600MW汽輪機(jī)主汽調(diào)節(jié)閥流動特性的數(shù)值研究

大唐南京發(fā)電廠 210059

摘要：通過數(shù)值模擬600MW汽輪機(jī)主汽調(diào)節(jié)閥在全開狀態(tài)下的流動特征，對閥門內(nèi)部流量分布狀況以及閥門壓損狀況進(jìn)行分析，以期能夠為閥門結(jié)構(gòu)改進(jìn)工作做出一點貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；主調(diào)節(jié)閥；流動特性；數(shù)值模擬

大型汽輪機(jī)組的調(diào)節(jié)閥一旦受損，就會給機(jī)組經(jīng)濟(jì)性帶來較大的影響，關(guān)于超過亞臨界參數(shù)的機(jī)組，調(diào)節(jié)閥每增加1%的壓損，高壓缸的效率大約就會降低0.4%。所以，利用閥門管理或者結(jié)構(gòu)改進(jìn)等措施對調(diào)節(jié)閥的壓損率進(jìn)行降低，對汽輪機(jī)組運行效率的提高具有重要作用。

汽輪機(jī)主汽調(diào)節(jié)閥型腔的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，長時間以來都把實驗研究當(dāng)作主要的探究方式。利用實驗研究雖然可以掌握閥門的整體性能，比如閥門損失、提升力曲線等，但是卻不能獲悉閥門內(nèi)部的整體流程。由于改進(jìn)閥門結(jié)構(gòu)是結(jié)合設(shè)計人員對流動的設(shè)想與實際經(jīng)驗來展開的，具有不確定性，因此難以得到更厚的結(jié)果。利用CFD方法對其進(jìn)行研究，能夠全面了解閥門內(nèi)部流動信息，進(jìn)而了解更多科學(xué)的閥門結(jié)構(gòu)。

文章建立在CFD方法基礎(chǔ)之上，分別用數(shù)值模擬了600MW汽輪機(jī)主汽門與主調(diào)門的內(nèi)部流場，并且對聯(lián)合氣門研流程的壓損分布進(jìn)行全面分析，提出指導(dǎo)性的閥門管理建議。

一、物理模型的創(chuàng)建

組成600MW汽輪機(jī)組的主調(diào)閥門系統(tǒng)包括：主汽閥兩個、調(diào)節(jié)閥四個。主蒸汽首先經(jīng)過兩根主蒸汽管后再進(jìn)入兩個主汽閥，然后被送進(jìn)調(diào)節(jié)汽室，最后被四個調(diào)節(jié)閥送入汽輪機(jī)的噴嘴中，并對四組噴嘴進(jìn)行膨脹做功。其中調(diào)節(jié)閥的配汽方式為2+3-4-4，具體可參見圖1。主蒸汽進(jìn)汽的時候，2號和3號調(diào)節(jié)閥就會同時開啟，逐漸增加負(fù)荷到達(dá)一定程度后，4號和1號調(diào)節(jié)閥依次開啟。

圖1 600MW汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥展示圖

觀察其幾何結(jié)構(gòu)，可以發(fā)現(xiàn)一個主汽閥與兩個調(diào)節(jié)閥共同構(gòu)成一組，而且兩組是互相對稱的。其中閥組系統(tǒng)的內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)可以參見圖2，在一個閥組中，距離主汽閥較近的被稱為A閥，較遠(yuǎn)的被稱為B閥。

圖2 主汽調(diào)節(jié)閥組幾何結(jié)構(gòu)示意圖

明確計算域后，就可以采用Gambit來劃分非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。在該算例中，應(yīng)用了四面體網(wǎng)格對流道網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行劃分，網(wǎng)格的數(shù)量為200萬，具體可以參見圖3。其中邊界計算條件是壓力進(jìn)口與速度進(jìn)口。具體采用的是標(biāo)準(zhǔn)k-E模型與全三維N-S方程。在計算過程中，利用有限元法對邊界條件與被控制方程進(jìn)行離散，壓力-速度耦合的求解則應(yīng)用的是Simplec算法，其中、能量、棟梁、湍流耗散率和湍動能都應(yīng)用的是二階迎風(fēng)差分格式。應(yīng)用IAPWS-IF97水蒸氣性質(zhì)計算模型對蒸汽工質(zhì)的熱力性參數(shù)進(jìn)行分析。在該模型下，主蒸汽的溫度是540℃，壓力是16.59MPa，流量是1985t/h。

圖3 計算網(wǎng)格分析圖

二、計算結(jié)果與具體分析

為了能夠更加便捷的說明問題，在流量不變的前提下，更改調(diào)節(jié)閥的開啟順序，具體為2+3-1-4，具體來說就是在主蒸汽進(jìn)汽過程中，同時開啟2號與3號調(diào)節(jié)閥，逐漸增加負(fù)荷，達(dá)到一定程度后再將1號與4號調(diào)節(jié)閥依次開啟。當(dāng)對機(jī)組達(dá)到600MW時，就可用數(shù)值來模擬進(jìn)氣閥的內(nèi)部流場，并將兩種配汽方式所得結(jié)果進(jìn)行對比。

其中閥門內(nèi)部流線圖可以參見圖4，Z=O截面上閥組流體速度等值可以參見圖5，圖6-9則是各閥門典型界面與喉部速度等值線圖。在閥門內(nèi)部，氣流流動的特點具體如下：第一，在調(diào)節(jié)閥與主汽閥的喉部位置都存在節(jié)流，并且氣流速度較大，主汽閥喉部氣流的最高速度為120m/s，調(diào)節(jié)閥A喉部氣流速度最高可達(dá)130m/s，調(diào)節(jié)閥B喉部最高氣流速度為170m/s。第二，蒸汽在進(jìn)入主汽閥的咽喉位置后，氣流就會達(dá)到腔室上半部分，從而讓調(diào)節(jié)閥A和主汽閥間的腔室中形成大漩渦，局部形成了速度約為20m/s的低速區(qū)。第三，經(jīng)過A/B閥的流量比例為47.3：52.7，經(jīng)過A閥的蒸汽量比B閥約少5%。

圖4 閥門內(nèi)部的流線圖

圖5 Z=O蒸汽速度等值線圖

圖6 調(diào)節(jié)閥A的喉部速度等值線圖 圖7 調(diào)節(jié)閥B的喉部速度等值線圖

圖8 主汽閥的喉部速度等值線圖 圖9 H-H截面速度等值線

在閥組流道系統(tǒng)中，蒸汽流動的總壓損是2.66%，主汽閥共損失了0.57%，占總損失的21%；調(diào)節(jié)閥共損失了2.09%，占總損失的79%。若是調(diào)節(jié)閥的流道具有高速蒸汽流動，那么就會產(chǎn)生壓損，而且通常都出現(xiàn)在調(diào)節(jié)閥的喉口位置。因為蒸汽在經(jīng)過閥腔室流入閥喉位置的時候，通流的面積會急劇降低，導(dǎo)致蒸汽的流速迅速上升，尤其是垂直主流方向，速度呈梯度變化，進(jìn)而使閥喉位置出現(xiàn)大面積的壓損。調(diào)節(jié)汽門與主汽門喉口后管道具有較好的擴(kuò)壓效果，能夠大幅度降低總壓損率，至少可以減小2%。

通過對閥門內(nèi)部的氣流流動進(jìn)行觀察，可以發(fā)現(xiàn)蒸汽在進(jìn)入主汽閥的喉部位置后會呈流線不斷上揚，蒸汽不能夠順利轉(zhuǎn)折，進(jìn)入A閥的氣流較少，在主汽閥與A閥間就形成了漩渦及流動死區(qū)，不能夠均勻流動。而主汽閥周圍大部分的低能流體就逐漸流進(jìn)A閥喉部，而其余流體大都繞過A閥閥桿后向B閥流進(jìn)，由于A閥喉部具有一定的吸引力，流線開始向下稍微偏轉(zhuǎn)，一些流體就流進(jìn)A閥喉部。當(dāng)流體進(jìn)入B閥的時候，已經(jīng)得到充分轉(zhuǎn)折，就會迅速流入B閥喉部。所以，A閥的流程雖然比B閥短，但是損失卻比B閥要大，具體可以參見圖10。

圖10 壓損流程圖

三、總結(jié)

第一，根據(jù)計算結(jié)果，可以知道A調(diào)節(jié)閥的流量是47.3%，B調(diào)節(jié)閥的流量是52.7%，計算結(jié)果表明，A調(diào)節(jié)閥流量為47.6%，兩閥的流量大約相差5%。第二，蒸汽流動的總壓損是2.66%，主汽閥共損失了0.57%，占總損失的21%；調(diào)節(jié)閥共損失了2.09%，占總損失的79%。壓損大都是在高速蒸汽流動的調(diào)節(jié)閥流道中出現(xiàn)的。第三，通常在主汽閥與調(diào)節(jié)閥的喉口位置出現(xiàn)壓力損失。在調(diào)節(jié)閥的閥碟與閥座間會出現(xiàn)顯著的節(jié)流現(xiàn)象，蒸汽在B調(diào)節(jié)閥喉口位置的速度最高可以達(dá)到170m/s。第四，蒸汽在進(jìn)入主汽閥的咽喉位置后，氣流就會達(dá)到腔室上半部分，從而讓調(diào)節(jié)閥A和主汽閥間的腔室中形成大漩渦，局部形成了速度約為20m/s的低速區(qū)。第五，調(diào)節(jié)汽門與主汽門喉口后管道具有較好的擴(kuò)壓效果，能夠大幅度降低總壓損率，至少可以減小2%。

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