AP1000核电汽轮机中压调节阀气动力矩数值模拟-.pdf

第 5 7卷 第 5期 2 0 1 5年 1 0月 汽轮机技术 T URB I NE T E C HNO L OGY V0 1 ． 5 7 No ． 5 0c t ． 2 0 1 5 A P 1 0 0 0核 电汽轮机 中压调节 阀气动力矩数值模拟 饶 宛 ， 边 岩 ， 张旭瑞 ， 方立军 ， 高建 强 1中广核工程有 限公司， 深圳 5 1 8 0 0 0 ； 2华北电力大学能源动力与机械工程学院， 保定 0 7 1 0 0 3 摘要 研究气动力矩的变化规律对蝶阀的可靠控制具有重要意义。以 A P 1 0 0 0 核电汽轮机中压调节阀为研究对 象， 采用 F l u e n t 对调节阀开度为1 O 。 一 8 0 。 的三维流场进行了数值模拟 ， 得到了速度场、 压力场分布以及气动力矩的 变化规律。结果表明 速度分布和压力分布的不均匀性随调节 阀开度的增加先增强后减弱， 开度为3 O 。 时最为明 显。气动力矩随调节阀开度的增加先增大后减小 ， 开度为3 0 。 时达到最大值。 关键词 气动力矩； A P 1 0 0 0核电汽轮机；中压调节阀； 数值模拟； 速度场 ； 压力场 分 类号 T K1 1 3 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 1 5 8 8 4 2 0 1 5 0 5 - 0 3 4 7 - 0 3 Nu me r i c a l S i mu l a t i o n o f Ae r o d y n a mi c Mo me n t o f Me d i u m P r e s s u r e Re g u l a t i n g Va l v e f o r A P 1 0 0 0 N u c l e a r P o w e r T u r b i n e R A O Wa n ， B I A N Y a h ， Z H A N G X u - m i ， F A N G L i -j u n ， G A O J i a n q ia n g 1 C h i n a N u c l e a r P o w e r E n g i n e e r i n g C o m p a n y L i m i t e d ， S h e n z h e n 5 1 8 0 0 ， C h i n a ； 2 S c h o o l o f E n e r g y P o w e r a n d M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， N o r t h C h i n a E l e c t ri c P o w e r U n i v e r s i t y ， B a o d i n g 0 7 1 0 0 3 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e s t u d y o f t h e c h a n g e r e g u l a t i o n o f t h e a e r o d y n a mi c t o r q u e i s v e r y i mp o r t a n t f o r t h e r e l i a b l e c o n t r o l o f b u t t e r fl y v a l v e ．T h e s t u d y o b j e c t i s m e d i u m p r e s s u r e r e g u l a t i n g v a l v e o f A P I O 0 0 n u c l e a r p o w e r t u r b i n e ， t h e t h r e e d i m e n s i o n a l fl o w fi e l d o f t h e c o n t r o l v a l v e o p e n i n g d e g r e e b e t we e n 1 0 。一8 0。 w a s s i mu l a t e d b y u s i n g F l u e n t ， t h e v e l o c i t y fi e l d d i s t r i b u t i o n， t h e p r e s s u r e fie l d d i s t r i b u t i o n a n d t h e c h a n g e r e gul a t i o n o f t h e a e r o d y n a mi c t o r q u e a r e o b t a i n e d ．T h e r e s u l t s s h o wT h e n o nu ni f o r r n i t y o f t h e v e l o c i t y fie l d d i s t r i b ut i o n a nd t he p r e s s u r e fie l d d i s t r i b u t i o n fir s t e nh an c e d a nd t h e n we a k e n e d wi t h t he i n c r e a s e o f t h e v a l v e o p e n i n g d e gre e， 3 0 d e gre e i s t h e mo s t o b v i o u s ．Ae r o d y n a mi c t o r q u e fi r s t i n c r e a s e a n d t h e n d e c r e a s e w i t h t h e i n c r e a s e o f t h e v a l v e o p e n i n g d e g r e e ， wh e n t h e o p e n i n g d e g r e e i s 3 0 d e g r e e s ， t h e ma x i mu m v a l u e i s r e a c h e d ． Ke y wo r d s a e r o d y n a m i c t o r q u e ；AP1 0 0 0 n u c l e a r p o we r t ur b i n e；me d i u m p r e s s u r e r e g u l a t i n g v a l v e；n u me r i c a l s i mu l a tio n；v e l o c i t y f i dd p r e s s u r e fi e l d 0 前言 核电机组具有蒸汽初参数低 、 湿度大、 容积流量大等特 点， 所以一般核电机组都具有很大的通流面积 I 2 J ， 尤其是蒸 汽经高压缸做功以后， 参数进一步降低 ， 容积流量增加， 所 以 中压缸的管道直径比高压缸管道直径更大 ， 这就需要大 口径 的蝶阀进行流量调节。因为蝶阀的面积很大， 即使进入中压 缸蒸汽的参数 比初参数低很多， 阀杆依然会受到很大的扭 矩， 使得运行过程中可能 出现卡涩现象， 引起汽轮机组超 速 。 中压调节阀门启闭过程中， 阀杆受到的扭矩主要是气动 力矩和摩擦力矩 j 。阀门工作状态的变化对摩擦力矩的影 响较小 。气动力矩的大小 主要取决于阀板周围的压力分 布状况， 阀门尺寸 、 阀板结构、 蒸汽流速等都会对其产生影 响。定常流动条件下 ， 阀内气流速度分布是三维的， 使得气 动力矩 的计算 十分困难 。 近生 ， 数值摸拟左法在研究汽轮机蝶阀的流场、 受力 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 7 ． 3 0 等方面上的应用颇为广泛， 张守印、 汤春梅 等利用 C F X对 汽轮机再热蝶阀进行了热应力分析， 模拟出流场分布， 并得 到了蝶阀的热应力分布， 但没有研究蝶阀气动力矩的变化规 律。Z a c h a ry L e u t w y l e r 等利用 F l u e n t 模拟计算了可压缩气 体流过蝶 阀的气动力矩 ， 但采 用的模型为二维模 型。惠 伟 、 罗雨辰 分别对热电联产汽轮机蝶阀的气动力矩进行 了数值模拟 ， 并通过蝶阀模型气动实验对模拟结果进行了验 证 ， 两者结果基本相符 ， 表明了数值模拟方法的可信度 ， 但模 拟的对象为小 口径蝶阀。 目前 ， 数值模拟计算方法已经成为研究大型汽轮机蝶阀 内复杂流动、 换热特性的有效方法之一 1 。本文以A P 1 0 0 0 核 电汽轮机 中压 碟阀为研究对象 ， 采用 F l u e n t 模拟 了不 同工 况下阀内速度、 压力的三维分布， 得到了蝶阀气动力矩的变 化规律。 1 数学模型 作者简介 饶宛 1 9 6 8 一 ， 女 ， 广东深圳 ， 中广核工程有 限公 司， 高级工程 师。 假设流体为不可压缩流体， 流动为定常流动。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 4 8 汽轮机技术 第 5 7卷 1 ． 1 流场控制方程组 1 ． 1 ． 1连 续性 方程 警 。 1 ． 1 ． 2 N S方程 一 古 一 古 考 ” 舌考 2 1 ． 1 ． 3 标 准 k s模 型方程 标准 k一 8模型是应用较为广泛的两方程涡黏性模式。 1 雷诺应力的涡黏性模型为 “t“tq 一 JD 一 学 一 慨 3 其中， s 为平均速度应变率张量； p为流体密度； 为湍动能； 6 为克罗内算子。 2 涡黏性 定义为湍动能 和湍流耗散率 s的函数 I z c J ． p k ／ 8 4 3 湍流能量输运方程 毒 [p 鸶 一 蔫 】 S p s 4 能量耗散输运方程 考 [ p 一 ／z 考 ] c T r 一 c P } 咖 管道直径 D1 ． 2 m， 选择阀门前后一段管道与阀门周围管道 作为计算流域。 2 ． 2 网格 划分 利用 I C E M将模型分为两部分， 阀门附近结构复杂， 采 用四面体非结构网格， 远离阀门的流道较为规则， 采用六面 体结构化网格 ， 设定网格大小为 5 0 m m ， 网格数量超过 7 5万 个， 图 1为调节阀开度为3 0 。 时的网格。 图 1 开度为3 0 。 时的网格 2 ． 3 边界条件 进 口设置为速度进 口， 不 同开度 下的进 口速度 不 同。出 口设置为压力出口， 压力值随着开度的变化而变化。固壁面 采用无滑移边界条件。 2 ． 4 流体参数 流体介 质为 过热蒸 汽， 密 度为 4 ． 0 k s ／ m ， 其 总压 为 0 ． 9 6 7 6 MP a ， 温度为2 6 8 ． 8 ℃。 2 ． 5 模型求解 采用基于压力的求解器 ， 流体流动为定常流动， 选用的 基本物理模型为标准 k 湍流模型， 近壁区采用标准壁面 函数法。设置求解算法为压力耦合方程组的半隐式算法 S I MP L E算法 ， 方程的离散格式全部采用二阶迎风格式。 6 3 结果与分析 其中， 右端项分别表示生成项、 耗散项和壁面项。式中 各常数的定义如下 C 0 ． 0 9 ， c l1 ． 4 5 ， C 1 ． 9 2 ， 1 ． 0， 1 ． 3。 1 ． 2 气动力矩方程 阀杆的气动力矩即作用在阀板上的蒸汽作用力对阀杆 的扭矩， 将蒸汽作用力沿 、 Y 、 轴分解 ， 轴为管道轴线方 向， Y 轴为阀杆所在方向， 轴为垂直于阀杆的管径方向。忽 略阀杆的弯矩， y轴方向的分力对阀杆只有拉伸作用 ， X -, Z轴 方向的分力对阀杆只有扭转作用， 故阀杆所受的扭矩为蒸汽 作用力在 、 轴方向上的分力与力臂的乘积。阀门开度为 时， 阀杆扭矩的计算方程 为 ∑ ∑ 7 式 中， 0 表示 调节阀开度为 0 时 阀杆 所受 的扭矩 ； m为 阀 板上网格节点数； n为网格节点总数 ； 、 分别表示蒸汽作 用力沿 、 轴方向对阀板的作用力 ； 表示作用力 到 Y 轴 的距离； 。 表示作用力 F 到 Y轴的距离。 2网格划分及边界条件 2 ． 1 模拟对象 核电汽轮机中压缸进汽管道上串联装有两个中心蝶阀， 阀门型号为D N 1 2 0 0 。其中， 上游蝶阀为截止阀， 下游蝶阀为 调节 阀 。截止 阀开 度为9 0 。 ， 调节 阀的调节范 围为0 。一9 0 。 。 由于中心蝶阀结构对称使得上、 下阀板静压力平衡， 仅 存在气体绕流产生的表面压力差 ， 大大降低了气动力矩 ， 当 调节阀开度为9 0 。 时， 因为严格的对称性， 导致蒸汽绕流产生 的表面压力差基本为零， 所以这时的气动力矩数值很小 ， 可 近似认为气动力矩为零。因此只对调节阀开度为l 0 。一8 0 。 的流场进行了模拟 ， 模拟结果如下。 3 ． 1 速度场 部分开度的速度云图如图2所示。 由图2可见 ， 气体流经调节阀之前 ， 流场的速度分布沿 管道轴线基本对称， 也比较均匀。在调节阀开度较小的时 候， 阀板与管道之间的间隙很小， 气体以一定的流速通过间 隙之后， 流速明显增大， 流向也发生变化 ， 产生 回流， 在其后 形成漩涡 ， 使得速度 场扰 动剧烈 ， 并且 速度分 布 出现分层 现 象， 间隙之后靠近管壁处流速最大 ， 沿管径方向逐渐降低。 从图中还可以看出， 速度分布沿管道轴线是不对称的， 上半 阀板与管道形成的区域为扩口区， 而下半阀板与管道形成的 区域为缩 E l 区 ， 扩 口区对速度 的影 响要 大于缩 口区对 速度 的 影响， 所以上部间隙后的速度变化要比下部间隙处的速度变 化剧烈很多。在调节阀开度较大的时候 ， 气体的流速变化不 大 ， 分布较为均匀 。 比较图2中 n 、 b 、 c 发现， 3幅图中速度分布的不 均匀性从强到 弱依 次为调节 阀开度 为3 O 。 、 1 O 。 、 7 O 。 。这说 明 在调节阀开度较小的时候 ， 速度分布的不均匀性随着开度的 I l l 1 一矿 矿 一 一 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 5 2 汽轮机技术 第 5 7卷 倍， 且核电高压缸排汽湿度大 约为1 2 ％ ， 可以考虑利用百 万级超临界火电空冷机组的中压缸模块作为核电百万级全 转速空冷汽轮机的高压缸模块， 对通流部分进行重新设计 ， 增加疏水措施； 由于火电一般配置 1 个或 2个双流低压缸， 而百万级核电空冷汽轮机若采用全转速汽轮机， 则需要 3个 双流低压缸， 应对汽轮机的轴系稳定性进行重新核算， 同时 增加末级叶片抗水蚀能力和疏水措施 ， 确保机组安全性。经 过初步调研， 重新设计高压缸及通流、 轴系稳定性核算、 增加 末级叶片抗水蚀能力和疏水措施等工作大约需要半年 一1 年 的时间。 4 结论及建议 通过初步计算 、 分析， 百万级核电空冷汽轮机存在全转 速和半转速汽轮机两种方案 ， 两种方案均具备技术可行性。 若采用半转速空冷汽轮机方案， 需要配置 1 个双流高压 缸 或高中压合缸 和2 个 或3个 双流低压缸， 但是需要重 新研发半转速空冷汽轮机末级叶片， 这将耗费较长时间和费 用。 若采用全转速空冷汽轮机方案， 需要配置 1 个双流高压 缸 或高中压合缸 和 3个双流低压缸。国内火电汽轮机拥 有较完整的空冷末级叶片系列， 现有全转速空冷末级叶片在 排汽面积上基本能够满足需要， 只是需对汽轮机通流、 轴系 稳定性进行计算、 优化设计， 耗时相对较短， 成本较低； 同时， 由于全转速机方案的汽轮机转子、 汽缸等尺寸明显小于半转 速机， 全转速汽轮机的造价低于半转速机。 目前国内的核电汽轮机大部分为本土汽轮机制造厂引 进国外技术进行生产、 制造 ， 形成 了半转速汽轮机技术受制 于人的局面。国外技转方在材料替代、 技术改进及设计标准 方面会严格审批， 严重制约国内汽轮机厂的研发、 设计和创 新能力。为了顺应时代潮流， 响应建设创新型国家的号召， 积极推进核电“ 走出去” 战略， 建议国内三大汽轮机厂利用已 有核电、 火电汽轮机引进技术消化吸收成果， 尽快启动全转 速百万级核电空冷汽轮机研发项 目， 形成具有完全 自主知识 产权的百万级核电空冷汽轮机技术， 抢占技术制高点。 致谢 感谢上海电气电站设备有限公 司汽轮机厂、 东方 汽轮机有限公司和哈尔滨汽轮机厂有限公司提供的资料。 参 考 文 献 [ 1 ] 陈子斌．国外内陆核 电厂情况整理与分析[ J ] ．能源研 究与管 理 ， 2 0 1 3 ， 1 1 3 2 1 ． [ 2 ] 侯玲 ， 蒋演 明．核 电厂采用空冷技术的形式选择 及适 应性分 析[ J ] ．汽轮机技术 ， 2 0 0 9， 5 1 6 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