储水罐水位调节阀内部流体流动特性研究

【摘要】 本文研究的储水罐水位调节阀安装在超（超）临界火电机组锅炉系统中，具有阀芯和二级节流孔板两级调节机构，该种类阀门在工作过程中，易于在阀芯和二级节流孔板之间流道内出现漩涡，如果这种漩涡长期存在，将对阀体的内壁产生冲击，大大减少阀体寿命，影响整体机组的安全，同时也是阀门工作产生噪声的主要原因，并可能引起阀门泄漏。因此对超（超）临界火电机组锅炉储水罐水位调节阀内部流体流动特性的研究具有重要的意义。调节阀内部流体流动特性体现了调节阀的调节和流通能力，与流道结构形状密切相关。本文利用CFD技术对其内部流体的流动特性进行了研究，改进设计了流道结构，有效减少了漩涡的产生。主要做了以下工作：介绍了储水罐水位调节阀的工作原理，采用三维建模软件SolidWorks建立储水罐水位调节阀在阀芯不同开度下的流道几何模型，采用ICEM CFD建立该储水罐水位调节阀在阀芯不同开度下的流道网格模型。为拟合储水罐水位调节阀的理想流量特性曲线和不同开度下的流阻系数和流量系数，采用ANSYS CFX对进口压力为1MPa，出口压力为0MPa时流体介质为水的条件下内部流体的流动特性进行仿真分析；对储水罐水位调节阀实际工作状况下的内部流体速度分布状况进行仿真分析，得到流体压力损失状况及在阀芯开启处和二级节流孔板之间的流道内的漩涡产生情况，对不同开度下的内部流体的流动进行了仿真分析，为流道改进设计提供了依据。针对该阀门内部流场的漩涡问题，以扩大阀体内腔，减小阀体内壁边界倾斜度的原则对该储水罐水位调节阀的内部结构进行改进，提出相应的改进方案，并对结构改进后的阀门在全开时的内部流体的流动进行仿真分析，证明改进后的方案基本消除了或减少了漩涡。本文的研究为储水罐水位调节阀的结构设计提供了理论依据，也进一步说明了CFD数值模拟在阀门设计中应用的可行性。 

第 1章 绪论

1.1  课题来源及研究的背景意义

1.1.1  课题来源

本课题来源于科技部国际合作项目：超（超）临界火电机组关键阀门国产化。

1.1.2  课题研究的背景及意义

科技不断发展，我国电力事业也不断的进步，以减小能源消耗，增大发电机组工作效率为目标，我国大力发展和推广超（超）临界技术。近几年，我国对于超（超）临界火电机组的研发、生产以及实际工作运行都可以独立进行，基本掌握超（超）临界火电机组的各方面技术。百万千瓦超（超）临界机组占据我国火力发电机组的主要部分，我国火电机组的设计、生产以及使用居于全球首位。但是，阀门制造水平发展滞后，阀门设计，生产技术不先进，生产的阀门可靠性低，特别是火电机组高端阀门长时期依靠进口，尤其是重要的调节阀、安全阀。阀门行业发展滞后不利于我国电站事业的发展，使我国电力建设成本大大增高。

超（超）临界锅炉是超（超）临界火电机组的重要能量转换设备，它通过煤的燃烧，使煤中的化学能转化为热能，并将此热能传递给工质水，从而使工质水升温，进而转变为具有所需的超（超）临界参数的水蒸气，供给汽轮机。超（超）临界锅炉的循环系统由内置式启动分离器，储水罐，启动再循环泵，下降管，下水连接管，水冷壁上升管及汽水连接管等组成。当水冷壁出口的工质是汽水两相流时，分离器起到汽水分离的作用，将分离的蒸汽直接送至过热器。储水罐通过控制储存水位为分离器提供较稳定的工作条件。如果储水罐水位过高，汽水分离装置的正常工作就会受到破坏，严重时会导致蒸汽带水增多，增加过热器管壁上的结垢和影响蒸汽质量。储水罐的储水为锅炉的再循环提供水供给并对水冷壁起到一定的保护作用，如果储水罐水位过低，水循环将遭到破坏，引起水冷壁管的破裂，严重时易烧干锅，损坏储水罐。储水罐水位调节阀安装在储水罐出口处，通过调节排水流量对储水罐水位进行控制。

1.2 CFD 技术在阀门内部流体流动特性研究中的应用现状

通常利用各类微分方程组来描述流体的流动，而流体力学研究的就是怎样来求解这些微分方程组。计算流体动力学，英文全称为 Computational Fluid Dynamics，因此通常被简称为 CFD，，也被称为数值计算。计算流体动力学是以计算机为辅助工具，采用某种合适的计算方法来求解各种复杂问题相应的微分方程组，得到它们的离散化数值解。流体力学主要有以下三种研究方法，它们是 CFD 方法，理论计算方法以及实验研究方法，这三种方法相辅相成，共同完成了工业产品的研发和设计以及分析CFD，即数值计算，能够模拟参数条件较复杂或者理想参数下的工况，因此这种数值方法能够扩大试验的条件和范围，并且能够避免对产品的设计和研发意义和作用不大的试验，因此能够减小试验的工作量，所以，CFD数值模拟也因此又有了一个新的称呼，即数值实验。此外，利用 CFD 数值计算，可以生产成本，缩短产品的研发和设计时间。随着计算机和计算流体力学理论的发展，在产品设计和研发中，CFD数值模拟越发体现出它的优越性，因此现已成为工业设计和生产中的一种不可替代的设计手段和方法。比如，奥运会中使用的“鳖鱼皮”游泳衣，就是借助 CFD 数值模拟手段设计和研发出来的。在发达国家中，通常以数值模拟手段对一系列设计方案进行预选，然后再通过少量的试验来对预选方案进行校核，最后确定最终方案。这样，就能够减少试验次数，同时试验具有目的性和针对性。

许多发达国家在利用 CFD 技术分析阀门内部流体流动特性方面进行了一定的研究，通过研究发现并已证实计算流体动力学 CFD 技术能够用来指导阀门的设计和研发。Amirante 等人利用 CFD 技术以某调节阀为研究对象，对其内部流体的流动特性进行了模拟，并将数值模拟计算结果与试验结果进行比较和分析，证实了 CFD 技术在阀门设计中应用的可行性.  Priyatosh  Baraian利用 CFD 技术对滑阀进行了仿真，从仿真分析对阀门内部重要部位产生的气蚀现象进行了分析。从研究结果得到了阀内流场的压强、速度分布和气体体积分布图，得到了阀体优化设计的理论依据。M. BIELECKI 等人利用CFD技术以200MW机组调节阀为研究对象，对其内部流体的流动特性进行了模拟，得到了阀门内部蒸汽流动对阀门产生变形的影响。Mazur 等人利用 CFD 技术以应用于158MW机组中的截止阀为研究对象，对其内部流体的流动特性进行了模拟，其内部流体介质为蒸汽-固体颗粒两相流，得到了其在不同开度下的三维流场的可视化图形。

第2章 储水罐水位调节阀流体分析模型建立

本文对储水罐水位调节阀内部流体流动特性的研究，要建立合理的 CFD模型，以及阀门在阀芯不同开度下的流道几何模型和网格模型。

2.1  储水罐水位调节阀流体分析 CFD 模型建立

在建立储水罐水位调节阀流体分析 CFD 模型时，要参照储水罐水位调节阀内部流体流动的实际物理模型来选择合适的流体力学控制方程，湍流模型以及流体边界条件，这样才可以保证仿真结果的准确性和真实性。 

2.1.1  储水罐水位调节阀流体分析控制方程

质量守恒定律、动量守恒定律以及能量守恒定律被称为流体力学的三大定律，而流体介质的流动必须要遵循这三大定律。它们是对流体介质运动的一种数学描述。我们也称这三大定律为流体动力学的基本方程，即 Navier-Stokes方程。本文采用三维粘性不压缩流体的控制方程组作为数学模型。直角坐标系下，三维粘性不压缩流体流动的控制方程组为：

此方程也被称为连续性方程，在这个方程中：p是流体介质的密度，t是时间，u是速度矢量在 x 轴上的分量，v是速度矢量在 y 轴上的分量，w是速度矢量在z 轴上的分量。

2.2  储水罐水位调节阀流体分析有限元模型的建立

超（超）临界火电机组锅炉储水罐水位调节阀安装在储水罐出口处，通过调节储水罐排水流量对储水罐水位进行控制，对于保证超（超）临界火电机组锅炉的安全运行具有重要意义。本文所研究的储水罐水位调节阀，采用角式结构，两级调节，第一级为柱塞结构，第二级为节流孔板，阀芯最大行程67.6mm，工作介质为汽水混合物，设计温度为330℃，设计压力为12.77Mpa，设计需要流通能力 180t/h，理想流量特性为等百分比特性。该储水罐水位调节阀的结构示意图如图 2-1所示。

流体介质从位于阀体左侧的入口流入，阀杆与阀芯连接在一起，阀杆运动带动阀芯沿直线上下运动，通过改变阀芯的开启高度，来调节阀芯与阀座之间的流通面积，最后达到改变流量的目的。 

2.2.1  储水罐水位调节阀流道几何模型

本文采用三维建模软件 SolidWorks 来建立储水罐水位调节阀不同开度下的流道模型，模型的建立完全按照图纸进行，这样建立起来的模型更加真实，准确，有利于数值仿真结果的真实性和准确性。因为储水罐水位调节阀内部流场的对称性，可以选取内部流体的一半作为数值计算区域。考虑到流体边界条件的入口和出口处流体流动单向而不产生回流，以符合实际物理模型，在阀门入口加装长度为入口直径5倍的流道（约为900mm），在阀门出口加装长度为出口直径 3 倍的流道（约为 720mm）。

第3章 储水罐水位调节阀内部流体流动特性分析...............14

3.1  储水罐水位调节阀流量特性分析....... 14

3.1.1  流动模型的定义.......... 15

第4章 储水罐水位调节阀流道结构改进................33

4.1  储水罐水位调节阀流道结构存在的问题.......... 33

4.2  储水罐水位调节阀流道结构的改进模型........... 33

第4章 储水罐水位调节阀流道结构改进

4.1  储水罐水位调节阀流道结构存在的问题

由上文的储水罐水位调节阀在实际工况下的内部流场的仿真分析得到，在该阀门开度较大时会在阀芯开启处和节流孔板之间（靠近入口管道一侧）产生较大的漩涡，这种漩涡的长期存在，会对阀体的内壁产生冲击，减少阀体寿命，同时漩涡的存在也是阀门工作产生噪声的主要原因，并可能引起阀门泄漏。因此，该储水罐水位调节阀结构型线并不合理。因此对该储水罐水位调节阀的结构进行改进.

结论

本文以某超（超）临界火电机组锅炉储水罐水位调节阀为研究对象，利用CFD 技术对其内部流体的流动特性进行了研究，主要做了以下工作：

（1）介绍了储水罐水位调节阀的工作原理，采用三维建模软件SolidWorks建立储水罐水位调节阀在阀芯不同开度下的流道几何模型，采用 ICEM  CFD 建立该储水罐水位调节阀在阀芯不同开度下的流道网格模型。

（2）采用ANSYS CFX对进口压力为1MPa，出口压力为0MPa 时流体介质为水的条件下内部流体的流动特性进行仿真分析，得到储水罐水位调节阀不同开度下的流阻系数和流量系数Kv，拟合储水罐水位调节阀的理想流量特性曲线，得到该储水罐水位调节阀理想流量特性为等百分比特性。

（3）对储水罐水位调节阀实际工况下的内部流场进行仿真分析，得到流体压力损失状况及速度分布，并通过漩涡图了解到在阀芯开启处和二级节流孔板之间的流道内的漩涡，为流道改进设计提供了依据。

（4）针对该阀门内部流场的漩涡问题，以扩大阀体内腔，减小阀体内壁边界倾斜度的原则对该储水罐水位调节阀的内部结构进行改进，提出相应的改进方案，并对结构改进后的阀门在全开时的内部流体的流动进行仿真分析，证明改进后的方案基本消除了或减少了漩涡。

本文的研究为储水罐水位调节阀的结构设计提供了理论依据，也进一步说明了CFD 数值模拟在阀门设计中应用的可行性。

展望：本课题研究的储水罐水位调节阀具有两级调节结构，在阀芯开启处和二级节流孔板之间的流道内有较大的漩涡产生，针对这一问题，提出了四种结构改进的方案，都使漩涡得到不同程度的减小，但对于减少漩涡的程度没有一个定量的分析，这也是本课题需要继续研究的地方。

参考文献（略）