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故障原因与解决方法

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AP1000核电汽轮机中压调节阀气动力矩数值模拟

匿名用户 发表于 2017-10-14 22:55:38 回帖奖励

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匿名用户 发表于 2017-10-14 22:55:38 回帖奖励

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电子人社区网讯：　　摘要：利用FLUENT对AP1000核电汽轮机中压调节阀所受气动力矩进行数值模拟求解，并用工程计算对模拟结果进行验证。保持中压主汽阀全开，对调节阀不同开度下得到的数值模拟结果进行比较分析，并讨论气动力矩随调节阀开度的变化规律。结果表明:气动力矩的数值模拟求解方便简单，模拟结果虽与工程计算得到的结果有些许偏差，但在合理范围之内，所以数值模拟求解结果可信。
　　关键字：核电汽轮机调节阀气动力矩数值模拟
　　0 前言
　　核电汽轮机组的进汽初参数低且主蒸汽为略带湿度的饱和蒸汽，有效热焓降较小，导致进汽质量流量较大。同等容量的核电汽轮机组进汽量是火电机组的2倍，容积流量为4～6倍，所以核电汽轮机组的尺寸比相同功率的火电机组大很多。这使得在高压缸与中压缸以及再热器和再热蒸汽管道内存在大量的蒸汽，当机组甩负荷时，这部分蒸汽足以使得汽轮机超速。中压进汽阀是为了防止汽轮机在甩负荷时超速而设置的，但中压进汽阀的卡涩将会造成机组超速等事故。
　　某AP1000核电机组做满负荷甩厂用电实验时，汽轮机中压调节蝶阀在关闭过程中出现了卡涩状况，触发GRE控制器跳机、核岛跳堆。事后初步认定中调门卡涩的直接原因是在甩负荷后，阀前蒸汽作用于阀碟上产生的力矩大于或等于弹簧作用于曲柄产生的关阀力矩，需要更换输出力矩更大的弹簧，所以对于阀门不同开度下阀碟所受力矩求解十分必要。利用经验公式虽然也能估算蝶阀所受力矩大小，但由于蝶阀结构各异，难以得到力矩的准确值。随着计算流体力学（CFD）和计算机技术的发展，采用数值模拟对蝶阀内的流动模拟及气动力矩求解显然是十分可取的。对汽轮机高压进汽阀内的流动进行了数值模拟。沈洋等对以水为介质的蝶阀阀板驱动力矩进行了求解。对蝶阀阀碟不同开度下所受力矩进行了求解计算。虽然关于阀门力矩数值模拟的文献不少，但是对于以蒸汽作为流动介质的汽轮机阀门力矩的数值模拟很少，汽轮机阀门所受力矩主要包括气动力矩与摩擦力矩，由于摩擦力矩随阀门开度变化不大，所以本文利用FLUENT对上述AP1000核电汽轮机中压调节阀气动力矩进行数值模拟。
　　1 数值模拟
　　1.1 阀门模型
　　该AP1000核电汽轮机中压进汽蝶阀为主汽阀和调节阀一体的联合进汽阀，主要由阀体、阀杆和阀板组成。采用CAD软件SolidWorks对阀门进行三维几何模型的创建，结构模型如图1所示。

图1 中压进汽阀结构模型

　　在蝶阀中，阀杆作为中间环节既与阀碟相连又与阀体外的执行器连接，阀杆通过带动阀碟往复回转来改变通流面积以此调节通道中的流体流动。主汽阀碟与调节阀碟结构相同，如图2所示。

图2 阀碟结构

　　1.2 网格划分
　　阀门管道直径为D=1.2m，为使蒸汽在管道内的流动得到充分发展，取调节阀前管道L1=5D和调节阀后管道L2=10D作为计算域，将整个流道模型划分为阀体和管道两部分。阀碟附近的流道空间采用非结构四面体网格，进出口管道采用结构六面体网格。图为调节阀碟开度为40°时的网格划分情况，网格总数达200万。

图3 网格模型

　　1.3 计算方法
　　蝶阀内部流场的流动为三维黏性流动，基于不可压缩流动的雷诺时均方程组求解，使用标准k－ε双方程模拟湍流流动；方程中的对流项均采用二阶迎风格式离散，离散方程的求解采用压力耦合方程组的半隐式方法。流动为定常流动，计算收敛标准为最大残差小于10－4。计算时进口边界为速度进口，出口边界为压力出口，其余边界均设为固体边界。
　　1.4 模拟求解
　　在数值模拟中，将阀碟转轴定于y轴上，则阀碟转轴所受气动力矩可表达为：

　　式中，y轴为阀碟围绕转动的轴线；i为阀碟上网格节点数；n为网格节点总数；Fx为沿x方向对阀碟的作用力；Fz为沿z方向对阀碟的作用力；x为作用力Fz到y轴的距离；z为作用力Fx到y轴的距离。
　　本文对调节阀的开度分别为10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°时的阀内流动进行了数值模拟，为得到中压调节阀在不同开度下所受气动力矩的大小，在Fluent菜单栏Ｒeport下选择Forces选项，由于阀杆转轴固定于y轴且阀碟是中心对称的，所以将MomentCenter设置为（0，0，0），Mo-mentAxis设置为（0，1，0），在WallZones选项下选择调节阀碟前后两个表面，输出数据，得到的数据就是数值模拟求解的气动力矩值。模拟结果见表1。

表1 气动力矩模拟值

　　数值模拟的方法对气动力矩的求解简单方便，但求解结果的可信度还需工程计算进行验证。
　　2 工程计算
　　蒸汽流经中压调节阀碟所产生的气动力矩是由于阀碟转轴两侧蒸汽作用力不等产生的，是在启闭件脱离阀座密封面后，在介质流动中产生的。
　　本文蝶阀阀碟是关于转轴中线对称的，气动力矩可按下面经验公式计算：

（1）

　　式中，μα为阀碟开度为α角时的气动力矩系数；ξα为开度为α角时的阻力系数；ξ0为α=0时的阻力系数；ν为平均流速；D为公称直径；H为计算升压在内的最大压头；g为重力加速度。

（2）

　　式中，b为阀碟中心厚度。
　　此阀碟b=300mm，D=1200mm，由式（2）可知H=100m。将参考文献中不同开度下的平均速度ν、相应的气动力矩系数和阻力系数以及H代入式（1），得到不同开度下调节阀碟气动力矩数值见表2。

表2 气动力矩工程计算值

　　式中的气动力矩系数μα和阻力系数ξα等应是根据实际的阀碟结构和阀碟攻角α来确定的实验系数。这些系数的测量比较困难，此处使用参考文献提供的系数进行的气动力矩计算，必然带来一定的误差。
　　3 结果分析
　　现将中压调节阀各个开度下工程计算和数值模拟得到的气动力矩数据示于图4。

图4 数据比较

　　当阀碟开度达到90°即全开的状态下，由于阀碟两侧受到的蒸汽流对阀杆产生的力矩大小相等且方向相反，所以气动力矩为0。由图4可以看出，调节阀开度为10°时，数值模拟和工程计算求取的中压调节阀气动力矩值相接近，其它开度下的两组数据有一定偏差。由于经验公式中气动力矩系数μα和阻力系数ξα应根据实际的阀碟结构和阀碟攻角α而定，而本文两个系数均摘自参考文献，并不完全适用于此蝶阀，所以工程求解与模拟求解的结果有一定偏差也在合理范围之内。况且两种方法求得的气动力矩变化趋势相似以及气动力矩的数量级相同，所以该模拟求解结果可信。
　　中压调节阀以阀碟转轴为中心由闭合开启的过程中，阀碟一侧的旋转方向与蒸汽流动方向相反，另一侧的旋转方向和蒸汽流动方向相同，这样作用于阀碟两侧的力偶对阀碟形成了一个合力矩即气动力矩。由上图数值模拟数值看出，随着调节阀由闭合到全开过程中气动力矩先不断增大，当中调门开度达到40°时合力矩达到最大值，此后随着开度继续增大，气动力矩变得越来越小，当开度达到90°时，气动力矩减小为0。
　　AP1000核电汽轮机中压调节阀关闭过程出现的卡涩问题若的确是阀门弹簧力不够引起的，而本文求解的中压调节阀不同开度下的气动力矩，对于更换更大输出力矩的弹簧具有重要的参考价值。
　　4 结论
　　（1）对于中压调节阀不同开度下所受气动力矩的求解，通过工程计算对数值模拟结果的验证，证实了数值模拟方法的可行性。
　　（2）中压调节阀由闭合到全开过程中，气动力矩先逐渐变大，当开度达到40°左右，气动力矩达到最大值。随着开度进一步增大，气动力矩逐渐减小，直至调节阀全开，气动力矩减小至0。

来源：调节阀信息网

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