超（超）临界火电机组阀门数值分析 及性能优化

发布时间：2016-11-29 21:11

为了迎合对电力需求的高速增长，从 20 世纪 80 年代始，国内主要的电站主机和辅机制造行业相继引进了国外先进的设计技术和制造工艺，以适应国内大型电站机组发展的需要。到目前为止，从 300MW 亚临界机组、600MW 亚临界、600MW 超临界、600MW超超临界机组到 1000MW 超超临界主、辅机设备，已基本实现了国产化并投产运行。火电机组的大量投入带动了高端阀门的需求。但是我国与电站机组配套的阀门制造行业却没有跟上电站装备的发展，大部分国产高端阀门还处在技术较落后、可靠性较差、功能不强的水平，需要投入较大人力和时间对其进行调试和维修。而且国内阀门制造企业不断分化、不断重组，至今还没有形成公认的国产优质高端阀门品牌。在高参数阀门领域缺乏有自主知识产权的核心技术，使得我国高参数阀门大量依赖进口。分析 2010年国内 600MW 机组招投标合同数据，一台 600MW 亚临界机组中进口阀门约 150 台，费用约为 2400 万元，“十一五”期间我国每年付给国外的阀门采购费高达 74 个亿[8-10]。

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第 2 章 复杂结构条件下调节类阀门数值模拟与优化

2.1 研究目的与意义

调节阀是工业自动化过程控制中的重要执行单元。在流量调节过程中，阀门的电动执行机构与阀门的流量特性相互配合，从而实现对控制对象的准确调节。伴随着工程领域对工艺参数越来越精准的调节需要，单纯通过提高阀门电动执行机构的灵敏度来提高工艺参数控制精度的方式，已难以适应工业发展的要求。此时，需要从阀门侧改善阀门的流量特性，使其更适应电动执行机构，达到流量参数精准控制的目的。传统的阀门的流量设计是通过实验方式，确定开度与流量之间的关系。为使调节阀达到预期的调节特性，需加工多个实验样品进行测试，耗时长，成本也高。另一方面，阀门向着大口径大流量的方向发展，如在南水北调工程中，蝶阀的最大口径在 5m 左右，西气东输管线中球阀直径达到 52 英寸。对于超大口径的阀门，通过实验测试流量系数的成本很高，工程中难以实现。

2.2 阀门流动的数值模拟方法

按 Kn 数（Knudsen number)的不同，流动问题按尺度可分为微观、介观、宏观三类。研究者针对三类问题建立了相应的研究方法，分别是气体分子运动论、格子波尔兹曼法（Lattice Boltzmann Method，简称 LBM）和连续介质力学[46]。三种方法理论上相互贯通，按尺度条件，计算公式可相互转换，这从侧面证明了各种理论的可靠性。根据研究对象的尺度不同，三种研究方法在各自的领域有其优势，也有其不足。从工程的角度来看，目前宏观模拟成为 CFD 的主流方向，介观模拟次之。近年来有众多学者进行了 LBM 数值模拟的研究，并有大量的工程应用实例，甚至出现了商业用途的基于 LBM 法的介观模拟软件，但介观模拟目前还存在着在难于处理流体可压缩性，，计算速度较慢、计算结果不够准确等问题。

第 3 章 高压阀门节流区变温效应数值模拟........33

3.1 研究概况 .................33
3.2 实际气体的状态描述.................34
3.3 阀门节流过程变温效应理论分析....................37
第 4 章 高压旁路阀多物理场耦合计算.............49
4.1 研究意义与目的 ...........49
4.2 高压旁路阀热工参数与结构 ...........50
4.3 高压旁路阀流动及传热数学模型 ...........51
4.4 高压旁路阀数值模拟计算 ........ 56

第 7 章 自力式液动高加给水三通阀关闭瞬态运动分析

7.1 研究意义与目的

在一些特殊的场合，阀门在管路系统中要起到快速截断流体的作用，以保证紧急情况下人员及设备的安全。从安全的角度看，阀门关闭的时间越短越好。但是快速关闭的阀门有可能给管路系统带来冲击，产生水击事故，同时快速关闭的阀门，阀芯与阀座的密封面高速碰撞在一起，有可能导致阀门密封面的损坏。因此，在阀门设计时要定量地分析阀门关闭时间、阀芯关闭速度等指标，合理设计阀门结构。本章以火电系统中非常重要的安全控制阀——液动高加给水三通阀为研究对象，从流体力学的角度分析影响阀门关闭时间的各项因素，提出三通阀的关闭的计算时间与速度，为后续结构力学合理设计阀门密封面提供依据。

7.2 高加给水三通阀工艺特点及结构

高压加热器是锅炉给水系统中的一个重要换热单元，它的作用是把来自除氧器里的低温水加热后送入锅炉。正常情况下锅炉给水经高压加热器加热、再经锅炉给水母管进入锅炉。但是考虑到高压加热器出现故障等情况，高加给水系统增设了一套旁路装置，旁路装置由两个阀门构成，一个是入口阀、一个是出口阀。当锅炉系统正常运行时，锅炉给水从三通阀的主回路进入高压加热器，通过出口阀至锅炉。当高加出现故障时，高加给水三通阀的主回路快速关闭，旁通回路打开，以保证高压加热器解列，但不影响锅炉正常供水。

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第 8 章 总结与展望

本文是作者近年来在超（超）临界火电机组关键阀门国产化研究项目中所做的相关研究工作的总结。本文以流体动力学为切入点向湍流模型的分类比较、实际气体节流过程数值热力学分析、汽液固三相流固耦合传热、湍流转捩、噪声数值模拟几个方向做了研究。并将这些理论及其相应的模型应用于超超临界火电机组的最小流量调节阀、高低压旁路调节阀、轴流式止回阀、自力式液动高加给水阀的设计与优化工作中。研究工作取得了一些实质性的进展，如最近获知经研究的阀门都已生产出样机，大部分已进入工程应用检验阶段。但由研究对象的复杂，实验手段的匮乏，诸多研究工作在深度及广度还很不足。今将其中的收获与不足汇总如下，以期待同行及自己在将来工作中继续研究：（1）探索了几种常用的湍流模型及湍流近壁区的计算方法。对比了球阀、蝶阀、阀门流阻系数的实验测试结果与不同湍流模型计算结果，结果表明，三种湍流模型的计算结果相近，k-ε 模型的计算精度略高于其它两种；数值计算误差与实测误差小于 10%；在确定了计算模型及方法的基础之上，对一种新型结构的流量调节阀——活塞式最小流量调节阀的流阻系数进行了计算，并通过改变孔径的方式优化了调节特性曲线。

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参考文献（略）

本文编号：198731