壓水堆核電站主蒸汽安全閥升力數值計算

顧春輝

摘要：基于第三代壓水堆核電站主蒸汽安全閥結構，建立了閥門數值計算的CFD模型，計算求得了作用于閥瓣組件上的升力，得到了閥門在全開啟高度范圍內的升力曲線。結果表明，閥門在全開度范圍的介質升力均大于彈簧力，可使閥門在開啟后快速達到全開。

關鍵詞：主蒸汽安全閥；升力；數值計算

中圖分類號：TH134 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6487 （2018） 01-0045-03

0 引言

安全閥在超壓開啟過程中，其流道內部的流場變化一直是人們關注的重點[1]。建立安全閥流體動力學模型并進行數值分析是獲取安全閥內部流場詳細信息的重要手段。通過模型計算可以獲取速度、壓力分布等具體流場形態，以及排放能力等宏觀性能參數，最終對安全閥的結構優化和性能改進提供指導。

第三代CAP1400壓水堆核電站用主蒸汽安全閥為彈簧直接加載式安全閥，采用了雙排口結構，要求入口壓力達到整定值時閥門開啟并迅速達到全開。根據閥門的設計結構，作用在閥瓣上的力可分為2組，包括彈簧壓緊力和閥瓣組件重力之和，以及工作介質的作用力，即閥門的升力[2]。閥門的開啟和關閉是作用在閥瓣組件上2組不同力綜合作用的結果。

本文通過建立主蒸汽安全閥的流體動力學模型，采用固定開高的方法[3-4]求解閥門在開啟過程中的介質升力，論證閥門快速開啟的理論基礎，為安全閥的結構優化和性能改進提供指導。分析軟件采用ANSYS，使用的模塊為CFX和ICEM CFD。

1 分析方法

1.1計算模型

主蒸汽安全閥的流道幾何模型見圖l。流道結構由閥座、閥瓣組件、上調節圈、下調節圈、導向套以及閥體組成。為了減少計算量，流場區域的固體壁面邊界形狀進行了簡化，忽略了緊定螺釘、疏水孔等對流道的影響，同時也不考慮上調節圈和閥瓣組件之間、下調節圈和閥座之間等配合部件之間的間隙影響。此外，在模型中延長了排放管長度便于分析時軟件的收斂。

1.2網格劃分

由于整個模型成對稱結構，為了減少網格數量提高分析效率，取1/4模型進行有限元分析。采用ICEMCFD模塊進行網格劃分。根據模型的尺寸定義網格的大小尺寸，并細化密封面等細小結構。網格劃分之后，對網格質量進行修復，并降低小尺寸單元網格的數量。

1.3控制方程及邊界條件設置

通道流體為過熱蒸汽，根據經典流體力學模型，其通用控制方程為：

采用RNG k-ε兩方程湍流模型，通用方程中各符號的具體形式見表1。表中，μ、Pr分別為介質的動力粘度與普朗特數；μ為湍流動力粘度，可表示為μt= cupk2/ε。

對模型進行如下邊界條件設置：分析介質從材料庫選擇IAPWS IFsteam5，湍流模型采用K一ε，傳熱為總能方程；入口設定整定壓力8.56MPa，溫度320℃，出口根據開度不同，按照閥門出口法蘭與閥門開高簾面積的比值，根據介質在釋放過程中的等焓原則計算出口壓力，設定出口溫度。

1.4收斂性判斷

收斂性判斷的依據：動量、能量方程RMS殘差收斂到e-5，在求解收斂殘差達到要求是出入口流量要求同時達到平衡。

2 分析結果

2.1 固定開高位置

主蒸汽安全閥的額定開啟高度為36mm，在該范圍內選取了11個開高位置進行分析計算。各開高位置如表2所示。

2.2速度與壓力分布

圖2給出了閥門在小開度、全開度下的流線分布。由于閥門的流道變化復雜，導致蒸汽在流動過程中的狀態參數變化也變得復雜。從圖中可看出，當蒸汽從閥門進口流至閥座和閥瓣圍成的密封面區域時，由于流道截面的變小，使得壓力變小，而蒸汽的流速則變大；在閥瓣和上調節圈位置向閥門腔體流動的區域，流道截面的突然變大導致流動參數變化也最為激烈，此時壓力急劇降低而流速急劇增大，形成一股高速的射流直接沖向閥體壁面，蒸汽流速將超過音速，而音速將出現在臨界截面上。

當閥門開高較小時.閥座出口處會產生很大的流阻，遠遠超過了臨界背壓力，此時蒸汽的音速流動出現在閥座與閥瓣之間的流場區域，即兩密封面之間圍成的圓柱側面成為流場的臨界截面。隨著開高變大，閥門出口處的壓力也在逐漸變小，當開高接近閥門的全開位置時，使得閥門出口處的壓力低于臨界背壓力，因而臨界截面逐漸移動至閥座喉口處。此外，隨著閥門開度的變大，蒸汽在閥瓣出口的噴射角度也在逐漸由小變大。而該噴射角度可以通過調節導向套上的上調節圈來改變。噴射角度不同，閥瓣組件所受到的升力也不同，可以調整閥門的前泄壓力及啟閉壓差。

2.3 升力結果

ANSYS CFX的后處理可以對流場進行諸如力、壓力、溫度、速度、流量、質量及馬赫數等物理量的直接提取用于流場的特征分析，本文主要關注閥瓣受到的介質升力。在劃分網格時，己將閥瓣組件的底面（即與介質接觸并隨介質上升的面）合并為一個整體，流體分析中獲得的該組平面豎直向上力的大小即為閥瓣組件所受的升力大小。此外，通過閥門在不同開高下彈簧的壓縮量，可求得閥瓣組件在開啟動作過程所受的彈簧力大小。表3為閥瓣升力分析結果。

從表3可以看出，由于彈簧剛度恒定，彈簧力隨閥門開高增大呈線性增加，而閥瓣組件所受到的介質升力也呈現單調遞增的趨勢，且在各開度下介質升力均大于彈簧力。因此閥門在開啟后，閥瓣將始終作加速運動，由此表明當閥門達到整定壓力后，閥門可以迅速開啟。

4 結論

本文采用固定開高的方法，選取1/4流道模型對CAP1400主蒸汽安全閥在不同開啟高度下的特征參數進行了模擬分析，獲得了閥門在11個不同開高下速度場和壓力場，并通過ANSYS CFX的后處理功能提取了閥瓣組件所受的升力，結果表明在不同該升力值恒大于閥瓣所受到的彈簧，通過安全閥閥門的熱態性能試驗同樣證明安全閥在開啟后可迅速達到全開，論證了主蒸汽安全閥動作特性的理論基礎。

參考文獻

[1] 郭崇志，幸莎.安全閥開啟過程的瞬態模擬與試驗驗證[J].高效化學工程學報，2014，28 （2）：376-383.

[2] 陳殿京第五屆全國閥門與管道學術會議論文集[C].安徽：中國機械工程學會，2001.

[3] 陳殿京，劉殿坤，董海波，等.安全閥流場數值模擬研究[J]流體機械，2008，36 （10）：24-28.

[4] 駱輝，于新海，王正東.安全閥升力系數試驗研究和數值模擬[J].中國科技論文在線，2008，3（8）：587-591