分析核電機組給水泵最小流量閥布置位置對閥門空化的影響

摘要：核電機組給水泵最小流量閥內工質受管系工藝系統特點影響，很容易出現空化現象。基于此，本文將簡單介紹最小流量閥空化產生原理，并基于核電機組給水泵最小流量閥布置方案，深入探討最小流量閥布置位置對閥門空化的影響。

關鍵詞：核電機組;給水泵;空化;最小流量閥

前言：如核電機組給水泵在運行過程中存在產生空化現象的最小流量閥內工質，密封面及閥內件將因此損壞，閥門及相連管道的噪聲和振動也會隨之出現。為優化核電機組給水泵最小流量閥布置，正是本文研究的關鍵所在。

1.原理分析

設定調節閥前、后液體壓力分別為P1、P2，同時存在Pv的液體工作溫度對應飽和壓力。對于流過調節閥節流處的液體來說，流速會因通流面積減小而提升，在節流處及其下游，液體壓力將低于該液體工作溫度對應的Pv值（飽和蒸汽壓）。對于流通面積不斷增大的調節閥下游來說，在流道內壓力不斷升高、流速不斷下降的過程中，如工作溫度下飽和蒸汽壓低于流道內壓力，逐漸潰裂破滅為液體的氣泡會隨之出現，這種潰滅的過程即為空化。調節閥的閥芯及相關部件會因調節閥內產生空化而受到嚴重的沖刷和損壞，點蝕和材料缺失等現象會出現于閥芯、附屬部件的表面。對于壓力較高的給水泵出口、壓力較低的除氧器來說，最小流量閥前后會因此出現較大壓差，由于除氧器壓力下飽和溫度為閥門內工質溫度，除氧器壓力略低于閥后壓力，但二者基本接近，這種情況下工質在閥門最后一級節流件內很容易空化，并損壞密封件及閥內件，噪聲和振動也會隨之出現。結合相關研究可以了解到，調節閥空化消除可采用控制壓力降、減小或隔離破壞、改變工藝系統或布置等不同方法，本文研究僅分析研究最小流量閥布置位置，以此實現最小流量閥空化的消除[1]。

2.核電機組給水泵最小流量閥布置方案

對于很容易產生空化的核電機組給水泵最小流量閥來說，汽水兩相流很容易出現于閥后管道，并導致沖蝕產生。為減小閥后管道沖蝕受到的汽水兩相流影響，可采用最小流量閥高位布置方案，即在除氧器上方再循環接口附近布置給水最小流量閥，同時需保證閥后管道盡量短，該方案中除氧器壓力與閥后壓力基本相同。此外，還可以采用最小流量閥低位布置方案，即在除氧層地面上布置前后隔離閥及最小流量閥，同時需保證除氧器上方進水的除氧器再循環接口改為底部進水，并保證最小流量閥低于除氧器液面標高[2]。

3.核電機組給水泵最小流量閥布置位置影響

3.1工作參數計算

為明確核電機組給水泵最小流量閥布置位置影響，需首先計算最小流量閥工作參數，以某核電廠3臺33.3%電動定速給水泵組為例，單臺給水泵組流量、揚程在額定工況下分別為2717t/h、877mH2O，額定工況下除氧器運行壓力及溫度、泵組所需最小流量分別為1.026MPa.a、181℃、890t/h。給水泵組中心線標高、除氧器正常液位標高分別為-7.5m、23.5m，低位、高位布置方案的最小流量閥標高分別為20m、26.5m。流體力學計算模型建設結合給水再循環管道布置情況，以此完成最小流量閥在最小流量下的前后壓差計算，具體計算采用AFTFathom軟件。基于計算可以確定，低位布置方案的閥后壓力、閥前壓力、閥門壓降分別為1.071MPa.a、9.626MPa.a、8.555MPa.a，高位布置方案則分別為1.033MPa.a、9.56MPa.a、8.527MPa.a。綜合對比可以發現，建立一段靜水柱壓差于最小流量閥后的低位布置可提高約0.04MPa的閥后壓力。

3.2空化數值模擬計算

基于相關參數，針對性研發由真空釬焊多層金屬盤片組成的多級迷宮式最小流量閥，多級節流槽由電火花切割迷宮盤片表面形成。流經一系列的直角彎道，閥門入口高壓給水可在強大的流阻作用下完全控制流速，多級節流槽逐級分擔整個閥門的壓降。對于較小的每一級節流槽壓降來說，局部最大壓降會在節流過程中相應減小，給水最小局部壓力會在整個節流過程中提高，最小流量閥中噪聲、振動、空化問題可得到有效緩解。基于三維實體建模軟件Solidworks進行內部流道（最小流量閥）三維建模，可得到由迷宮式節流件流道和閥體流道組成的三維模型。模型的數值模擬基于CFD進行，并基于上文中的計算結果進行介質和邊界條件設置。在定常條件下，具體采用標準k-ε湍流模型和三維不可壓縮流體N-S方程，三維模型網格劃分需在CFD使用前開展，以此向CFD軟件中導入生成的網格，并完成相關邊界條件設置。模擬計算需基于低位、高位布置方案分包開展，對于前壓力較高的最小流量閥，考慮到除氧器溫度對應的飽和壓力遠低于最小流量閥前壓力，因此可得到相關模擬結果。基于模擬可以確定，最后一級或兩級節流槽內最容易發生空化。深入分析可以發現，最后一級流道轉角處空化存在于高位方案中，低位方案未出現空化。基于計算結果可以發現，由于低位布置方案將一段靜水柱壓差建立于最小流量閥后，因此低位布置方案相較于高位布置方案的閥后壓力實現了約0.04MPa的提升，輔以迷宮式節流槽分級降壓作用，核電機組給水泵最小流量閥空化問題即可由此解決。

結論：綜上所述，核電機組給水泵最小流量閥布置位置帶來的影響較為深遠，本文涉及的工作參數計算、空化數值模擬計算等內容直觀展示了這種影響。為更好處理閥門空化問題，最小流量閥的優化升級、優化布置必須得到重視。

參考文獻：

[1]侯志華，韓光輝，張兵.某核電機組水壓試驗泵汽輪發電機組啟動試驗不成功分析處理[J].汽輪機技術，2020，62（01）：70-72.

[2]龍晟.國內M310核電機組汽動輔助給水泵超速保護試驗分析[J].機電信息，2019（15）：41+43.

作者簡介：姓名：董純策（1976.01.09），性別：男，民族：漢，籍貫：大連長海縣，學歷：本科，現有職稱：初級工程師，研究方向：機械設計及其自動化。