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(lǐng) 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?jī)?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(yùn)行工況下，主蒸汽隔離閥保持在全開(kāi)位置；除具備正常的開(kāi)關(guān)功能之外，在所有預(yù)計(jì)的正常、異常或事故工況(主蒸汽管線破裂)下，在接到隔離信號(hào)后，主蒸汽隔離閥能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)快速自動(dòng)關(guān)閉，以起隔離作用，是電廠的關(guān)鍵敏感設(shè)備，閥門如無(wú)法關(guān)閉將導(dǎo)致二回路蒸汽大量失去，進(jìn)而導(dǎo)致反應(yīng)堆失去保護(hù)，閥門如異常關(guān)閉將導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)。

國(guó)內(nèi)某電廠主蒸汽隔離閥為氣液聯(lián)動(dòng)平行閘閥，安全二級(jí)，為VVP系統(tǒng)主蒸汽管道主隔離閥，每臺(tái)機(jī)組設(shè)計(jì)兩臺(tái)。自該電廠核電機(jī)組運(yùn)行以來(lái)設(shè)備一直存在振動(dòng)大和噪音高的問(wèn)題，頻繁造成閥門本身部分部件損壞，附近設(shè)備缺陷率高的情況。從維修優(yōu)化管理、振動(dòng)和噪音檢測(cè)、預(yù)防性維修策略優(yōu)化等多個(gè)方面，針對(duì)降低主蒸汽隔離閥振動(dòng)和噪音工作進(jìn)行改進(jìn)完善、數(shù)據(jù)梳理及分析優(yōu)化。同時(shí)先后兩次與某設(shè)計(jì)院合作，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS，簡(jiǎn)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(jìn)行計(jì)算，確定主蒸汽隔離閥喉徑過(guò)小為閥門振動(dòng)和噪音高的根本原因。而后結(jié)合對(duì)主蒸汽隔離閥結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特點(diǎn)，依據(jù)CFD建模計(jì)算成果，首次制定閥座擴(kuò)徑處理方案。

二、基于CFD建模分析過(guò)程

(一)總體思路。電廠先后共開(kāi)展了兩次CFD建模，對(duì)現(xiàn)有閥門閥座的改進(jìn)方向進(jìn)行探索，首先滿足國(guó)際通用的加拿大原子能公司Chalk River實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，即采取將閘閥上下游閥座做成15°，傾角延軸向長(zhǎng)度應(yīng)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(kuò)徑尺寸方案，以獲取降低閥門內(nèi)部流速、旋渦脫落指標(biāo)等參數(shù)數(shù)值，降低閥門振動(dòng)和噪音影響，最終形成新閥座的初步設(shè)計(jì)方案。

(二)技術(shù)分析。

1.基于設(shè)備本身結(jié)構(gòu)的研究分析。主蒸汽隔離閥的閥門流道采取了縮頸設(shè)計(jì)，其閥座喉徑處直徑為465mm，縮徑率達(dá)58%，直接導(dǎo)致滿功率時(shí)流道縮徑處的流速達(dá)到88米/秒。普通閘閥的縮頸率應(yīng)為75%～85%，推薦流速應(yīng)在40～60米/秒。3/4#機(jī)組的閥門參數(shù)為74%和60米/秒，噪音約為80dB。

同時(shí)，因?yàn)橥牧饕鸬膲毫_動(dòng)在介質(zhì)中傳播產(chǎn)生輻射噪聲，主蒸汽隔離閥進(jìn)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(guò)閥門及管道“擴(kuò)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(jìn)行聲輻射，同時(shí)接收聲波并將其放大，表現(xiàn)為振動(dòng)加速度大，噪聲高。

圖1 主蒸汽隔離閥閥門本體部分的結(jié)構(gòu)示意圖

2.基于CFD建模的研究分析。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)建模的目的，先對(duì)改造前的主蒸汽隔離閥進(jìn)行CFD穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)分析，獲得最大流速。再根據(jù)加拿大原子能公司Chalk River實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jìn)行CFD穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)分析以獲得最大穩(wěn)態(tài)流速。最后將改造前后的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。之后，開(kāi)展瞬態(tài)流場(chǎng)計(jì)算分析，得到改造前后閥門的瞬態(tài)流場(chǎng)，為后續(xù)閥門噪聲和振動(dòng)分析提供輸入。根據(jù)瞬態(tài)流場(chǎng)分析結(jié)果，對(duì)閥門管道內(nèi)的脈動(dòng)壓力、速度和渦量進(jìn)行初步分析，以初步評(píng)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(jì)算中的流場(chǎng)充分發(fā)展將流動(dòng)出口位置延長(zhǎng)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(jìn)方案的尺寸，對(duì)模型標(biāo)注紅圈位置進(jìn)行相應(yīng)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(jì)算設(shè)置：在主蒸汽隔離閥流場(chǎng)中設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)CFD分析的收斂性和合理性。計(jì)算模型中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖3所示。在綜合考慮計(jì)算精度要求與時(shí)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(jìn)行計(jì)算穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果：經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)模擬計(jì)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(jì)算中可看出主蒸汽在隔離閥內(nèi)的流動(dòng)情況，主要是通過(guò)流道中心線流動(dòng)，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(dá)到約89.3m/s，當(dāng)蒸汽流過(guò)喉徑后，似一股射流沖入擴(kuò)容室和擴(kuò)口錐形管內(nèi)。這種高速汽體射流在聲學(xué)中稱為“流體噴注”，這種流體噴注會(huì)引起較強(qiáng)的噪聲，在聲學(xué)中稱為“噴注噪聲”。

圖3 主蒸汽隔離閥流場(chǎng)中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置(示意圖)

對(duì)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(duì)于改進(jìn)后方案，當(dāng)傾角15°時(shí)，在合適傾角長(zhǎng)度下，最高流速可降低至82.7m/s，最高流速降低約7%。改進(jìn)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(jì)算結(jié)果：根據(jù)瞬態(tài)流場(chǎng)分析結(jié)果，對(duì)于改進(jìn)前方案，最高流速對(duì)應(yīng)于射流速度。關(guān)于旋渦脫落，旋渦脫落頻率與空腔頻率一致會(huì)造成較強(qiáng)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(jié)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(jìn)性閥座可使閥門內(nèi)流場(chǎng)高速流動(dòng)區(qū)域從整個(gè)縮頸處縮小到閥座尖角附近，可有效降低閥座上側(cè)產(chǎn)生的旋渦數(shù)量和強(qiáng)度，對(duì)流場(chǎng)脈動(dòng)壓力、速度和渦量有一定的改善作用。對(duì)閥門管道內(nèi)的脈動(dòng)壓力、速度和渦量進(jìn)行數(shù)據(jù)化評(píng)比，得出理論上最佳閥座設(shè)計(jì)尺寸。

圖5 主蒸汽隔離閥某時(shí)刻流場(chǎng)渦量云圖

圖6 主蒸汽隔離閥流場(chǎng)壓力云圖

3.最終改進(jìn)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(jìn)行技術(shù)交流，廠家針對(duì)新閥座方案及現(xiàn)有閥門再次進(jìn)行CFD建模分析，認(rèn)可我廠的閥座優(yōu)化方案，同時(shí)根據(jù)廠家的CFD建模計(jì)算結(jié)果，對(duì)新方案閥座的細(xì)節(jié)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，最終形成該核電廠主蒸汽隔離閥擴(kuò)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(guò)CFD的結(jié)果，主蒸汽隔離閥制造廠家認(rèn)為該新型可以降低壓力震蕩的振幅，會(huì)降低現(xiàn)場(chǎng)的噪音。同時(shí)改善流場(chǎng)及流速變化，具體對(duì)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(shí)主蒸汽隔離閥制造廠家對(duì)閥座改進(jìn)后的閥座閥瓣接觸力進(jìn)行了復(fù)核計(jì)算，30%開(kāi)度以內(nèi)時(shí)略高于原閥門受力；在30%開(kāi)度至全關(guān)，受力均小于現(xiàn)有的閥門，滿足ANSI B16.41要求。

三、改進(jìn)方案的實(shí)施和效果評(píng)定

某核電廠1、2號(hào)機(jī)組4臺(tái)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(kuò)徑改造。

擴(kuò)徑改造完成后，對(duì)閥門的運(yùn)行狀態(tài)持續(xù)進(jìn)行監(jiān)督，閥門的振動(dòng)和噪音值均比擴(kuò)徑改造前有明顯降低，閥門故障率也顯著減少。2019年10月，對(duì)首先執(zhí)行擴(kuò)徑改造的1臺(tái)主蒸汽隔離閥進(jìn)行解體工作，閥板、閥座等部件完好無(wú)損傷，以驗(yàn)證技改執(zhí)行后，閥門內(nèi)部組件實(shí)際良好的運(yùn)行效果。

經(jīng)過(guò)擴(kuò)徑改造的首批閥門已安全穩(wěn)定運(yùn)行30個(gè)月，振動(dòng)和噪音均有明顯降低，解體檢查未發(fā)現(xiàn)擴(kuò)徑前曾出現(xiàn)的各種缺陷，擴(kuò)徑改造項(xiàng)目圓滿成功。

表1 1#機(jī)組主蒸汽隔離閥噪音測(cè)量結(jié)果

四、項(xiàng)目的應(yīng)用及推廣前景

基于CFD建模分析結(jié)果的主蒸汽隔離閥擴(kuò)徑方案成功實(shí)施證明，針對(duì)縮頸、孔板等機(jī)械設(shè)計(jì)方面需改造優(yōu)化的情況下，通過(guò)瞬態(tài)流場(chǎng)建模計(jì)算分析時(shí)，在無(wú)法降低平均流速時(shí)，更加關(guān)注因流道設(shè)計(jì)產(chǎn)生流體旋渦脫落現(xiàn)象的變化情況，通過(guò)多種流道設(shè)計(jì)對(duì)比盡可能降低最高流速對(duì)流體旋渦脫落的影響。對(duì)管道流體設(shè)計(jì)中涉及縮頸處的具體設(shè)計(jì)方案有較大的指導(dǎo)意義。

五、結(jié)語(yǔ)

本研究項(xiàng)目基于核電工程實(shí)踐，重要工藝位置閥門類設(shè)備，長(zhǎng)時(shí)間存在設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行狀況不穩(wěn)定，基于大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，嘗試成熟的流體力學(xué)建模計(jì)算方法與傳統(tǒng)經(jīng)典工業(yè)設(shè)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(shù)難題。

本研究項(xiàng)目成果在某核電廠1、2號(hào)機(jī)組主蒸汽隔離閥得到了實(shí)際驗(yàn)證，達(dá)到了預(yù)期效果。整個(gè)項(xiàng)目研究過(guò)程中，所用到的計(jì)算工具、研究方法和問(wèn)題解決方案，可以為國(guó)內(nèi)乃至國(guó)外核電機(jī)組提供參考或借鑒，為國(guó)內(nèi)流體工藝系統(tǒng)中過(guò)流設(shè)備振動(dòng)及噪音問(wèn)題提供一個(gè)新穎有效的解決方案。