大，而且上面一層噴射孔在減溫特性中起的作用比下面一層噴射孔的作用更大。

圖7 噴水孔附近的液相體積分布

圖8 噴水孔附近的溫度場(chǎng)

總結(jié)上述4種不同噴水孔方案的數(shù)值模擬結(jié)果，其進(jìn)出口截面參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 不同噴水孔數(shù)目進(jìn)出口截面參數(shù)

3 結(jié)論

（1）高溫高壓蒸汽流經(jīng)輪廓為翼型型線的閥芯結(jié)構(gòu)后，能有效降壓。在相同的入口水蒸汽參數(shù)條件下，降低入口減溫水的溫度或者增加入口減溫水的壓力，都會(huì)增加減溫水在閥腔內(nèi)對(duì)高溫高壓蒸汽的冷卻效果。當(dāng)開(kāi)度從100%降低到50%時(shí)，腔體內(nèi)液相體積分布區(qū)間增大，閥腔內(nèi)的溫度變得更低。

（2）增加減溫水噴射孔數(shù)可以明顯改善閥腔內(nèi)以及出口截面處的溫度，而且上面一層噴射孔起到的減溫減壓作用比第二層大。