一種基于CFD建模的主蒸汽隔離閥減振降噪方法研究

□傅仁浦 董玉領 劉德軍 邱 磊 鐘俊良 邱洪喻

一、背景概述

主蒸汽隔離閥為核電廠中的重要閥門之一，其安裝在核輔助廠房內(nèi)蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)的主蒸汽管線上，在電廠穩(wěn)態(tài)運行工況下，主蒸汽隔離閥保持在全開位置；除具備正常的開關功能之外，在所有預計的正常、異?；蚴鹿使r(主蒸汽管線破裂)下，在接到隔離信號后，主蒸汽隔離閥能夠在規(guī)定時間內(nèi)快速自動關閉，以起隔離作用，是電廠的關鍵敏感設備，閥門如無法關閉將導致二回路蒸汽大量失去，進而導致反應堆失去保護，閥門如異常關閉將導致機組停機。

國內(nèi)某電廠主蒸汽隔離閥為氣液聯(lián)動平行閘閥，安全二級，為VVP系統(tǒng)主蒸汽管道主隔離閥，每臺機組設計兩臺。自該電廠核電機組運行以來設備一直存在振動大和噪音高的問題，頻繁造成閥門本身部分部件損壞，附近設備缺陷率高的情況。從維修優(yōu)化管理、振動和噪音檢測、預防性維修策略優(yōu)化等多個方面，針對降低主蒸汽隔離閥振動和噪音工作進行改進完善、數(shù)據(jù)梳理及分析優(yōu)化。同時先后兩次與某設計院合作，利用計算流體動力學(COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS，簡稱CFD)建模方法，輔助采用三維湍流瞬態(tài)分離渦模擬(DES)方法進行計算，確定主蒸汽隔離閥喉徑過小為閥門振動和噪音高的根本原因。而后結合對主蒸汽隔離閥結構和運行特點，依據(jù)CFD建模計算成果，首次制定閥座擴徑處理方案。

二、基于CFD建模分析過程

(一)總體思路。電廠先后共開展了兩次CFD建模，對現(xiàn)有閥門閥座的改進方向進行探索，首先滿足國際通用的加拿大原子能公司Chalk River實驗室模擬實驗結果，即采取將閘閥上下游閥座做成15°，傾角延軸向長度應大于腔室寬度20%，可有效地減小噪音產(chǎn)生。在此條件下，多次嘗試不同擴徑尺寸方案，以獲取降低閥門內(nèi)部流速、旋渦脫落指標等參數(shù)數(shù)值，降低閥門振動和噪音影響，最終形成新閥座的初步設計方案。

(二)技術分析。

1.基于設備本身結構的研究分析。主蒸汽隔離閥的閥門流道采取了縮頸設計，其閥座喉徑處直徑為465mm，縮徑率達58%，直接導致滿功率時流道縮徑處的流速達到88米/秒。普通閘閥的縮頸率應為75%～85%，推薦流速應在40～60米/秒。3/4#機組的閥門參數(shù)為74%和60米/秒，噪音約為80dB。

同時，因為湍流引起的壓力擾動在介質(zhì)中傳播產(chǎn)生輻射噪聲，主蒸汽隔離閥進出管口加上閥腔恰好組成類似哈特曼發(fā)生器的共振腔發(fā)聲系統(tǒng)。噴注噪聲功率與流速的8次方成正比，流速增大，發(fā)聲并經(jīng)過閥門及管道“擴音”傳播。閥體腔室和錐形喇叭形成聲共振腔，流體噴注激發(fā)處125Hz、250Hz、375Hz等有規(guī)則的聲諧振頻率，且錐形喇叭向兩邊進行聲輻射，同時接收聲波并將其放大，表現(xiàn)為振動加速度大，噪聲高。

圖1 主蒸汽隔離閥閥門本體部分的結構示意圖

2.基于CFD建模的研究分析。計算流體動力學(CFD)建模的目的，先對改造前的主蒸汽隔離閥進行CFD穩(wěn)態(tài)流場分析，獲得最大流速。再根據(jù)加拿大原子能公司Chalk River實驗室實驗結果，保證新閥座具備15°傾角的條件下，在不改變與閥體接口尺寸的前提下，嘗試多組不同尺寸閥座方案，進行CFD穩(wěn)態(tài)流場分析以獲得最大穩(wěn)態(tài)流速。最后將改造前后的計算結果進行對比。之后，開展瞬態(tài)流場計算分析，得到改造前后閥門的瞬態(tài)流場，為后續(xù)閥門噪聲和振動分析提供輸入。根據(jù)瞬態(tài)流場分析結果，對閥門管道內(nèi)的脈動壓力、速度和渦量進行初步分析，以初步評估減振降噪效果最理想的新閥座方案。

CFD分析建模：根據(jù)改造前主蒸汽隔離閥圖紙建立幾何模型，為讓計算中的流場充分發(fā)展將流動出口位置延長至管道直徑的5倍，其幾何模型和網(wǎng)格劃分如圖2所示，再選用不同閥座改進方案的尺寸，對模型標注紅圈位置進行相應數(shù)據(jù)修改。

圖2 主蒸汽隔離閥CFD模型和網(wǎng)格圖放大圖

物性參數(shù)、邊界條件的錄入，瞬態(tài)計算設置：在主蒸汽隔離閥流場中設置監(jiān)測點，以監(jiān)測CFD分析的收斂性和合理性。計算模型中的監(jiān)測點位置如圖3所示。在綜合考慮計算精度要求與時間成本等條件下，選用三維湍流瞬態(tài)分離渦模擬(DES)模型進行計算穩(wěn)態(tài)計算結果：經(jīng)過計算機模擬計算，得到管道中截面速度分布云圖和速度流線圖。從穩(wěn)態(tài)計算中可看出主蒸汽在隔離閥內(nèi)的流動情況，主要是通過流道中心線流動，少部分流入閥體腔室，形成回流。改造前在閥座喉部縮徑處最高流速達到約89.3m/s，當蒸汽流過喉徑后，似一股射流沖入擴容室和擴口錐形管內(nèi)。這種高速汽體射流在聲學中稱為“流體噴注”，這種流體噴注會引起較強的噪聲，在聲學中稱為“噴注噪聲”。

圖3 主蒸汽隔離閥流場中的監(jiān)測點位置(示意圖)

對于改造前方案，最高流速為89.3m/s，發(fā)生在閥座喉部縮徑處。對于改進后方案，當傾角15°時，在合適傾角長度下，最高流速可降低至82.7m/s，最高流速降低約7%。改進后方案最高流速均發(fā)生在改造后流道最窄處，即閥座喉部縮徑邊沿尖角處靠近改造的位置。

圖4 主蒸汽隔離閥模型中截面上的速度流線圖

瞬態(tài)計算結果：根據(jù)瞬態(tài)流場分析結果，對于改進前方案，最高流速對應于射流速度。關于旋渦脫落，旋渦脫落頻率與空腔頻率一致會造成較強的噪聲。由于旋渦產(chǎn)生和脫落的位置在閥座喉部縮徑的尖角處。從分析結果看，此處流速就是最高流速，影響旋渦脫落的頻率。因此，最高流速相比平均流速更大地影響旋渦脫落引起的噪聲。改進性閥座可使閥門內(nèi)流場高速流動區(qū)域從整個縮頸處縮小到閥座尖角附近，可有效降低閥座上側產(chǎn)生的旋渦數(shù)量和強度，對流場脈動壓力、速度和渦量有一定的改善作用。對閥門管道內(nèi)的脈動壓力、速度和渦量進行數(shù)據(jù)化評比，得出理論上最佳閥座設計尺寸。

圖5 主蒸汽隔離閥某時刻流場渦量云圖

圖6 主蒸汽隔離閥流場壓力云圖

3.最終改進方案的確定。某核電廠將新閥座初步方案及CFD建模分析數(shù)據(jù)，與主蒸汽隔離閥制造廠家進行技術交流，廠家針對新閥座方案及現(xiàn)有閥門再次進行CFD建模分析，認可我廠的閥座優(yōu)化方案，同時根據(jù)廠家的CFD建模計算結果，對新方案閥座的細節(jié)尺寸進行優(yōu)化，最終形成該核電廠主蒸汽隔離閥擴徑閥座方案圖。

圖7 原主蒸汽隔離閥閥座尺寸圖8 改造后主蒸汽隔離閥閥座尺寸

通過CFD的結果，主蒸汽隔離閥制造廠家認為該新型可以降低壓力震蕩的振幅，會降低現(xiàn)場的噪音。同時改善流場及流速變化，具體對比如圖9所示。

圖9 改造前的MISV流速分布/新型閥座的流速分布

同時主蒸汽隔離閥制造廠家對閥座改進后的閥座閥瓣接觸力進行了復核計算，30%開度以內(nèi)時略高于原閥門受力；在30%開度至全關，受力均小于現(xiàn)有的閥門，滿足ANSI B16.41要求。

三、改進方案的實施和效果評定

某核電廠1、2號機組4臺主蒸汽隔離閥分別于2018年及2019年，執(zhí)行主蒸汽隔離閥閥座擴徑改造。

擴徑改造完成后，對閥門的運行狀態(tài)持續(xù)進行監(jiān)督，閥門的振動和噪音值均比擴徑改造前有明顯降低，閥門故障率也顯著減少。2019年10月，對首先執(zhí)行擴徑改造的1臺主蒸汽隔離閥進行解體工作，閥板、閥座等部件完好無損傷，以驗證技改執(zhí)行后，閥門內(nèi)部組件實際良好的運行效果。

經(jīng)過擴徑改造的首批閥門已安全穩(wěn)定運行30個月，振動和噪音均有明顯降低，解體檢查未發(fā)現(xiàn)擴徑前曾出現(xiàn)的各種缺陷，擴徑改造項目圓滿成功。

表1 1#機組主蒸汽隔離閥噪音測量結果

四、項目的應用及推廣前景

基于CFD建模分析結果的主蒸汽隔離閥擴徑方案成功實施證明，針對縮頸、孔板等機械設計方面需改造優(yōu)化的情況下，通過瞬態(tài)流場建模計算分析時，在無法降低平均流速時，更加關注因流道設計產(chǎn)生流體旋渦脫落現(xiàn)象的變化情況，通過多種流道設計對比盡可能降低最高流速對流體旋渦脫落的影響。對管道流體設計中涉及縮頸處的具體設計方案有較大的指導意義。

五、結語

本研究項目基于核電工程實踐，重要工藝位置閥門類設備，長時間存在設計缺陷導致設備運行狀況不穩(wěn)定，基于大量現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)和運行經(jīng)驗，嘗試成熟的流體力學建模計算方法與傳統(tǒng)經(jīng)典工業(yè)設備相融合，創(chuàng)新性地引入改變閥腔內(nèi)縮頸部件尺寸方法，徹底解決困擾生產(chǎn)企業(yè)的技術難題。

本研究項目成果在某核電廠1、2號機組主蒸汽隔離閥得到了實際驗證，達到了預期效果。整個項目研究過程中，所用到的計算工具、研究方法和問題解決方案，可以為國內(nèi)乃至國外核電機組提供參考或借鑒，為國內(nèi)流體工藝系統(tǒng)中過流設備振動及噪音問題提供一個新穎有效的解決方案。