一種燃氣輪機氣體燃料調節(jié)閥的流動特性分析

張嘉耕,戴義平,黨少佳

(1.西安交通大學 能源與動力工程學院,西安 710049;2.內蒙古電力(集團)有限責任公司內蒙古電力科學研究院分公司,呼和浩特 010020)

氣體燃料調節(jié)閥是燃氣輪機重要的輔助系統(tǒng)之一,其工作特性確定了機組的燃料供應,直接影響燃氣輪機運行的穩(wěn)定性和安全性[1]。開展燃氣輪機氣體燃料閥的特性研究,可以為燃氣輪機氣體燃料閥及其控制系統(tǒng)的設計提供基礎,具有重要的工程應用背景和學術意義。

目前,國內對于燃氣輪機氣體燃料調節(jié)閥的研究較少,沒有足夠的設計數(shù)據(jù)積累,因此在設計制造過程中,大多沿用通用類閥門的設計技術進行選型和制造[2]。但燃氣輪機氣體燃料調節(jié)閥相較于通用類閥門在功能性方面有很大不同,其升程流量特性對機組運行的安全性和穩(wěn)定性具有直接的影響。國內燃氣輪機的氣體燃料調節(jié)閥長期依賴國外進口,缺乏自主設計及驗證能力[3]。因此開展燃氣輪機氣體調節(jié)閥的自主研發(fā)與數(shù)據(jù)積累對我國燃氣輪機的發(fā)展尤為重要。

由此可見,通過CFD數(shù)值模擬的方法對氣體燃料調節(jié)閥流動特性進行研究,為國內燃氣輪機氣體燃料調節(jié)閥自主設計提供基礎數(shù)據(jù),奠定理論基礎,是一條可行的途徑。

本文根據(jù)所設計的燃氣輪機燃料調節(jié)閥的結構,建立了閥門性能分析模型,以天然氣為工質,使用Fluent軟件對閥口流場進行了數(shù)值模擬分析,得到了不同閥門開度時閥門的質量流量特性曲線,獲得了燃料閥相對升程-流量系數(shù)和提升力系數(shù)曲線,為燃料閥及其控制系統(tǒng)的設計提供依據(jù)以及理論基礎。

1 數(shù)學模型

氣體燃料調節(jié)閥的結構如圖1所示,其閥芯是為了實現(xiàn)燃氣的精確調節(jié)所設計的曲面,并且為了提高閥門通流能力將閥座流道設計成一定角度的錐面,閥門出氣口為縮放噴管結構形式。

圖1 氣體燃料調節(jié)閥結構示意圖

縮放噴管的結構主要包括入口、穩(wěn)定段、收縮段、喉部和擴張段。主閥設計參數(shù)如表1所示。由于技術要求對主閥結構大小以及壓力損失的限制,將進氣口安排在近出口端,這樣可以有效的減少壓力損失。

表1 主閥設計參數(shù)

1.1 氣體燃料調節(jié)閥流量方程

氣體燃料調節(jié)閥憑借閥芯和閥套構成的空間來節(jié)流,進而實現(xiàn)對氣體燃料流量的調節(jié)。

氣體燃料調節(jié)閥為縮放式閥門,縮放式閥門臨界狀態(tài)下的氣體質量流量公式如下:

(1)

喉部臨界面積為:

(2)

式中:φ為閥門名義直徑;α為閥芯的傾角;x為閥芯位移。

流量系數(shù)的表達式為:

(3)

式中:ρ為密度;qv為體積流量;Δρ為密度變化值。

阻力損失的表達式為:

(4)

1.2 湍流模型

Realizablek-ε模型的湍動能k和湍流粘性的輸運方程求解如下:

(5)

(6)

2 閥口流場仿真

2.1 流道模型的建立

根據(jù)燃料閥的結構進行簡化處理后,在workbench中抽取流道模型,得到如圖2所示的主閥三維流道模型剖面圖。

圖2 流道模型的剖面圖

2.2 流體域網(wǎng)格劃分

燃料調節(jié)閥腔內的結構比較復雜,氣流的流動混亂,所以采用非結構化網(wǎng)格,本文利用Fluent Meshing生成計算網(wǎng)格,如圖3所示為閥門開度為10%時流道模型的網(wǎng)格結構圖。對不同開度下的流道模型進行類似的網(wǎng)格劃分操作,分別得到開度為10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%時的網(wǎng)格結構。

圖3 開度10%時流道模型的網(wǎng)格劃分

2.3 初始條件和邊界條件

為了保證計算結果準確,對網(wǎng)格無關性進行驗證,圖4為閥門開度50%、壓比0.7時網(wǎng)格無關性驗證結果。可以看到,當網(wǎng)格數(shù)從30萬增加至250萬時,出口質量流量變化很小,可以認為30萬時網(wǎng)格已達到網(wǎng)格無關性要求,最終采用網(wǎng)格數(shù)量為36萬、網(wǎng)格尺寸為3 mm、增長率為1.2。

圖4 網(wǎng)格無關性驗證結果

完成網(wǎng)格劃分后,在Fluent求解器中進行計算,求解器采用隱式、分離、穩(wěn)態(tài)格式;壓力速度耦合使用SIMPLEC算法,動量壓力設定為二階迎風格式,湍流模型選擇Realizablek-ε模型;流體介質為甲烷,設置流體屬性為ideal-gas;邊界條件為壓力進口與壓力出口,出口壓力為3.0 MPa不變,使出口壓力與進口壓力之比為0.50～0.90,并分別進行數(shù)值計算,進出口邊界條件見表2;設置殘差和出口質量流量監(jiān)視窗口,殘差設置為1e-6。

表2 進出口邊界條件

2.4 仿真結果分析

2.4.1 質量流量

如圖5所示,隨著閥門開度的增大,調節(jié)閥出口質量流量也隨之增大,且隨著開度的增大,出口質量流量增長的速度變化不大。當壓比達到0.9即進口壓力減小到3.33 MPa,在大開度時調節(jié)閥出口流量增長較為緩慢,流量趨于穩(wěn)定。在同一閥門開度條件下,隨著進口壓力的增大,閥門出口流量也增大,即壓差越大出口質量流量越大。

圖5 不同開度不同壓比閥門出口質量流量

2.4.2 流量系數(shù)

閥門流量系數(shù)是衡量閥門通流能力的指標,它等于閥門實際通過的氣體流量Q與閥門名義通過氣體流量QH之比,其值越大說明流體流過閥門時的壓力損失越小。

(7)

其中Q由CFD計算得到,QH為:

QH=β×Qmax

(8)

β為彭臺門系數(shù):

(9)

式中:k為等熵指數(shù);εn為閥門壓比。

Qmax為臨界流量:

(10)

式中:SH為名義通流面積;P1為閥前壓力;ν1為比容。本文中閥門名義直徑φ為50 mm。定義相對升程為閥芯位移與閥門名義直徑之比,即:

(11)

式中:x為閥芯位移。

圖6為相對升程-流量系數(shù)曲線。

圖6 相對升程-流量系數(shù)曲線

從圖6可以看出,在壓比不變時,閥門流量系數(shù)隨著相對升程的增加而變大。同時,不同壓比時調節(jié)閥流量特性曲線吻合良好,流量特性基本一致。流量系數(shù)與相對升程基本呈直線關系,流量系數(shù)隨著閥門開度的增大而增大。

2.4.3 提升力系數(shù)

提升力系數(shù)φ表征了閥門運行狀態(tài)下開啟過程中所需克服氣體對閥門的作用力的大小,表示為氣體作用在閥門上的實際的力F與理論作用力FH之比,即:

(12)

圖7為相對升程-提升力系數(shù)曲線。從圖中可以看出保持閥門出口壓力一定時,隨著閥門開度的增大,提升力系數(shù)先減小后增大,但閥門開度的變化對調節(jié)閥提升力系數(shù)的影響不大。當閥門開度一定時,隨著壓比的增大提升力系數(shù)也增大。當閥后壓力不變時,隨著閥前壓力的增大,閥門開啟過程所需要的提升力逐漸減小。

圖7 相對升程-提升力系數(shù)曲線

通過計算得到的相對升程-流量系數(shù)以及提升力系數(shù)主要取決于閥門開度和壓比。因此在設計時可以根據(jù)給定的壓比和閥門開度得到調節(jié)閥該工況下的流動特性,并根據(jù)實際情況進行修正,為燃氣輪機燃料調節(jié)閥的設計提供基礎。

2.5 流場分析

2.5.1 壓力分析

對閥門開度為50%時不同壓比下調節(jié)閥的流量進行分析。圖8為50%開度時不同壓比的壓力云圖。從圖中可以看出,壓力變化最大的地方均出現(xiàn)在閥芯啟閉的位置。噴管式的閥門結構使得燃料壓力在閥門出口處恢復到一定水平,減小了部分壓力損失。從閥門入口到閥門出口,燃料壓力先減小,在喉部達到最小,然后增大,而且進口壓力的增大,即壓比減小,喉部處的壓力下降越明顯,壓力恢復所需距離越大,壓力損失越大。

(a) 壓比0.6壓力云圖

對壓比為0.75即進口壓力為4.0 MPa時不同閥門開度下的壓力進行分析,圖9為不同閥門開度下的壓力云圖。從圖中可以看出,從進口到出口,閥門壓力先減小后增大,在喉部壓力最小,閥門開度越小,壓力下降越明顯。圖9(c)中,流體經(jīng)過喉部之后出現(xiàn)了一段較長的低壓區(qū),這是由于隨著開度的增大,流體速度增大,在擴張段會產(chǎn)生激波,壓力在前后產(chǎn)生跳變,恢復到出口壓力大小,這在一定程度上減小了閥門前后的壓力損失。

(a) 開度30%壓力云圖

2.5.2 速度分析

如圖10所示為50%開度下不同壓比的速度等值線圖。可以清楚的看到氣體燃料的流動情況,由于進口段流道長且寬,入口處流動比較均勻,流速先增大后減小,當氣流流過閥門喉部時,速度達到最大,氣流在該處射流后容易沖擊壁面,使得動能轉換為內能,氣體流速迅速下降。同時隨著進口壓力的增大,即壓比減小,氣體流速下降的速度逐漸變慢,在閥門擴張段流速緩慢減小,最后趨于平穩(wěn)。

(a) 壓比0.6速度等值線圖

如圖11所示為壓比0.75時不同閥門開度條件下閥門流場的速度等值線圖?？梢钥吹皆陂y門相對出口的另一側,氣體速度很小,同時會產(chǎn)生旋渦,引起較大的能耗。氣體流過閥門時流速先增大后減小,同時隨著閥門開度的增大,閥門喉部氣體流速下降的速度逐漸變慢。

(a) 開度30%速度等值線圖

3 結論

本文利用Fluent軟件對燃氣輪機氣體燃料調節(jié)閥流動特性進行仿真分析,采用了真實氣體物性,確定了閥門在出口壓力一定、壓比0.5～0.9時不同閥門開度下的閥門流量特性,獲得了相對流量系數(shù)曲線以及相對提升力曲線,主要結論如下:

(1) 由壓力云圖、速度等值線圖可知,從閥門進口到閥門出口,燃料壓力先減小再增大,而且閥門開度越小,壓力下降越明顯;進氣口安排在近出口端,可以有效的減少壓力損失。

(2) 由相對升程-流量系數(shù)曲線可知,調節(jié)閥在壓比較小時流量特性接近直線特性,在壓比較大時接近快開特性。

(3) 由相對升程-提升力系數(shù)曲線可知,此調節(jié)閥在壓比較小時,提升力隨閥門開度變化較大;壓比較大時,提升力隨閥門開度變化較小。在壓比相同時,隨著閥門開度的增加,提升力都呈先減小再增大趨勢。

(4) 通過CFD模擬,獲得了燃料閥的相對升程-流量系數(shù)和相對升程-提升力系數(shù),為燃氣輪機氣體燃料調節(jié)閥及其控制系統(tǒng)的設計提供了基礎。