【摘要】 本文研究的儲水罐水位調(diào)節(jié)閥安裝在超（超）臨界火電機組鍋爐系統(tǒng)中，具有閥芯和二級節(jié)流孔板兩級調(diào)節(jié)機構(gòu)，該種類閥門在工作過程中，易于在閥芯和二級節(jié)流孔板之間流道內(nèi)出現(xiàn)漩渦，如果這種漩渦長期存在，將對閥體的內(nèi)壁產(chǎn)生沖擊，大大減少閥體壽命，影響整體機組的安全，同時也是閥門工作產(chǎn)生噪聲的主要原因，并可能引起閥門泄漏。因此對超（超）臨界火電機組鍋爐儲水罐水位調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流體流動特性的研究具有重要的意義。調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流體流動特性體現(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)對其內(nèi)部流體的流動特性進(jìn)行了研究，改進(jìn)設(shè)計了流道結(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對進(jìn)口壓力為1MPa，出口壓力為0MPa時流體介質(zhì)為水的條件下內(nèi)部流體的流動特性進(jìn)行仿真分析；對儲水罐水位調(diào)節(jié)閥實際工作狀況下的內(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節(jié)流孔板之間的流道內(nèi)的漩渦產(chǎn)生情況，對不同開度下的內(nèi)部流體的流動進(jìn)行了仿真分析，為流道改進(jìn)設(shè)計提供了依據(jù)。針對該閥門內(nèi)部流場的漩渦問題，以擴大閥體內(nèi)腔，減小閥體內(nèi)壁邊界傾斜度的原則對該儲水罐水位調(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，并對結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的閥門在全開時的內(nèi)部流體的流動進(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。本文的研究為儲水罐水位調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論依據(jù)，也進(jìn)一步說明了CFD數(shù)值模擬在閥門設(shè)計中應(yīng)用的可行性。 

第 1章 緒論

1.1  課題來源及研究的背景意義

1.1.1  課題來源

本課題來源于科技部國際合作項目：超（超）臨界火電機組關(guān)鍵閥門國產(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)電機組工作效率為目標(biāo)，我國大力發(fā)展和推廣超（超）臨界技術(shù)。近幾年，我國對于超（超）臨界火電機組的研發(fā)、生產(chǎn)以及實際工作運行都可以獨立進(jìn)行，基本掌握超（超）臨界火電機組的各方面技術(shù)。百萬千瓦超（超）臨界機組占據(jù)我國火力發(fā)電機組的主要部分，我國火電機組的設(shè)計、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，生產(chǎn)技術(shù)不先進(jìn)，生產(chǎn)的閥門可靠性低，特別是火電機組高端閥門長時期依靠進(jìn)口，尤其是重要的調(diào)節(jié)閥、安全閥。閥門行業(yè)發(fā)展滯后不利于我國電站事業(yè)的發(fā)展，使我國電力建設(shè)成本大大增高。

超（超）臨界鍋爐是超（超）臨界火電機組的重要能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，它通過煤的燃燒，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。超（超）臨界鍋爐的循環(huán)系統(tǒng)由內(nèi)置式啟動分離器，儲水罐，啟動再循環(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，分離器起到汽水分離的作用，將分離的蒸汽直接送至過熱器。儲水罐通過控制儲存水位為分離器提供較穩(wěn)定的工作條件。如果儲水罐水位過高，汽水分離裝置的正常工作就會受到破壞，嚴(yán)重時會導(dǎo)致蒸汽帶水增多，增加過熱器管壁上的結(jié)垢和影響蒸汽質(zhì)量。儲水罐的儲水為鍋爐的再循環(huán)提供水供給并對水冷壁起到一定的保護作用，如果儲水罐水位過低，水循環(huán)將遭到破壞，引起水冷壁管的破裂，嚴(yán)重時易燒干鍋，損壞儲水罐。儲水罐水位調(diào)節(jié)閥安裝在儲水罐出口處，通過調(diào)節(jié)排水流量對儲水罐水位進(jìn)行控制。

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

通常利用各類微分方程組來描述流體的流動，而流體力學(xué)研究的就是怎樣來求解這些微分方程組。計算流體動力學(xué)，英文全稱為 Computational Fluid Dynamics，因此通常被簡稱為 CFD，，也被稱為數(shù)值計算。計算流體動力學(xué)是以計算機為輔助工具，采用某種合適的計算方法來求解各種復(fù)雜問題相應(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，理論計算方法以及實驗研究方法，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)計以及分析CFD，即數(shù)值計算，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)值方法能夠擴大試驗的條件和范圍，并且能夠避免對產(chǎn)品的設(shè)計和研發(fā)意義和作用不大的試驗，因此能夠減小試驗的工作量，所以，CFD數(shù)值模擬也因此又有了一個新的稱呼，即數(shù)值實驗。此外，利用 CFD 數(shù)值計算，可以生產(chǎn)成本，縮短產(chǎn)品的研發(fā)和設(shè)計時間。隨著計算機和計算流體力學(xué)理論的發(fā)展，在產(chǎn)品設(shè)計和研發(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)計和生產(chǎn)中的一種不可替代的設(shè)計手段和方法。比如，奧運會中使用的“鱉魚皮”游泳衣，就是借助 CFD 數(shù)值模擬手段設(shè)計和研發(fā)出來的。在發(fā)達(dá)國家中，通常以數(shù)值模擬手段對一系列設(shè)計方案進(jìn)行預(yù)選，然后再通過少量的試驗來對預(yù)選方案進(jìn)行校核，最后確定最終方案。這樣，就能夠減少試驗次數(shù)，同時試驗具有目的性和針對性。

許多發(fā)達(dá)國家在利用 CFD 技術(shù)分析閥門內(nèi)部流體流動特性方面進(jìn)行了一定的研究，通過研究發(fā)現(xiàn)并已證實計算流體動力學(xué) CFD 技術(shù)能夠用來指導(dǎo)閥門的設(shè)計和研發(fā)。Amirante 等人利用 CFD 技術(shù)以某調(diào)節(jié)閥為研究對象，對其內(nèi)部流體的流動特性進(jìn)行了模擬，并將數(shù)值模擬計算結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行比較和分析，證實了 CFD 技術(shù)在閥門設(shè)計中應(yīng)用的可行性.  Priyatosh  Baraian利用 CFD 技術(shù)對滑閥進(jìn)行了仿真，從仿真分析對閥門內(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)流場的壓強、速度分布和氣體體積分布圖，得到了閥體優(yōu)化設(shè)計的理論依據(jù)。M. BIELECKI 等人利用CFD技術(shù)以200MW機組調(diào)節(jié)閥為研究對象，對其內(nèi)部流體的流動特性進(jìn)行了模擬，得到了閥門內(nèi)部蒸汽流動對閥門產(chǎn)生變形的影響。Mazur 等人利用 CFD 技術(shù)以應(yīng)用于158MW機組中的截止閥為研究對象，對其內(nèi)部流體的流動特性進(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的可視化圖形。

第2章 儲水罐水位調(diào)節(jié)閥流體分析模型建立

本文對儲水罐水位調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流體流動特性的研究，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  儲水罐水位調(diào)節(jié)閥流體分析 CFD 模型建立

在建立儲水罐水位調(diào)節(jié)閥流體分析 CFD 模型時，要參照儲水罐水位調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流體流動的實際物理模型來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)確性和真實性。 

2.1.1  儲水罐水位調(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)的流動必須要遵循這三大定律。它們是對流體介質(zhì)運動的一種數(shù)學(xué)描述。我們也稱這三大定律為流體動力學(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的控制方程組為：

此方程也被稱為連續(xù)性方程，在這個方程中：p是流體介質(zhì)的密度，t是時間，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）臨界火電機組鍋爐儲水罐水位調(diào)節(jié)閥安裝在儲水罐出口處，通過調(diào)節(jié)儲水罐排水流量對儲水罐水位進(jìn)行控制，對于保證超（超）臨界火電機組鍋爐的安全運行具有重要意義。本文所研究的儲水罐水位調(diào)節(jié)閥，采用角式結(jié)構(gòu)，兩級調(diào)節(jié)，第一級為柱塞結(jié)構(gòu)，第二級為節(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)計溫度為330℃，設(shè)計壓力為12.77Mpa，設(shè)計需要流通能力 180t/h，理想流量特性為等百分比特性。該儲水罐水位調(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，閥桿運動帶動閥芯沿直線上下運動，通過改變閥芯的開啟高度，來調(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 來建立儲水罐水位調(diào)節(jié)閥不同開度下的流道模型，模型的建立完全按照圖紙進(jìn)行，這樣建立起來的模型更加真實，準(zhǔn)確，有利于數(shù)值仿真結(jié)果的真實性和準(zhǔn)確性。因為儲水罐水位調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場的對稱性，可以選取內(nèi)部流體的一半作為數(shù)值計算區(qū)域�？紤]到流體邊界條件的入口和出口處流體流動單向而不產(chǎn)生回流，以符合實際物理模型，在閥門入口加裝長度為入口直徑5倍的流道（約為900mm），在閥門出口加裝長度為出口直徑 3 倍的流道（約為 720mm）。

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

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

3.1.1  流動模型的定義.......... 15

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

4.1  儲水罐水位調(diào)節(jié)閥流道結(jié)構(gòu)存在的問題.......... 33

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

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

4.1  儲水罐水位調(diào)節(jié)閥流道結(jié)構(gòu)存在的問題

由上文的儲水罐水位調(diào)節(jié)閥在實際工況下的內(nèi)部流場的仿真分析得到，在該閥門開度較大時會在閥芯開啟處和節(jié)流孔板之間（靠近入口管道一側(cè)）產(chǎn)生較大的漩渦，這種漩渦的長期存在，會對閥體的內(nèi)壁產(chǎn)生沖擊，減少閥體壽命，同時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，該儲水罐水位調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)型線并不合理。因此對該儲水罐水位調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn).

結(jié)論

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

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

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

（4）針對該閥門內(nèi)部流場的漩渦問題，以擴大閥體內(nèi)腔，減小閥體內(nèi)壁邊界傾斜度的原則對該儲水罐水位調(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，并對結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的閥門在全開時的內(nèi)部流體的流動進(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。

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

展望：本課題研究的儲水罐水位調(diào)節(jié)閥具有兩級調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，在閥芯開啟處和二級節(jié)流孔板之間的流道內(nèi)有較大的漩渦產(chǎn)生，針對這一問題，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，但對于減少漩渦的程度沒有一個定量的分析，這也是本課題需要繼續(xù)研究的地方。

參考文獻(xiàn)（略）