分析核電機(jī)組給水泵最小流量閥布置位置對(duì)閥門空化的影響

摘要：核電機(jī)組給水泵最小流量閥內(nèi)工質(zhì)受管系工藝系統(tǒng)特點(diǎn)影響，很容易出現(xiàn)空化現(xiàn)象?；诖?，本文將簡(jiǎn)單介紹最小流量閥空化產(chǎn)生原理，并基于核電機(jī)組給水泵最小流量閥布置方案，深入探討最小流量閥布置位置對(duì)閥門空化的影響。

關(guān)鍵詞：核電機(jī)組;給水泵;空化;最小流量閥

前言：如核電機(jī)組給水泵在運(yùn)行過(guò)程中存在產(chǎn)生空化現(xiàn)象的最小流量閥內(nèi)工質(zhì)，密封面及閥內(nèi)件將因此損壞，閥門及相連管道的噪聲和振動(dòng)也會(huì)隨之出現(xiàn)。為優(yōu)化核電機(jī)組給水泵最小流量閥布置，正是本文研究的關(guān)鍵所在。

1.原理分析

設(shè)定調(diào)節(jié)閥前、后液體壓力分別為P1、P2，同時(shí)存在Pv的液體工作溫度對(duì)應(yīng)飽和壓力。對(duì)于流過(guò)調(diào)節(jié)閥節(jié)流處的液體來(lái)說(shuō)，流速會(huì)因通流面積減小而提升，在節(jié)流處及其下游，液體壓力將低于該液體工作溫度對(duì)應(yīng)的Pv值（飽和蒸汽壓）。對(duì)于流通面積不斷增大的調(diào)節(jié)閥下游來(lái)說(shuō)，在流道內(nèi)壓力不斷升高、流速不斷下降的過(guò)程中，如工作溫度下飽和蒸汽壓低于流道內(nèi)壓力，逐漸潰裂破滅為液體的氣泡會(huì)隨之出現(xiàn)，這種潰滅的過(guò)程即為空化。調(diào)節(jié)閥的閥芯及相關(guān)部件會(huì)因調(diào)節(jié)閥內(nèi)產(chǎn)生空化而受到嚴(yán)重的沖刷和損壞，點(diǎn)蝕和材料缺失等現(xiàn)象會(huì)出現(xiàn)于閥芯、附屬部件的表面。對(duì)于壓力較高的給水泵出口、壓力較低的除氧器來(lái)說(shuō)，最小流量閥前后會(huì)因此出現(xiàn)較大壓差，由于除氧器壓力下飽和溫度為閥門內(nèi)工質(zhì)溫度，除氧器壓力略低于閥后壓力，但二者基本接近，這種情況下工質(zhì)在閥門最后一級(jí)節(jié)流件內(nèi)很容易空化，并損壞密封件及閥內(nèi)件，噪聲和振動(dòng)也會(huì)隨之出現(xiàn)。結(jié)合相關(guān)研究可以了解到，調(diào)節(jié)閥空化消除可采用控制壓力降、減小或隔離破壞、改變工藝系統(tǒng)或布置等不同方法，本文研究?jī)H分析研究最小流量閥布置位置，以此實(shí)現(xiàn)最小流量閥空化的消除[1]。

2.核電機(jī)組給水泵最小流量閥布置方案

對(duì)于很容易產(chǎn)生空化的核電機(jī)組給水泵最小流量閥來(lái)說(shuō)，汽水兩相流很容易出現(xiàn)于閥后管道，并導(dǎo)致沖蝕產(chǎn)生。為減小閥后管道沖蝕受到的汽水兩相流影響，可采用最小流量閥高位布置方案，即在除氧器上方再循環(huán)接口附近布置給水最小流量閥，同時(shí)需保證閥后管道盡量短，該方案中除氧器壓力與閥后壓力基本相同。此外，還可以采用最小流量閥低位布置方案，即在除氧層地面上布置前后隔離閥及最小流量閥，同時(shí)需保證除氧器上方進(jìn)水的除氧器再循環(huán)接口改為底部進(jìn)水，并保證最小流量閥低于除氧器液面標(biāo)高[2]。

3.核電機(jī)組給水泵最小流量閥布置位置影響

3.1工作參數(shù)計(jì)算

為明確核電機(jī)組給水泵最小流量閥布置位置影響，需首先計(jì)算最小流量閥工作參數(shù)，以某核電廠3臺(tái)33.3%電動(dòng)定速給水泵組為例，單臺(tái)給水泵組流量、揚(yáng)程在額定工況下分別為2717t/h、877mH2O，額定工況下除氧器運(yùn)行壓力及溫度、泵組所需最小流量分別為1.026MPa.a、181℃、890t/h。給水泵組中心線標(biāo)高、除氧器正常液位標(biāo)高分別為-7.5m、23.5m，低位、高位布置方案的最小流量閥標(biāo)高分別為20m、26.5m。流體力學(xué)計(jì)算模型建設(shè)結(jié)合給水再循環(huán)管道布置情況，以此完成最小流量閥在最小流量下的前后壓差計(jì)算，具體計(jì)算采用AFTFathom軟件?；谟?jì)算可以確定，低位布置方案的閥后壓力、閥前壓力、閥門壓降分別為1.071MPa.a、9.626MPa.a、8.555MPa.a，高位布置方案則分別為1.033MPa.a、9.56MPa.a、8.527MPa.a。綜合對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，建立一段靜水柱壓差于最小流量閥后的低位布置可提高約0.04MPa的閥后壓力。

3.2空化數(shù)值模擬計(jì)算

基于相關(guān)參數(shù)，針對(duì)性研發(fā)由真空釬焊多層金屬盤片組成的多級(jí)迷宮式最小流量閥，多級(jí)節(jié)流槽由電火花切割迷宮盤片表面形成。流經(jīng)一系列的直角彎道，閥門入口高壓給水可在強(qiáng)大的流阻作用下完全控制流速，多級(jí)節(jié)流槽逐級(jí)分擔(dān)整個(gè)閥門的壓降。對(duì)于較小的每一級(jí)節(jié)流槽壓降來(lái)說(shuō)，局部最大壓降會(huì)在節(jié)流過(guò)程中相應(yīng)減小，給水最小局部壓力會(huì)在整個(gè)節(jié)流過(guò)程中提高，最小流量閥中噪聲、振動(dòng)、空化問(wèn)題可得到有效緩解?；谌S實(shí)體建模軟件Solidworks進(jìn)行內(nèi)部流道（最小流量閥）三維建模，可得到由迷宮式節(jié)流件流道和閥體流道組成的三維模型。模型的數(shù)值模擬基于CFD進(jìn)行，并基于上文中的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行介質(zhì)和邊界條件設(shè)置。在定常條件下，具體采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和三維不可壓縮流體N-S方程，三維模型網(wǎng)格劃分需在CFD使用前開(kāi)展，以此向CFD軟件中導(dǎo)入生成的網(wǎng)格，并完成相關(guān)邊界條件設(shè)置。模擬計(jì)算需基于低位、高位布置方案分包開(kāi)展，對(duì)于前壓力較高的最小流量閥，考慮到除氧器溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力遠(yuǎn)低于最小流量閥前壓力，因此可得到相關(guān)模擬結(jié)果?；谀M可以確定，最后一級(jí)或兩級(jí)節(jié)流槽內(nèi)最容易發(fā)生空化。深入分析可以發(fā)現(xiàn)，最后一級(jí)流道轉(zhuǎn)角處空化存在于高位方案中，低位方案未出現(xiàn)空化?；谟?jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，由于低位布置方案將一段靜水柱壓差建立于最小流量閥后，因此低位布置方案相較于高位布置方案的閥后壓力實(shí)現(xiàn)了約0.04MPa的提升，輔以迷宮式節(jié)流槽分級(jí)降壓作用，核電機(jī)組給水泵最小流量閥空化問(wèn)題即可由此解決。

結(jié)論：綜上所述，核電機(jī)組給水泵最小流量閥布置位置帶來(lái)的影響較為深遠(yuǎn)，本文涉及的工作參數(shù)計(jì)算、空化數(shù)值模擬計(jì)算等內(nèi)容直觀展示了這種影響。為更好處理閥門空化問(wèn)題，最小流量閥的優(yōu)化升級(jí)、優(yōu)化布置必須得到重視。

參考文獻(xiàn)：

[1]侯志華，韓光輝，張兵.某核電機(jī)組水壓試驗(yàn)泵汽輪發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)不成功分析處理[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2020，62（01）：70-72.

[2]龍晟.國(guó)內(nèi)M310核電機(jī)組汽動(dòng)輔助給水泵超速保護(hù)試驗(yàn)分析[J].機(jī)電信息，2019（15）：41+43.

作者簡(jiǎn)介：姓名：董純策（1976.01.09），性別：男，民族：漢，籍貫：大連長(zhǎng)?？h，學(xué)歷：本科，現(xiàn)有職稱：初級(jí)工程師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化。