帶濾網汽輪機調節閥的數值分析

趙玉柱

（華電電力科學研究院，浙江杭州310030）

帶濾網汽輪機調節閥的數值分析

趙玉柱

（華電電力科學研究院，浙江杭州310030）

汽輪機調節閥自身的氣動性能直接影響電廠的安全高效運行，通過試驗和數值模擬的方法對帶濾網結構的GI閥進行研究，將數值模擬結果與試驗數據進行了對比，詳細分析了帶濾網閥門內部的流場結構，得出了濾網對閥門性能的影響，為電廠閥門的可靠運行提供依據。

汽輪機；調節閥；試驗研究；數值模擬

0 引言

鍋爐產生的新蒸汽通過主汽調節閥進入到汽輪機中進行做功，調節閥不僅受到高溫高壓的蒸汽影響，工作環境惡劣，而且電廠負荷不斷變化的情況下還需要控制進入汽輪機的流量，從而改變其出力。大型汽輪機主汽調節閥的正常工作直接關系到電廠的生產安全，一直是電廠技術監督的關鍵環節。隨著數值仿真技術的快速發展，可以借助數值計算的方法對閥門內部的流動情況進行更加深刻的理解，并借助數值仿真改進閥門結構型線，從而實現閥門性能優化的目的。本文通過試驗和數值計算的方法對帶濾網結構GI進行全面的分析，并將結果進行比較，驗證了數值計算結果的準確性[1]。

1 GI閥數值計算結果及分析

1.1 模型建立及網格劃分

由于本次計算主要考慮濾網對通流能力和壓損的影響，因此三維建模忽略了卸載結構的影響。

調節閥工作在高溫高壓蒸汽條件下,其流動為三維、可壓縮、黏性湍流流動。計算采用三維雷諾平均守恒型Navier-Stokes方程,湍流模型選用標準k-ε模型。采用二階差分格式離散方程,用SIMPLE算法求解控制方程。

邊界條件按設計數據給定,進出口參數:進口總壓P0和總溫T0，出口為靜壓P1，介質選用空氣。

圖1和圖2分別為GI閥三維結構模型和網格劃分圖。

圖1 GI閥三維結構模型圖

圖2 中間截面網格示意圖

1.2 模型驗證

對帶濾網GI調節閥的六種典型工況進行了流場分析，并通過與試驗結果進行對比，進行驗證數值計算的準確性。

通過表1可以發現，這5個工況的數值計算結果和試驗結果最多相差2.65%、最小相差只有0.37%，吻合性良好，說明數值計算結果準確性高。

表1 GI閥濾網數值計算與試驗臨界流量系數比較結果

1.3 數值計算結果分析

為進一步分析帶濾網閥門的流動特性，選取典型工況1(升程4.43mm壓比0.5)的計算結果進行截取不同界面流場和壓力云圖，如圖3-圖5所示，調節閥內部的壓力損失主要集中在由閥碟與閥座構成的環形通道區域，這是由于當氣流由主汽閥通過管道進入到調節閥閥腔以后，壓力有所增加，但是變化不大。但是當氣流由閥腔進入到環形通道以后，由于通流面積的迅速減小，速度急劇增大，而壓力相應的下降，產生了強烈的節流作用。此外，濾網的存在也參生了一定的節流作用，造成了當地壓力損失。但是經過濾網整流后的壓力場分布更加均勻，這在一定程度上會抵消由于濾網節流而產生的壓力損失。因此在小升程小壓比情況下，雖然濾網對閥腔內的流動有整流作用，但是此時閥內為對稱沖擊射流，流動的慣性力較大，使得上游閥腔內流動對下游的流型影響可以忽略不計。

圖3 工況1帶濾網速度矢量圖

圖4 工況1有濾網速度矢量圖

圖5 工況1有濾網壓力云圖

圖6、圖7是工況4(升程29.23mm壓比0.9)的閥腔內壓力和速度分布情況的的數值計算結果。由此看到，在大升程大壓比下閥內為相對均勻流，濾網使得進入環形通道的流體更加平穩，因而閥碟下方的流動更加均勻，損失減小。此時雖然濾網增加了閥腔內的節流損失，但是下方環形通道后的沿程損失因流型均勻而降低，因此加濾網后閥內總體損失并不一定因為加濾網而增大。

從帶濾網的GI閥數值計算得到的閥腔速度矢量圖和壓力云圖可以看出，主蒸汽通過進口流入由閥碟與閥座形成的環形通道后，形成了沖擊射流，這在小升程小壓比的情況下是在所難免的。經過環形通道后，由于面積的擴大使得流速下降，壓力升高，動能迅速轉化為壓力能，但轉化幅度并不大。另一方面，閥腔內的主流一部分直接撞擊到閥碟套筒的壁面上，從而引起氣流滯止，使得當地壓力值達到最高；而大部分氣流則會擾流套筒，形成類似于繞圓柱流的流動，在流動的過程中，氣流會發生分離，并且在閥碟套筒的后部流動摻混，形成對稱的漩渦，在此處同樣會造成能量的損失。

圖6 工況4帶濾網壓力云圖

圖7 工況4帶濾網速度矢量分布

2 結語

通過觀察有濾網GI閥內部的流場結構可以發現，在小升程小壓比情況下，通過濾網整流而改善閥內通流的效果不是很明顯；而在大升程大壓比情況下，氣流經過濾網的整流以后在閥碟套筒周圍的壓力分布更加均勻，在閥碟套筒上滯止壓力的大小與閥碟套筒后部的壓力差值更小，這可以有效減小閥碟套筒周圍的不對稱力進而可以減小傳遞到閥桿上的不對稱力，最終會減小閥桿的振動，而這也是工程追求的目標。

[1] 徐克鵬，蔡虎，崔永強，等.大型汽輪機主汽調節閥的試驗與數值分析[J].動力工程,2003，23（6）：2785-2789.

[2] 毛靖儒，屠珊，劉全恩，等.汽輪機調節閥內流動特性的試驗研究[J].工程熱物理學報,2002,23(6):687-690.

[3] 相曉偉,毛靖儒,孫弼,等.汽輪機調節閥全工況三維流場特性的數值研究[J].西安交通大學學報,2006,40(3):289-293.

[4] 王志偉.核電汽輪機調節閥通流特性及濾網結構影響的研究[D].西安:西安交通大學,2013.

修回日期：2016-12-19

Numerical Analysis of Turbine Control Valve with Filter Screen

ZHAO Yu-zhu
（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

The aerodynamic performances of turbine control valve have an important influence on the safety and efficiency of the plant. In this work, we apply the experimental and numerical method to study the performances of the G1 control valve with filter screen, and compare the numerical results with experimental work. We analyze the flow field inside the control valve and obtain the effect of the filter screen on the performance of control valve. All these results can give evidence and suggestions to the plant for a more safe operation.

turbine；control valve；experimental study；numerical simulation

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.06.009

TK262

B

2095-3429（2016）06-0033-03

趙玉柱（1981-），男，寧夏石嘴山人，碩士，高級工程師，主要從事大型火力發電廠汽輪機及熱力系統能效測試及性能診斷方面的研究。

2016-10-18