超壓工況主蒸汽閥站先導(dǎo)閥的動(dòng)態(tài)特性研究

劉 闖， 臧家林， 姚懷宇， 陳時(shí)健， 朱京梅， 金瑞興， 錢錦遠(yuǎn)，5

(1.浙江大學(xué) 化工機(jī)械研究所， 浙江 杭州 310027； 2. 核電運(yùn)行研究(上海)有限公司， 上海 200120；3.中核蘇閥科技實(shí)業(yè)股份有限公司， 江蘇 蘇州 215129； 4.中國核電工程公司， 北京 100840； 5.浙江大學(xué) 流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 杭州 310027)

引言

核電站的安全是核電站穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)[1]。主蒸汽閥站作為核電站二回路中的三級(jí)超壓保護(hù)設(shè)備之一，位于安全殼外，對(duì)主蒸汽系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行起關(guān)鍵作用。主蒸汽閥站是由主蒸汽快速隔離閥、大氣釋放閥前置隔離閥(簡稱：前置隔離閥)以及監(jiān)測(cè)主蒸汽安全閥和工作主蒸汽安全閥組成的閥組。主蒸汽閥站中的各個(gè)主閥均采用先導(dǎo)控制方式，利用系統(tǒng)自身介質(zhì)壓力來實(shí)現(xiàn)主閥自緊式密封。當(dāng)系統(tǒng)壓力超出安全范圍時(shí)，即超壓工況，閥內(nèi)流體推動(dòng)先導(dǎo)結(jié)構(gòu)開啟卸壓，進(jìn)而帶動(dòng)主閥開啟，使系統(tǒng)壓力恢復(fù)正常。隨后，先導(dǎo)結(jié)構(gòu)逐漸關(guān)閉使主閥恢復(fù)關(guān)閉狀態(tài)[2]。因此，先導(dǎo)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性直接決定整個(gè)閥門的響應(yīng)性能。

對(duì)先導(dǎo)閥動(dòng)態(tài)特性的研究焦點(diǎn)目前放在了結(jié)構(gòu)參數(shù)上。陳雨洋等[3]利用AMESim軟件對(duì)先導(dǎo)式水擊卸壓閥搭建了仿真模型，模擬了實(shí)際水擊現(xiàn)象，分析得到節(jié)流閥直徑、阻尼孔直徑、主閥閥芯錐角對(duì)閥門的壓力超調(diào)量、啟閉時(shí)間有較大影響。任恒等[4]通過正交試驗(yàn)與仿真分析的方法，得出影響先導(dǎo)式比例減壓閥動(dòng)態(tài)綜合特性的3個(gè)因素的順序?yàn)橹鏖y芯阻尼孔直徑、先導(dǎo)流量穩(wěn)定器阻尼孔直徑和彈簧剛度。于德勇等[5]采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)某核電廠的大氣釋放閥前置隔離閥開啟特性進(jìn)行研究，得出先導(dǎo)式閥門開啟總時(shí)間主要是由卸壓排放時(shí)間決定的。

由于先導(dǎo)閥是通過進(jìn)口壓力提供的推力進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，因此進(jìn)口邊界條件對(duì)先導(dǎo)閥動(dòng)態(tài)特性的影響較大，但當(dāng)前對(duì)于進(jìn)口邊界條件的關(guān)注較少。SONG等[6]利用動(dòng)網(wǎng)格方法模擬了與壓力容器連接的直動(dòng)式安全卸壓閥的啟閉過程，發(fā)現(xiàn)減小壓力容器進(jìn)口容積會(huì)使響應(yīng)時(shí)間延遲，振蕩加劇。QIAN等[7]利用CFD方法對(duì)先導(dǎo)控制截止閥的流動(dòng)和空化特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究表明，氣體體積分?jǐn)?shù)在靠近出口管的閥座處達(dá)到峰值，入口速度越高或閥芯位移越小，氣蝕損傷越大。李樹勛等[8]通過對(duì)水擊卸壓閥在不同超壓比下的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，隨著閥前超壓比例的增加，閥芯運(yùn)動(dòng)到額定位移的時(shí)間相應(yīng)縮短，閥芯速度、泄放量及閥芯所受液動(dòng)力變化幅度會(huì)相應(yīng)增大。

由于試驗(yàn)成本較高，理論分析難度較大，目前閥門動(dòng)態(tài)特性的研究主要采用數(shù)值模擬方法。陳志杰等[9]使用不同湍流模型計(jì)算了核級(jí)定壓止回閥在不同調(diào)節(jié)范圍下的壓力損失，并與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明標(biāo)準(zhǔn)κ-ε和Realizableκ-ε模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值偏差較小。葉志烜等[10]基于動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)中線蝶閥啟閉過程中的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了不同開度下閥后流場(chǎng)渦旋的演化規(guī)律。陳俊翔等[11]針對(duì)先導(dǎo)式電液比例閥的主閥芯在運(yùn)動(dòng)過程中動(dòng)靜態(tài)特性存在較大差異的問題進(jìn)行研究，并提出了一種非對(duì)稱控制策略及變?cè)鲆嫠绤^(qū)補(bǔ)償算法。劉夢(mèng)瑤等[12]利用Fluent和用戶自定義特征(User Defined Feature，UDF)，模擬了某核電止回閥在高壓工況下開啟過程中的內(nèi)部流動(dòng)，分析總結(jié)了閥體和閥芯在不同開度下的應(yīng)力分布及變形情況。

本研究利用CFD動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)模擬了主蒸汽閥站中的主蒸汽安全閥先導(dǎo)閥的瞬態(tài)開啟過程，并研究了在不同的線性入口靜壓力增加速度，即超壓速度下先導(dǎo)閥的響應(yīng)時(shí)間、瞬態(tài)力等關(guān)鍵動(dòng)態(tài)參數(shù)隨時(shí)間的變化情況，為主蒸汽閥站中先導(dǎo)閥的性能提升和國產(chǎn)化提供了理論參考。

1 計(jì)算模型

1.1 幾何模型

主蒸汽閥站的幾何模型如圖1所示，先導(dǎo)閥安裝在工作主蒸汽安全閥上。為了模擬先導(dǎo)閥的開啟過程，進(jìn)口壓力應(yīng)達(dá)到先導(dǎo)閥的整定壓力。在此工況下，主蒸汽快速隔離閥保持關(guān)閉，隔離上下游管道。而前置隔離閥和監(jiān)測(cè)主蒸汽安全閥的整定壓力小于工作主蒸汽安全閥，所以保持全開。先導(dǎo)閥是由NICO和VS66 2個(gè)先導(dǎo)閥相互連接組成的，結(jié)構(gòu)如圖2所示。NICO進(jìn)口與主閥閥芯上腔相連通，而VS66與主閥閥體內(nèi)腔相連通。

1.主蒸汽快速隔離閥 2.前置隔離閥 3.監(jiān)測(cè)主蒸汽安全閥 4.工作主蒸汽安全閥

1.NICO套筒 2.NICO閥桿 3.VS66閥桿

先導(dǎo)閥控制主閥是通過進(jìn)口超壓流體推動(dòng)VS66先導(dǎo)閥閥桿移動(dòng)后，使NICO閥桿與VS66先導(dǎo)閥形成的腔內(nèi)壓力升高，進(jìn)而推動(dòng)NICO先導(dǎo)閥閥桿移動(dòng)，使主閥上腔流體通過NICO先導(dǎo)閥卸壓。主閥閥芯受力逐漸增加，主閥開啟卸壓。

1.2 網(wǎng)格模型

將幾何模型封閉后抽取流道， 并使用WorkBench Mesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。

圖3 主蒸汽閥站網(wǎng)格模型

對(duì)流道模型進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，如表1所示。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到1000萬時(shí)能保證計(jì)算的精確性，并節(jié)省計(jì)算成本。具體采用5 mm的平均網(wǎng)格尺寸劃分先導(dǎo)閥區(qū)域，采用20 mm全局平均網(wǎng)格尺寸，30 mm最大體網(wǎng)格尺寸劃分主蒸汽閥站其余流道結(jié)構(gòu)，并對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格最小正交質(zhì)量在0.1附近。對(duì)除閥體外的管道區(qū)域采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，以提高計(jì)算速度和計(jì)算精度。對(duì)于整個(gè)主蒸汽閥站流道模型劃分邊界層以提高計(jì)算精度。

表1 不同數(shù)量的網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

1.3 運(yùn)動(dòng)模型

整個(gè)瞬態(tài)開啟過程中的運(yùn)動(dòng)部件有2個(gè)，分別為VS66閥桿和NICO閥桿。利用Fluent提供的動(dòng)網(wǎng)格功能和UDF功能對(duì)閥桿的運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行定義，并基于式(1)來編寫不同的UDF文件：

dv=dt*(fy-fr-ky)/m

(1)

式中，fr—— 閥桿重力

ky—— 彈簧阻力，彈簧剛度k與閥桿在每一時(shí)刻的總上升高度y的乘積

dv—— 指閥桿在每個(gè)時(shí)間步的運(yùn)動(dòng)速度變化

dt—— 指時(shí)間步長

fy—— 流體推力

使用用戶自定義函數(shù)讀取所有流道與運(yùn)動(dòng)部件接觸的網(wǎng)格內(nèi)的壓力值p與網(wǎng)格面表面積的乘積。

進(jìn)口壓力值作為本研究的變量，分別設(shè)置3種線性超壓速度值進(jìn)行模擬，如式(2)、式(3)所示。

ps=psi+x*t

(2)

pt=pti+x*t

(3)

式中，ps—— 進(jìn)口靜壓力

psi—— 流場(chǎng)的初始?jí)毫Γ?.43 MPa

pt—— 進(jìn)口總壓力

pti—— 流場(chǎng)的初始總壓力

x—— 超壓速度，分別設(shè)置為1，2，3 MPa/s

t—— 流動(dòng)總時(shí)間

1.4 分析模型

用Fluent軟件建立分析模型。由于流動(dòng)介質(zhì)是過熱蒸汽，將其看作理想可壓縮氣體，采用理想氣體模型。選擇基于密度的求解器，通過能量方程和Realizableκ-ε湍流模型進(jìn)行求解，邊界條件如表1所示。在UDF文件中，通過設(shè)置提高速度來實(shí)現(xiàn)進(jìn)口靜壓力線性增長；同時(shí)，為了使進(jìn)口動(dòng)壓不發(fā)生變化，需要將壓力進(jìn)口邊界條件中的總壓同樣設(shè)置為隨時(shí)間變化。為了保證瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果，將穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果作為初始流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。

表2 主蒸汽閥站邊界條件

2 計(jì)算結(jié)果與討論

2.1 響應(yīng)時(shí)間分析

VS66閥桿在不同進(jìn)口超壓速度下的運(yùn)動(dòng)曲線如圖4所示，VS66的開啟運(yùn)動(dòng)過程整體呈曲線上升狀態(tài)，剛開啟時(shí)的波動(dòng)幅度較大，隨著開啟高度逐漸增加，波動(dòng)幅度逐漸變小。當(dāng)進(jìn)口靜壓力隨時(shí)間線性增長時(shí)，VS66閥桿的波動(dòng)幅度和波動(dòng)次數(shù)均大于進(jìn)口壓力恒定時(shí)。提高超壓速度會(huì)減小VS66閥桿在開啟過程中的波動(dòng)幅度，以及縮短波動(dòng)時(shí)間。

圖4 不同超壓速度下VS66閥桿運(yùn)動(dòng)曲線

此外，到達(dá)最大開度的響應(yīng)時(shí)間在進(jìn)口壓力恒定時(shí)，均小于線性增長情況。提高超壓速度能縮短VS66先導(dǎo)閥的總開啟時(shí)間。超壓速度由1 MPa/s提高到2 MPa/s 過程中，在開度到達(dá)一半之前的運(yùn)動(dòng)曲線幾乎完全重合，隨后才逐漸分離。當(dāng)超壓速度小于2 MPa/s 時(shí)，對(duì)于波動(dòng)幅度、波動(dòng)時(shí)間的影響很小，但會(huì)使閥桿開啟高度達(dá)到1.25 mm后的開啟速度略微增加，VS66的總開啟時(shí)間略微縮短，縮短程度為41%。當(dāng)超壓速度由2 MPa/s 提升至3 MPa/s時(shí)，VS66的總響應(yīng)時(shí)間顯著縮短。

NICO閥桿運(yùn)動(dòng)過程如圖5所示，與進(jìn)口壓力恒定時(shí)相比，開啟過程運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)并沒有太大變化，開啟過程沒有波動(dòng)， 均為拋物線式上升。進(jìn)口壓力恒定時(shí)的總開啟時(shí)間和最初開啟時(shí)間均小于存在超壓速度時(shí)。這意味著在實(shí)際工況中，若上游壓力繼續(xù)增大，可能會(huì)引起主蒸汽閥站超時(shí)響應(yīng)。在超壓速度由1 MPa/s提高到2 MPa/s時(shí)，NICO的開啟曲線幾乎沒有變化，而在超壓速度提升至3 MPa/s時(shí)，提高超壓速度會(huì)略微縮短N(yùn)ICO的總開啟時(shí)間，以及顯著減小NICO的最初開啟時(shí)間，使其由1 MPa/s時(shí)的0.008 s縮短至0.006 s，縮短了25%。NICO的最初開啟時(shí)間與VS66的開啟過程有關(guān)，由于超壓速度為1 MPa/s和2 MPa/s時(shí)，VS66運(yùn)動(dòng)曲線幾乎不變，因此，NICO運(yùn)動(dòng)曲線也幾乎不變。

圖5 不同超壓速度下NICO閥桿運(yùn)動(dòng)曲線

進(jìn)口壓力線性增加時(shí)，會(huì)改變2個(gè)先導(dǎo)閥之間的開啟延遲時(shí)間，且超壓速度越大，開啟延遲越小?？梢钥闯?，在超壓速度逐漸增加時(shí)，NICO達(dá)到最大開度的時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的VS66開度逐漸增加，分別對(duì)應(yīng)1.774，1.874， 2.000 mm。這是由于超壓速度的增大導(dǎo)致VS66到達(dá)最大開度的時(shí)刻提前，從而導(dǎo)致NICO到達(dá)最大開度的時(shí)刻相對(duì)延后。

2.2 閥桿受力分析

VS66和NICO閥桿在運(yùn)動(dòng)過程中的最大受力值發(fā)生在閥桿到達(dá)最大開度的時(shí)刻，具體值如表3所示?？梢钥闯?，超壓速度為3 MPa/s時(shí)，VS66和NICO閥桿的最大受力值超過其余3個(gè)工況。在超壓速度為0，1，2 MPa/s時(shí)，VS66閥桿最大受力值類似。而超壓速度為0 MPa/s時(shí)的NICO閥桿的最大受力值大于超壓速度為1和2 MPa/s時(shí)。

表3 先導(dǎo)閥閥桿運(yùn)動(dòng)過程中的最大受力值

VS66閥桿在不同超壓速度下的受力隨時(shí)間的變化曲線如圖6所示，閥桿所受推力的變化也代表著運(yùn)動(dòng)加速度的變化。有超壓速度的受力曲線與未有超壓速度時(shí)的閥桿受力曲線變化趨勢(shì)大致相同。在受力剛開始增加達(dá)到2500 N附近時(shí)，閥桿受力突然下降，隨后又快速增大。改變超壓速度并不會(huì)改變此刻的波動(dòng)幅度和波動(dòng)時(shí)間，但會(huì)使該波動(dòng)過程略微提前。隨后閥桿受力增大到4700 N附近時(shí)，增大速度逐漸變緩。

圖6 不同超壓速度下VS66閥桿受力曲線

兩者受力曲線的區(qū)別在于，進(jìn)口壓力線性變化時(shí)，受力大于4700 N后的平均增加速度均小于進(jìn)口壓力恒定時(shí)；且進(jìn)口壓力增加速度越快，受力的平均增加速度也越快，受力的波動(dòng)時(shí)間越短，到達(dá)最大開度時(shí)刻的受力值也越大，這也是閥桿運(yùn)動(dòng)總時(shí)間逐漸縮短的原因。但超壓速度由從1 MPa/s提高到2 MPa/s時(shí)，整體改變效果不大。

NICO閥桿在不同超壓速度下的受力變化曲線如圖7所示，有超壓速度的受力曲線與未有超壓速度時(shí)的閥桿受力曲線變化趨勢(shì)大致相同， 均存在2個(gè)突變點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)NICO先導(dǎo)閥開啟時(shí)刻和到達(dá)最大開度時(shí)刻。

圖7 不同超壓速度下NICO閥桿受力曲線

兩者受力曲線區(qū)別在于，所有超壓速度下的受力變化曲線的變化速度均小于進(jìn)口壓力恒定時(shí)。在NICO先導(dǎo)閥最初開啟時(shí)刻的受力值均大致相同，這是由NICO先導(dǎo)閥的整定壓力決定的。當(dāng)超壓速度為0，1，2，3 MPa/s時(shí)，NICO先導(dǎo)閥到達(dá)最大開度時(shí)的受力值分別為24359，23674，23715，25036 N。因此，當(dāng)超壓速度由2 MPa/s提高到3 MPa/s時(shí)，NICO到達(dá)最大開度時(shí)的受力值大于進(jìn)口壓力恒定時(shí)。提高超壓速度均會(huì)增大NICO閥桿的受力提高速度，這使得NICO閥桿最初開啟時(shí)間和達(dá)到最大開度的時(shí)間略微提前。從曲線中可看出，超壓速度從1 MPa/s提高到2 MPa/s時(shí)，整體改變效果不大，2條曲線幾乎重合。超壓速度由2 MPa/s 提高到3 MPa/s時(shí)，曲線整體變化較大，閥桿受力的提高速度更大，開啟時(shí)間也略微提前。

2.3 先導(dǎo)閥響應(yīng)延遲原因分析

存在超壓速度時(shí)，2個(gè)先導(dǎo)閥的響應(yīng)時(shí)間均大于進(jìn)口壓力恒定時(shí)。為分析超壓速度的影響原因，在NICO閥桿受力為0 N的時(shí)刻，即運(yùn)動(dòng)時(shí)刻為0.02556 s 時(shí)，可視化2個(gè)先導(dǎo)閥對(duì)稱面處的壓力分布，如圖8所示。

圖8 先導(dǎo)閥壓力分布對(duì)比(運(yùn)動(dòng)時(shí)刻為0.02556 s)

從圖8中可以看出，同一時(shí)刻下，超壓速度存在使VS66先導(dǎo)閥閥腔內(nèi)的壓力升高速度變慢，同時(shí)，從VS66先導(dǎo)閥內(nèi)流向NICO先導(dǎo)閥閥桿下底面的流體減少，NICO下底面的壓力升高速度減慢。

當(dāng)超壓速度為3 MPa/s時(shí)，NICO閥桿受力為0 N的時(shí)刻為0.0456 s，在該時(shí)刻不同超壓速度影響下，壓力分布的變化如圖9所示。

圖9 先導(dǎo)閥壓力分布對(duì)比(運(yùn)動(dòng)時(shí)刻為0.0456 s)

可以看出，當(dāng)NICO閥桿受力為0 N時(shí)，超壓速度為3 MPa/s時(shí)的壓力分布與未有超壓速度時(shí)幾乎相同，這是因?yàn)镹ICO的開啟壓力不變。當(dāng)超壓速度由3 MPa/s下降至2 MPa/s時(shí)，VS66閥桿外腔的壓力升高速度減慢，導(dǎo)致NICO閥桿下底面的壓力升高速度減慢，因此2個(gè)先導(dǎo)閥到達(dá)最大開度時(shí)間都同時(shí)延后。

3 結(jié)論

分析了主蒸汽閥站的先導(dǎo)閥開啟過程中的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)不同超壓速度下的響應(yīng)時(shí)間和瞬態(tài)受力進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

(1) 超壓速度提高時(shí)VS66和NICO先導(dǎo)閥的響應(yīng)時(shí)間均會(huì)更短，表現(xiàn)能力更好，但均弱于進(jìn)口壓力恒定時(shí)的情況。進(jìn)口壓力線性變化，可能使主蒸汽閥站響應(yīng)時(shí)間超過恒定進(jìn)口壓力時(shí)；

(2) 超壓速度在3 MPa/s時(shí)，NICO和VS66閥桿的最大受力值均大于其余3個(gè)工況。在0，1，2 MPa/s時(shí)，VS66閥桿的最大受力值近似相等。而在0 MPa/s時(shí)，NICO閥桿的受力值大于1和2 MPa/s時(shí)的受力值；

(3) 超壓速度會(huì)加劇VS66閥桿在開啟過程中的波動(dòng)幅值，延長波動(dòng)時(shí)間，但對(duì)NICO的開啟過程曲線走勢(shì)以及NICO的總開啟時(shí)間影響不大。本研究中的工況條件已經(jīng)是主蒸汽閥站所使用的最極端工況，在實(shí)際運(yùn)行中要避免其發(fā)生，因此在閥站其余閥門的泄放作用下，當(dāng)超壓速度過大(超過3 MPa/s)時(shí)，超壓工況出現(xiàn)的概率較小。