凝水系統水位調節閥流量系數特性研究

胡宗成，高怡秋，楊 懿

(1.海軍駐上海第七一九研究所軍代表室，湖北 武漢 430064;2.中國船舶重工集團公司第七○四研究所，上海 200031)

0 引言

冷凝器是凝汽式汽輪機的重要組成設備，在熱力循環中起到冷源的作用。冷凝器水箱中水位的高低直接影響到冷凝器的工作性能，進而影響整個蒸汽動力裝置的熱經濟性和安全可靠性。水位過高，將減少蒸汽的冷卻面積，影響冷凝效果，從而引起真空度的下降，降低汽輪機的有效焓降以及整機的熱效率;水位過低，將影響凝水泵的工作性能，當凝水泵的吸入壓力過低時，將發生氣蝕現象，嚴重時會損壞設備。因此，凝水系統中必須設置有水位調節裝置，以使冷凝器水位維持在合理范圍內［1］。

水位調節閥是水位調節裝置中的重要設備。在傳統的設計與計算中，由于閥門結構復雜，其流量系數不易獲得，為簡化計算過程，工程上通常將流量系數取為常數［2－3］。近年來隨著計算流體力學技術及CFD數值模擬軟件的不斷發展，通過數值方法求解流量系數已成為當今工程設計的重要手段［4－6］。

本文通過對流量系數的理論公式推導，得到了水位調節閥流量系數的計算公式，采用數值模擬方法，研究不同參數對流量系數的影響。通過理論公式計算結果與數值模擬值的對比，驗證了水位調節閥流量系數的計算結果，并為數值模擬方法求解流量系數提供了理論支持。

1 水位調節閥及系統組成

本次研究對象為船用凝汽式汽輪機，凝水系統如圖1所示，主要包括冷凝器、凝水泵、水位調節閥等設備。汽輪機排汽在冷凝器內部經冷卻后凝結為凝水并進入冷凝器水箱，水箱底部設有管路聯接至凝水泵，凝水經由凝水泵增壓后進入水位調節閥。水位調節閥根據汽輪機排汽量的大小調節閥門開度，改變排水管路與回水管路的流量分配，使冷凝器水箱水位保持恒定。

圖1 凝水系統示意圖Fig.1 Condensate water system

水位調節閥采用三通結構，設有排水、回水兩路出口，排水出口聯接至系統熱井，用于排走多余的凝水;回水出口聯接至冷凝器，可將凝水送回至冷凝器水箱內。水位調節閥原理如圖2所示，當汽輪機排汽量增加時，閥位升高，排水量增大，回水量減小;當汽輪機排汽量減少時，閥位降低，排水量減小，回水量增大。

對于回水管路，由于冷凝器內的真空環境，加之管路較短，因此其背壓較低;而排水管路由于管路較長、管阻較大，因此其背壓較高。由于兩路出口背壓的不同，當水位調節閥開度改變時，凝水管路的阻力特性將發生改變。

在汽輪機工況變更時，凝水系統的特性變化主要由水位調節閥引起，并使凝水泵的揚程和流量隨之改變，而凝水泵參數的變化又會改變水位調節閥入口的壓力，造成閥流量系數與阻力特性的改變，二者相互關聯又相互影響。因此在設計時，凝水系統的匹配特性必須給予充分的考慮。其中不同工況下水位調節閥的特性計算，特別是流量系數的計算，是整個凝水系統匹配特性研究的關鍵問題。

圖2 水位調節閥原理圖Fig.2 Principle of level control valve

2 流量系數的特性

2.1 流量系數的公式推導

對于水位調節閥而言，根據伯努利方程，有流量公式

式中:Cx為不同開度水位調節閥的流量系數;F1為調節窗口面積;ΔP為調節閥總壓降;ρ為凝水的密度。

對于調節窗口，如圖2中的排水或回水窗口，有流量公式

式中:μ為調節窗口的流量系數，取0.78～0.8;F1為調節窗口面積;ΔP1為調節窗口壓降;ρ為凝水的密度。

對于水位調節閥，在凝水流過閥體內部時，存在若干處節流與損失過程，每一處節流與損失過程有流量公式

令所有節流與損失過程流量系數μ相等，根據流量守恒方程:

流過調節閥的總壓降為各個節流與損失過程的壓降總和:

由式(9)可以看出，當F2，F3，…，Fn保持不變，F1增大時，Cx減小;F1減小，Cx增大時，二者為反比關系。

對于本次計算的水位調節閥，在整個流動過程中，壓降主要產生于調節窗口處以及調節閥出口處，忽略其余沿程阻力，則根據式(8)，可得調節窗口處的壓降

式中:ΔP為調節閥總壓降;Fx為調節窗口面積;Fc為調節閥出口處面積

令

則在考慮調節閥出口處壓力損失時，流量系數

面積比f表征了調節窗口壓降占整個調節閥壓降的比值，面積比f越大，調節窗口壓降比值越小，當面積比f=1時，調節閥全部壓降集中在調節窗口處。

2.2 流量系數的數值模擬與分析

2.2.1 流量系數的計算方法

通過CFD數值模擬軟件，對不同開度下水位調節閥的計算模型進行計算。給定調節閥進出口壓力，可得到調節閥的實際流量。閥流量系數的計算公式為:

式中:Qx為不同開度下數值模擬所得實際流量;Fx為不同開度下調節窗口面積;ΔP為調節閥總壓降;ρ為凝水的密度

2.2.2 不同開度對流量系數的影響

圖3分別為排水以及回水工況時不同開度下的水位調節閥流量系數，二者變化趨勢基本一致，在開度較小，窗口面積不大時，流量系數較大;在開度不斷增大，窗口面積增加時，流量系數逐漸減小;在最大開度時二者的流量系數僅為0.56左右。根據式(9)，閥流量系數的變化是由于在開度增大、窗口面積增加時，沿程與閥體內部的流動損失增大而引起的。

圖3 不同開度的流量系數Fig.3 Flow coefficient in different lift

2.2.3 不同壓差對流量系數的影響

以100%開度為例，分別對排水工況和回水工況的流量系數進行計算，保持入口壓力不變，改變出口壓力，得到不同壓差下水位調節閥的流量系數，如圖4所示。

圖4 排水以及回水的流量系數Fig.4 Flow coefficient of discharge and back

由圖4可知，隨著壓差的減小，閥的流量系數略有降低，當壓差減小到一定程度時，呈加速下降趨勢。這是由于流量系數為閥門雷諾數的函數，當雷諾數大于一定值時，閥內部流動為紊流狀態，此時隨雷諾數增加，流量系數基本穩定［7］。總體而言，從工程計算的角度可認為流量系數不隨壓差的變化而改變，即在開度一定時流量系數為恒定值。

2.3 不同計算方法的對比

圖5與圖6分別為采用公式計算以及數值模擬所得水位調節閥流量系數的對比。根據數值模擬計算結果，對于排水窗口，在全開位置時通流面積最大，面積比f的值最大，此時窗口處的壓降占整個調節閥壓降的比值較小，由于沿程以及閥體內部的流動損失的作用，閥的流量系數最小;當窗口面積逐漸減小時，沿程以及閥體內部的流動損失對閥流量系數的影響減小，流量系數逐漸增大;當閥門接近于關閉狀態時，調節閥的壓力損失集中于排水窗口處，此時面積比f→1，閥的流量系數接近于調節窗口的流量系數，Cx=0.78～0.8。回水窗口的流量特性與排水窗口基本相同，二者符合同一變化規律。

圖5 排水工況流量系數Fig.5 Flow coefficient in discharge condition

圖6 回水工況流量系數Fig.6 Flow coefficient in back condition

圖5和圖6顯示，當調節窗口面積越小時，計算結果與數值模擬值越吻合;當窗口面積最大時，由于調節窗口處的壓力損失占整個閥損失的比值較小，流量系數的計算值受其他部位損失的影響較大，而在計算中未能將閥內的流動損失全部計算進去，因此誤差相對較大。

2.4 凝水系統的流量計算

圖7和圖8分別給出了采用固定流量系數(C=0.62)以及變流量系數下水位調節閥的流量特性曲線。由圖中可以看出，在采用變流量系數計算時，排水流量以及回水流量不再是各自窗口面積的單一函數。當窗口面積增大時，由于流量系數的減小，排水流量以及回水流量均較固定流量系數的計算結果偏小，總流量的變化幅度則有所降低。

圖7 采用固定流量系數的計算結果Fig.7 Result under constant flow coefficient

圖8 采用變流量系數的計算結果Fig.8 Result under change flow coefficient

3 結語

1)對流量系數公式進行推導，得到了水位調節閥流量系數的理論計算方法，得出流量系數是窗口面積與出口面積之比的函數;

2)通過數值模擬方法得到凝水系統水位調節閥的流量系數以及變化趨勢。分析不同開度以及不同壓差下水位調節閥流量系數的變化規律;

3)根據不同開度下流量系數的數值模擬結果，驗證了理論計算方法的正確性，同時為數值模擬結果提供了理論依據;

4)根據本次計算所得流量系數，對凝水系統的流量進行重新計算，得到了更加合理的計算結果。

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