濕蒸汽對AP1000核電汽輪機中調門氣動力矩的影響

劉彥豐， 張旭瑞， 霍玉恒

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北保定071003)

濕蒸汽對AP1000核電汽輪機中調門氣動力矩的影響

劉彥豐， 張旭瑞， 霍玉恒

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北保定071003)

摘要：為了解核電汽輪機濕蒸汽對中壓進汽蝶閥的氣動力矩的影響，利用FLUENT中Mixture多相流模型對AP1000核電汽輪機中調門的氣動力矩進行汽水兩相流數值模擬，分別對中調門不同開度下濕蒸汽汽水兩相流和蒸汽單相流氣動力矩的模擬結果進行比較分析。結果表明：中調門開啟過程中，氣動力矩先逐漸增大，最大值發生于中調門40°開度時，中調門開度繼續增大，氣動力矩逐漸減小。濕蒸汽汽水兩相流對中調門的氣動力矩為蒸汽單相流的兩倍之多，增加了閥門發生卡澀故障的風險。

關鍵詞：核電；汽輪機；濕蒸汽；中調門；氣動力矩；數值模擬

中圖分類號:TK264

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.10.014

收稿日期：2015-07-28。

作者簡介：劉彥豐(1965-)，男，教授，主要從事高效清潔燃燒技術及環境污染控制方面的研究,E-mail：liuyf100@sina.com。

Abstract：To understand how wet steam in nuclear power steam turbine affects the pneumatic torque of medium-pressure butterfly valve, the mixture multiphase flow model in FLUNET was first used to make numerical simulation for wet steam’s two phase flow. The simulation is about the pneumatic torque of mid-pressure control valve in AP1000 nuclear power steam turbine. And then the pneumatic torque’s simulation results of wet steam’s two-phase flow and single phase flow were compared under valve’s different openings. The results show that the pneumatic torque increases gradually until the maximum occurs in valve’s 40 ° opening and that with the valve’s opening getting bigger than 40° the pneumatic torque gradually decreases. The aerodynamic torque decreases when the valve’s opening continues to increase. The pneumatic torque of the wet steam’s two phase flow is more than double that of steam single-phase flow, thus increasing the risk of valve’s jam fault.

Keywords：nuclear power; steam turbine; wet steam; mid-pressure control valve; pneumatic torque; numerical simulation

0引言

核電汽輪機組的進汽初參數低，有效熱焓降較小，導致進汽質量流量較大。同等容量的核電汽輪機組進汽量約為火電機組的2倍，容積流量為4～6倍，所以核電汽輪機組的尺寸比相同功率的火電機組大很多[1，2]。蝶閥在輸送流體的管道內起到調節和截斷介質流動的作用，因其簡單的結構且適用于大中口徑管道,因此在核電汽輪機進氣管道得到了廣泛應用[3]，而大流量蒸汽流經蝶閥時對閥桿產生的扭矩很大，蝶閥在啟閉過程中常存在卡澀故障，所以對于蝶閥不同開度下蒸汽對閥桿產生的扭矩即氣動力矩的研究十分必要。

利用工程計算雖然也能估算蝶閥所受力矩大小，但由于蝶閥結構各異，難以得到力矩的準確值。隨著計算流體力學(CFD)和計算機技術的發展，采用數值模擬對蝶閥內的流動模擬及氣動力矩求解顯然是十分可取的。文獻[4～9]對汽輪機高壓進汽閥內流動進行了數值模擬。文獻[10～12]對蝶閥氣動力矩進行了模擬求解。已有的對于閥門氣動力矩的研究大多是針對蒸汽單相流的，而AP1000核電汽輪機進口蒸汽為飽和濕蒸汽，閥內的單相流數值模擬已經無法真實反映其內流特征及蝶閥的氣動力矩。本文利用FLUENT提供的Mixture多相流模型對AP1000核電汽輪機中調門的氣動力矩進行數值模擬。為了突出濕蒸汽對蝶閥氣動力矩大小的影響，證明兩相流模擬更符合實際情況，將兩相流模擬結果與相應的單相流的模擬結果進行比較，得出濕蒸汽對中調門氣動力矩的影響。

1幾何建模和網格劃分

該AP1000核電汽輪機中壓進汽蝶閥為主汽閥和調節閥一體的聯合進汽閥，主要由閥體、閥桿和閥碟組成。該蝶閥直徑為1 200 mm，蝶閥的CFD模型與實物的比例為1∶1，模型結構如圖1所示，閥碟中間厚度最大為300 mm，邊緣厚度最小為20 mm。

圖1　蝶閥結構

為了提供一個完整的流動分析模型并保證流場的充分穩定性，取蝶閥及前部管道L1=5D和后部管道L2=10D作為計算域，將整個流道模型劃分為閥體和管道兩部分。閥碟附近的流道空間采用非結構四面體網格，進出口管道采用結構六面體網格。取劃分網格數分別為120萬、150萬、200萬時，閥門管道內同一點的蒸汽流速和壓力幾乎沒有差別，說明所設置的3種網格數量對計算結果影響很小，可認為120萬網格已經達到網格無關，為節省數值模擬運行內存和運行時間，取120萬的網格作為計算網格。圖2為調節閥碟開度為40°時的網格劃分情況。

圖2　網格劃分

2計算模型

蝶閥內部流場的流動為三維粘性流動，基于不可壓縮流動的雷諾時均方程組求解，使用標準k-ε雙方程模擬湍流流動；方程中的對流項均采用二階迎風格式離散，離散方程的求解采用壓力耦合方程組的半隱式方法。流動為定常流動，計算收斂標準為最大殘差小于10-4。計算時進口邊界為速度進口，出口邊界為壓力出口，其余邊界均設為固體邊界。

Mixture(混合)模型是一種簡化的多相流模型。混合模型模擬的多相流中，各相以不同速度運動，但在局部空間尺度是平衡的，相間耦合較強。混合模型允許各相相互穿插，在一個控制容積內任意相的體積分數可以取0～1之間的任意值。混合模型求解混合物的動量方程、連續性方程和能量方程、次級相體積分數方程以及相對速度的代數表達式來模擬n個相(流體或顆粒)的運動。該模型還可以用于模擬相間耦合非常強、各相以相同速度運動的均勻多相流。

對于本文中壓進汽閥內汽水兩相流的數值模擬作如下假設：流體相均為不可壓縮流體，液滴也為連續介質，每項的物理特性均為常數；液滴為球形，粒徑均勻，且不考慮相變。蒸汽在高壓缸膨脹作功后，濕度可達10%～12%，然后進入汽水分離器去濕及再熱，蒸汽濕度可達到0.5%，液滴粒徑一般為0.5～2 μm。本文取液滴所占體積分數為0.5%，液滴粒徑為0.5 μm進行數值模擬。

3模擬結果

通常中壓主汽閥只有全開和全關兩種狀態，調節閥用來調節蒸汽流量和壓力，通過改變蝶閥閥碟轉過的角度，調節汽輪機的進汽量，控制機組的主力和轉速，適應不同工況的需要，所以本文對中壓調節閥不同開度下的氣動力矩進行數值模擬。

蒸汽流經中壓調節閥碟時，將對閥碟轉軸兩側產生不等的作用力，因而產生氣動力矩。閥碟兩側的壓差一定程度上影響了閥碟兩側作用力，所以對調節閥不同開度下的濕蒸汽兩相流進行壓力損失模擬求解。為了顯示蒸汽中帶水對壓力損失的影響，將兩相流壓力損失結果與蒸汽單相流壓力損失進行比較。

3.1　壓力損失模擬

蝶閥的流量特性為流體通過蝶閥的流量或相對流量與閥門開度或相對開度之間的關系[15]。中壓調節閥不同開度下，進入中壓缸的蒸汽量不同，調節閥不同開度對應的蒸汽質量流量曲線圖如圖3所示。

圖3　開度與流量曲線圖

分別對調節閥開度為10°，20°，30°，40°，50°，60°，70°，80°下蒸汽單相流與濕蒸汽汽水兩相流的壓損模擬結果比較如表1。

表1　單相流與兩相流壓損

由表1看出，兩個數值模擬得到的壓損數據變化趨勢相同。調節閥開度為10°時，閥門管道內的通流面積小，但通過的蒸汽流量也小，所以此時壓損并不是最大的。隨著調節閥開度增加，蒸汽流量相應增加，壓損也逐漸增大，直至閥門開度30°時壓損達到最大值，調節閥開度繼續增加，通流面積增加，壓損隨閥門開度的增大而減小。

在調節閥上述各個開度下，汽水兩相流流經閥門產生的壓損比單相流產生的壓損大很多，在數值上將近是單相流壓損的兩倍，由此看出蒸汽中帶水對閥門壓損影響非常大，濕蒸汽在核電汽輪機中壓閥內的流動嚴重影響機組運行效率。

3.2　氣動力矩

在數值模擬中，將閥碟轉軸定于y軸上，則閥碟轉軸所受氣動力矩可表達為：

式中：y軸為閥碟圍繞轉動的軸線；i為閥碟上網格節點數；n為網格節點總數。Fx為沿x方向對閥碟的作用力；Fz為沿z方向對閥碟的作用力；x為作用力Fz到y軸的距離；z為作用力Fx到y軸的距離。

本文對調節閥的開度分別為10°，20°，30°，40°，50°，60°，70°，80°時的閥內流動進行了數值模擬，為得到中壓調節閥在不同開度下所受氣動力矩的大小，在Fluent菜單欄Report下選擇Forces選項，由于閥桿轉軸固定于y軸且閥碟是中心對稱的，所以將Moment Center設置為(0，0，0)，Moment Axis設置為(0,1,0)，在Wall Zones選項下選擇調節閥碟前后兩個表面，輸出數據,得到的數據就是數值模擬求解的氣動力矩值。

為了說明蒸汽含水對閥門氣動力矩的影響，將濕蒸汽汽水兩相流和蒸汽單相流的氣動力矩模擬結果列于圖4進行比較。

圖4　數據比較

由圖4模擬結果看出，單相流和汽水兩相流氣動力矩的模擬結果都隨著調節閥的開啟過程先不斷增大，這主要是由于隨調節閥開度增加，流量迅速增大，致使氣動力矩的變大。當調節閥開度達到40°時合力矩均達到最大值，此后隨著開度繼續增大，通流面積變大，而通流流量變化并不大，氣動力矩變得越來越小。當閥碟開度達到90°即全開的狀態下，由于閥碟兩側受到的蒸汽流對閥桿產生的力矩大小相等且方向相反，氣動力矩為0，因此本文沒有對閥碟全開時進行數值模擬。隨著調節閥開度的增加，氣動力矩的變化趨勢與壓損的變化趨勢都是先增大再減小。

調節閥碟開度增大過程中，以閥桿軸為中心，閥體與閥碟之間的通流區域呈現不同的狀態，以圖2調節閥碟為例，閥碟下側順著蒸汽流動方向轉動，而上側逆著蒸汽流動方向旋轉，閥碟兩側受到一個蒸汽力偶作用，形成合力矩。在閥門開啟過程中，閥碟上側的前后壓差逐漸增大，受到的力矩逐漸增大，而下側受到的壓差逐漸減小，所受力矩也越來越小，則其合力矩必然逐漸增大。隨著閥門開度不斷變大，閥碟面向出口側的氣流反作用力逐漸增加，對閥門形成一個反向作用力矩阻止閥門的開啟，閥門開度進一步增大，反向力矩增加強度將大于正向力矩增加值，這時閥門所受氣動力矩合力矩逐漸減小。調節閥所受氣動力矩的大小由調節閥碟上下側所受力矩的合力矩決定，與整個閥門的總壓損沒有必然的同增減的關系。壓損的最大值發生于調節閥開度為30°時，而氣動力矩最大值發生于調節閥40°開度。

從數值上分析，濕蒸汽汽水兩相流與蒸汽單相流氣動力矩的模擬結果相差較大。由圖中可以看出，兩相流的流動所產生的氣動力矩幾乎為單相流的兩倍，這就要求閥門在開啟過程需要的油動機和關閉過程需要的彈簧提高接近一倍的輸出力矩。若油動機或彈簧的輸出力矩未達到指定值，閥門將會產生卡澀故障，甚至造成事故，所以閥門管道內蒸汽的濕度應得到嚴格控制。

4結論

(1)中壓調節閥由閉合到全開過程中，氣動力矩先逐漸變大，當開度達到40°左右，氣動力矩達到最大值。隨著開度進一步增大，氣動力矩逐漸減小，直至調節閥全開，氣動力矩減小至0。

(2)調節閥不同開度下，汽水兩相流通過閥門產生的壓損大致為單相流的兩倍，大大降低了機組的效率。兩相流對中壓調節閥桿產生的氣動力矩也幾乎為單相流的兩倍，增加了發生卡澀故障的風險。

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Wet Steam’s Effect on the Pneumatic Torque of Mid-pressure Control Valve in AP1000 Nuclear Power Steam Turbine

Liu Yanfeng, Zhang Xurui, Huo Yuheng(School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003,China)