【摘要】 本文研究的儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥安裝在超（超）臨界火電機(jī)組鍋爐系統(tǒng)中，具有閥芯和二級(jí)節(jié)流孔板兩級(jí)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，該種類閥門在工作過(guò)程中，易于在閥芯和二級(jí)節(jié)流孔板之間流道內(nèi)出現(xiàn)漩渦，如果這種漩渦長(zhǎng)期存在，將對(duì)閥體的內(nèi)壁產(chǎn)生沖擊，大大減少閥體壽命，影響整體機(jī)組的安全，同時(shí)也是閥門工作產(chǎn)生噪聲的主要原因，并可能引起閥門泄漏。因此對(duì)超（超）臨界火電機(jī)組鍋爐儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流體流動(dòng)特性的研究具有重要的意義。調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流體流動(dòng)特性體現(xiàn)了調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)和流通能力，與流道結(jié)構(gòu)形狀密切相關(guān)。本文利用CFD技術(shù)對(duì)其內(nèi)部流體的流動(dòng)特性進(jìn)行了研究，改進(jìn)設(shè)計(jì)了流道結(jié)構(gòu)，有效減少了漩渦的產(chǎn)生。主要做了以下工作：介紹了儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥的工作原理，采用三維建模軟件SolidWorks建立儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥在閥芯不同開度下的流道幾何模型，采用ICEM CFD建立該儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥在閥芯不同開度下的流道網(wǎng)格模型。為擬合儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥的理想流量特性曲線和不同開度下的流阻系數(shù)和流量系數(shù)，采用ANSYS CFX對(duì)進(jìn)口壓力為1MPa，出口壓力為0MPa時(shí)流體介質(zhì)為水的條件下內(nèi)部流體的流動(dòng)特性進(jìn)行仿真分析；對(duì)儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥實(shí)際工作狀況下的內(nèi)部流體速度分布狀況進(jìn)行仿真分析，得到流體壓力損失狀況及在閥芯開啟處和二級(jí)節(jié)流孔板之間的流道內(nèi)的漩渦產(chǎn)生情況，對(duì)不同開度下的內(nèi)部流體的流動(dòng)進(jìn)行了仿真分析，為流道改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。針對(duì)該閥門內(nèi)部流場(chǎng)的漩渦問(wèn)題，以擴(kuò)大閥體內(nèi)腔，減小閥體內(nèi)壁邊界傾斜度的原則對(duì)該儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提出相應(yīng)的改進(jìn)方案，并對(duì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的閥門在全開時(shí)的內(nèi)部流體的流動(dòng)進(jìn)行仿真分析，證明改進(jìn)后的方案基本消除了或減少了漩渦。本文的研究為儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，也進(jìn)一步說(shuō)明了CFD數(shù)值模擬在閥門設(shè)計(jì)中應(yīng)用的可行性。 

第 1章 緒論

1.1  課題來(lái)源及研究的背景意義

1.1.1  課題來(lái)源

本課題來(lái)源于科技部國(guó)際合作項(xiàng)目：超（超）臨界火電機(jī)組關(guān)鍵閥門國(guó)產(chǎn)化。

1.1.2  課題研究的背景及意義

科技不斷發(fā)展，我國(guó)電力事業(yè)也不斷的進(jìn)步，以減小能源消耗，增大發(fā)電機(jī)組工作效率為目標(biāo)，我國(guó)大力發(fā)展和推廣超（超）臨界技術(shù)。近幾年，我國(guó)對(duì)于超（超）臨界火電機(jī)組的研發(fā)、生產(chǎn)以及實(shí)際工作運(yùn)行都可以獨(dú)立進(jìn)行，基本掌握超（超）臨界火電機(jī)組的各方面技術(shù)。百萬(wàn)千瓦超（超）臨界機(jī)組占據(jù)我國(guó)火力發(fā)電機(jī)組的主要部分，我國(guó)火電機(jī)組的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)以及使用居于全球首位。但是，閥門制造水平發(fā)展滯后，閥門設(shè)計(jì)，生產(chǎn)技術(shù)不先進(jìn)，生產(chǎn)的閥門可靠性低，特別是火電機(jī)組高端閥門長(zhǎng)時(shí)期依靠進(jìn)口，尤其是重要的調(diào)節(jié)閥、安全閥。閥門行業(yè)發(fā)展滯后不利于我國(guó)電站事業(yè)的發(fā)展，使我國(guó)電力建設(shè)成本大大增高。

超（超）臨界鍋爐是超（超）臨界火電機(jī)組的重要能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，它通過(guò)煤的燃燒，使煤中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，并將此熱能傳遞給工質(zhì)水，從而使工質(zhì)水升溫，進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂兴�需的超（超）臨界參數(shù)的水蒸氣，供給汽輪機(jī)。超（超）臨界鍋爐的循環(huán)系統(tǒng)由內(nèi)置式啟動(dòng)分離器，儲(chǔ)水罐，啟動(dòng)再循環(huán)泵，下降管，下水連接管，水冷壁上升管及汽水連接管等組成。當(dāng)水冷壁出口的工質(zhì)是汽水兩相流時(shí)，分離器起到汽水分離的作用，將分離的蒸汽直接送至過(guò)熱器。儲(chǔ)水罐通過(guò)控制儲(chǔ)存水位為分離器提供較穩(wěn)定的工作條件。如果儲(chǔ)水罐水位過(guò)高，汽水分離裝置的正常工作就會(huì)受到破壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致蒸汽帶水增多，增加過(guò)熱器管壁上的結(jié)垢和影響蒸汽質(zhì)量。儲(chǔ)水罐的儲(chǔ)水為鍋爐的再循環(huán)提供水供給并對(duì)水冷壁起到一定的保護(hù)作用，如果儲(chǔ)水罐水位過(guò)低，水循環(huán)將遭到破壞，引起水冷壁管的破裂，嚴(yán)重時(shí)易燒干鍋，損壞儲(chǔ)水罐。儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥安裝在儲(chǔ)水罐出口處，通過(guò)調(diào)節(jié)排水流量對(duì)儲(chǔ)水罐水位進(jìn)行控制。

1.2 CFD 技術(shù)在閥門內(nèi)部流體流動(dòng)特性研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀

通常利用各類微分方程組來(lái)描述流體的流動(dòng)，而流體力學(xué)研究的就是怎樣來(lái)求解這些微分方程組。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)，英文全稱為 Computational Fluid Dynamics，因此通常被簡(jiǎn)稱為 CFD，，也被稱為數(shù)值計(jì)算。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)是以計(jì)算機(jī)為輔助工具，采用某種合適的計(jì)算方法來(lái)求解各種復(fù)雜問(wèn)題相應(yīng)的微分方程組，得到它們的離散化數(shù)值解。流體力學(xué)主要有以下三種研究方法，它們是 CFD 方法，理論計(jì)算方法以及實(shí)驗(yàn)研究方法，這三種方法相輔相成，共同完成了工業(yè)產(chǎn)品的研發(fā)和設(shè)計(jì)以及分析CFD，即數(shù)值計(jì)算，能夠模擬參數(shù)條件較復(fù)雜或者理想?yún)��?shù)下的工況，因此這種數(shù)值方法能夠擴(kuò)大試驗(yàn)的條件和范圍，并且能夠避免對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和研發(fā)意義和作用不大的試驗(yàn)，因此能夠減小試驗(yàn)的工作量，所以，CFD數(shù)值模擬也因此又有了一個(gè)新的稱呼，即數(shù)值實(shí)驗(yàn)。此外，利用 CFD 數(shù)值計(jì)算，可以生產(chǎn)成本，縮短產(chǎn)品的研發(fā)和設(shè)計(jì)時(shí)間。隨著計(jì)算機(jī)和計(jì)算流體力學(xué)理論的發(fā)展，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和研發(fā)中，CFD數(shù)值模擬越發(fā)體現(xiàn)出它的優(yōu)越性，因此現(xiàn)已成為工業(yè)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中的一種不可替代的設(shè)計(jì)手段和方法。比如，奧運(yùn)會(huì)中使用的“鱉魚皮”游泳衣，就是借助 CFD 數(shù)值模擬手段設(shè)計(jì)和研發(fā)出來(lái)的。在發(fā)達(dá)國(guó)家中，通常以數(shù)值模擬手段對(duì)一系列設(shè)計(jì)方案進(jìn)行預(yù)選，然后再通過(guò)少量的試驗(yàn)來(lái)對(duì)預(yù)選方案進(jìn)行校核，最后確定最終方案。這樣，就能夠減少試驗(yàn)次數(shù)，同時(shí)試驗(yàn)具有目的性和針對(duì)性。

許多發(fā)達(dá)國(guó)家在利用 CFD 技術(shù)分析閥門內(nèi)部流體流動(dòng)特性方面進(jìn)行了一定的研究，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)并已證實(shí)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) CFD 技術(shù)能夠用來(lái)指導(dǎo)閥門的設(shè)計(jì)和研發(fā)。Amirante 等人利用 CFD 技術(shù)以某調(diào)節(jié)閥為研究對(duì)象，對(duì)其內(nèi)部流體的流動(dòng)特性進(jìn)行了模擬，并將數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較和分析，證實(shí)了 CFD 技術(shù)在閥門設(shè)計(jì)中應(yīng)用的可行性.  Priyatosh  Baraian利用 CFD 技術(shù)對(duì)滑閥進(jìn)行了仿真，從仿真分析對(duì)閥門內(nèi)部重要部位產(chǎn)生的氣蝕現(xiàn)象進(jìn)行了分析。從研究結(jié)果得到了閥內(nèi)流場(chǎng)的壓強(qiáng)、速度分布和氣體體積分布圖，得到了閥體優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。M. BIELECKI 等人利用CFD技術(shù)以200MW機(jī)組調(diào)節(jié)閥為研究對(duì)象，對(duì)其內(nèi)部流體的流動(dòng)特性進(jìn)行了模擬，得到了閥門內(nèi)部蒸汽流動(dòng)對(duì)閥門產(chǎn)生變形的影響。Mazur 等人利用 CFD 技術(shù)以應(yīng)用于158MW機(jī)組中的截止閥為研究對(duì)象，對(duì)其內(nèi)部流體的流動(dòng)特性進(jìn)行了模擬，其內(nèi)部流體介質(zhì)為蒸汽-固體顆粒兩相流，得到了其在不同開度下的三維流場(chǎng)的可視化圖形。

第2章 儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥流體分析模型建立

本文對(duì)儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流體流動(dòng)特性的研究，要建立合理的 CFD模型，以及閥門在閥芯不同開度下的流道幾何模型和網(wǎng)格模型。

2.1  儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥流體分析 CFD 模型建立

在建立儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥流體分析 CFD 模型時(shí)，要參照儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流體流動(dòng)的實(shí)際物理模型來(lái)選擇合適的流體力學(xué)控制方程，湍流模型以及流體邊界條件，這樣才可以保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和真實(shí)性。 

2.1.1  儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥流體分析控制方程

質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律以及能量守恒定律被稱為流體力學(xué)的三大定律，而流體介質(zhì)的流動(dòng)必須要遵循這三大定律。它們是對(duì)流體介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一種數(shù)學(xué)描述。我們也稱這三大定律為流體動(dòng)力學(xué)的基本方程，即 Navier-Stokes方程。本文采用三維粘性不壓縮流體的控制方程組作為數(shù)學(xué)模型。直角坐標(biāo)系下，三維粘性不壓縮流體流動(dòng)的控制方程組為：

此方程也被稱為連續(xù)性方程，在這個(gè)方程中：p是流體介質(zhì)的密度，t是時(shí)間，u是速度矢量在 x 軸上的分量，v是速度矢量在 y 軸上的分量，w是速度矢量在z 軸上的分量。

2.2  儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥流體分析有限元模型的建立

超（超）臨界火電機(jī)組鍋爐儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥安裝在儲(chǔ)水罐出口處，通過(guò)調(diào)節(jié)儲(chǔ)水罐排水流量對(duì)儲(chǔ)水罐水位進(jìn)行控制，對(duì)于保證超（超）臨界火電機(jī)組鍋爐的安全運(yùn)行具有重要意義。本文所研究的儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥，采用角式結(jié)構(gòu)，兩級(jí)調(diào)節(jié)，第一級(jí)為柱塞結(jié)構(gòu)，第二級(jí)為節(jié)流孔板，閥芯最大行程67.6mm，工作介質(zhì)為汽水混合物，設(shè)計(jì)溫度為330℃，設(shè)計(jì)壓力為12.77Mpa，設(shè)計(jì)需要流通能力 180t/h，理想流量特性為等百分比特性。該儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2-1所示。

流體介質(zhì)從位于閥體左側(cè)的入口流入，閥桿與閥芯連接在一起，閥桿運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)閥芯沿直線上下運(yùn)動(dòng)，通過(guò)改變閥芯的開啟高度，來(lái)調(diào)節(jié)閥芯與閥座之間的流通面積，最后達(dá)到改變流量的目的。 

2.2.1  儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥流道幾何模型

本文采用三維建模軟件 SolidWorks 來(lái)建立儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥不同開度下的流道模型，模型的建立完全按照?qǐng)D紙進(jìn)行，這樣建立起來(lái)的模型更加真實(shí)，準(zhǔn)確，有利于數(shù)值仿真結(jié)果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。因?yàn)閮?chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場(chǎng)的對(duì)稱性，可以選取內(nèi)部流體的一半作為數(shù)值計(jì)算區(qū)域�？紤]到流體邊界條件的入口和出口處流體流動(dòng)單向而不產(chǎn)生回流，以符合實(shí)際物理模型，在閥門入口加裝長(zhǎng)度為入口直徑5倍的流道（約為900mm），在閥門出口加裝長(zhǎng)度為出口直徑 3 倍的流道（約為 720mm）。

第3章 儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流體流動(dòng)特性分析...............14

3.1  儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥流量特性分析....... 14

3.1.1  流動(dòng)模型的定義.......... 15

第4章 儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥流道結(jié)構(gòu)改進(jìn)................33

4.1  儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥流道結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題.......... 33

4.2  儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥流道結(jié)構(gòu)的改進(jìn)模型........... 33

第4章 儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥流道結(jié)構(gòu)改進(jìn)

4.1  儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥流道結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題

由上文的儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥在實(shí)際工況下的內(nèi)部流場(chǎng)的仿真分析得到，在該閥門開度較大時(shí)會(huì)在閥芯開啟處和節(jié)流孔板之間（靠近入口管道一側(cè)）產(chǎn)生較大的漩渦，這種漩渦的長(zhǎng)期存在，會(huì)對(duì)閥體的內(nèi)壁產(chǎn)生沖擊，減少閥體壽命，同時(shí)漩渦的存在也是閥門工作產(chǎn)生噪聲的主要原因，并可能引起閥門泄漏。因此，該儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)型線并不合理。因此對(duì)該儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn).

結(jié)論

本文以某超（超）臨界火電機(jī)組鍋爐儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥為研究對(duì)象，利用CFD 技術(shù)對(duì)其內(nèi)部流體的流動(dòng)特性進(jìn)行了研究，主要做了以下工作：

（1）介紹了儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥的工作原理，采用三維建模軟件SolidWorks建立儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥在閥芯不同開度下的流道幾何模型，采用 ICEM  CFD 建立該儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥在閥芯不同開度下的流道網(wǎng)格模型。

（2）采用ANSYS CFX對(duì)進(jìn)口壓力為1MPa，出口壓力為0MPa 時(shí)流體介質(zhì)為水的條件下內(nèi)部流體的流動(dòng)特性進(jìn)行仿真分析，得到儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥不同開度下的流阻系數(shù)和流量系數(shù)Kv，擬合儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥的理想流量特性曲線，得到該儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥理想流量特性為等百分比特性。

（3）對(duì)儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥實(shí)際工況下的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，得到流體壓力損失狀況及速度分布，并通過(guò)漩渦圖了解到在閥芯開啟處和二級(jí)節(jié)流孔板之間的流道內(nèi)的漩渦，為流道改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

（4）針對(duì)該閥門內(nèi)部流場(chǎng)的漩渦問(wèn)題，以擴(kuò)大閥體內(nèi)腔，減小閥體內(nèi)壁邊界傾斜度的原則對(duì)該儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提出相應(yīng)的改進(jìn)方案，并對(duì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的閥門在全開時(shí)的內(nèi)部流體的流動(dòng)進(jìn)行仿真分析，證明改進(jìn)后的方案基本消除了或減少了漩渦。

本文的研究為儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，也進(jìn)一步說(shuō)明了CFD 數(shù)值模擬在閥門設(shè)計(jì)中應(yīng)用的可行性。

展望：本課題研究的儲(chǔ)水罐水位調(diào)節(jié)閥具有兩級(jí)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，在閥芯開啟處和二級(jí)節(jié)流孔板之間的流道內(nèi)有較大的漩渦產(chǎn)生，針對(duì)這一問(wèn)題，提出了四種結(jié)構(gòu)改進(jìn)的方案，都使漩渦得到不同程度的減小，但對(duì)于減少漩渦的程度沒(méi)有一個(gè)定量的分析，這也是本課題需要繼續(xù)研究的地方。

參考文獻(xiàn)（略）