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凝水压力控制阀的设计与数值研究

发布时间:2021-07-19发布人:上海918博天堂阀门

引言 
    船用凝汽式汽轮机的凝水系统主要包括冷凝器、凝水泵、水位调节系统等设备。其中水位调节系统主要包括排水阀、回水阀、控制器等,用于调节冷凝器水位,以保证不同工况下冷凝器水箱水位维持恒定。
    凝水系统如图1所示。汽轮机排汽在冷凝器内部经冷却后凝结为凝水并进入冷凝器水箱,水箱底部设有管路联接至凝水泵,凝水经由凝水泵增压后进入凝水管路。排水阀与回水阀由控制器逻辑控制,当水位过高时,排水阀开启,回水阀关闭,将水箱内多余的凝水排出;当水位不变或过低时,排水阀关闭,回水阀开启,凝水经由回水阀回到冷凝器中,使冷凝器水箱水位保持恒定。


图1 凝水系统示意图


    在凝水系统中,由于凝水泵出口扬程较高,而冷凝器又处于真空环境,因此排水阀、回水阀设备前后的压差较大。在调节过程中当开度过大时,会使凝水泵的流量迅速增加、扬程大幅下降,当扬程低至一定程度时凝水泵会发生汽蚀现象,导致凝水无法排出,更加严重时会造成设备的损坏。因此在排水阀与回水阀入口或出口处通常需要加装节流孔板,以增大管路阻力,避免上述现象的发生。
    在凝水系统的调试过程中,工作人员往往采用固定式的节流孔板,即节流孔面积不可调,这就使得在调试中需要反复调整孔板大小,通过多次的试验方可确定最终孔板的大小,而每次的调整过程都需要关闭凝水泵,在节流孔板更换后进行重新开机,如此一来既增加了人力的投入,又占用了大量宝贵的调试时间,不利于快速有效的处理问题。根据上述存在的问题,本文提出了一种全新的设计———凝水压力控制阀,可通过手动在线调节,实现凝水管路阻力的连续变化,以快速寻找到最佳的节流效果。
    1 凝水压力控制阀的结构与计算
    1.1 凝水压力控制阀的设计要求
    根据凝水泵性能参数,凝水管路总流量为10t/h,控制阀入口处凝水扬程为90m。根据系统设计要求与的计算结果,控制阀应在流量基本维持不变的条件下使出口扬程达到50m左右,同时具备一定的扬程调节范围。
    1.2 凝水压力控制阀的结构
    根据以上设计要求,对凝水压力控制阀进行了结构设计,如图2所示。控制阀主要由壳体、阀套、滑阀等零件组成。凝水经由进口进入控制阀,通过两级窗口的节流后,由出口流出。两级节流窗口布置于阀套上,其中第二级窗口为可调节窗口,通过旋转顶部的螺纹带动滑阀上下移动,可改变其面积大小,从而实现对凝水压力的调节,控制阀总开度为10mm。


图2 凝水压力控制阀结构设计图


    1.3 凝水压力控制阀计算方法
    凝水压力控制阀的节流过程包括两个部分,第一级由固定窗口完成,第二级由可调窗口完成。根据伯努利方程,对于第一级固定窗口的节流过程有:
        (1)
    式中:G1—流过固定窗口的凝水流量;P0—凝水入口压力;P1—固定窗口后压力;ρ—凝水密度;F1—固定窗口面积;Φ—流量系数。
    同理,对于第二级可调窗口有:
        (2)
    式中:G2—流过可调窗口的凝水流量;P1—可调窗口前压力,即固定窗口后压力;P2—可调窗口后压力;ρ—凝水密度;F2—可调窗口面积;Φ—流量系数。
    对于整个控制阀,凝水在流经固定窗口与可调窗口时的流量保持相等,有流量守恒方程:
    G1=G2  (3)
    假设控制阀入口压力不随控制阀开度而发生改变,则P0=90m;根据调节窗口型线,可知不同开度下调节窗口的面积F2,带入式(1)~式(3)则可求得不同调节窗口开度下凝水流量和出口扬程的变化关系。 
    1.4 凝水压力控制阀计算结果
    由于联立方程本身并不封闭,因此需要再给出一定的边界条件。为考核凝水压力控制阀的调节性能,采用了两种计算方法:
    1)出口给定设计扬程,求得不同开度时的流量;
    2)给定设计流量,求得不同开度时的出口扬程。
    图3所示为出口扬程为50m时,控制阀在不同开度下的流量。由图3可以看出,随着阀门开度的不断增加,调节窗口面积持续增大,所通过流量也逐渐增大,最大流量约为12t/h。


图3 不同开度下的流量(出口扬程为50m)


    图4所示为流量保持10t/h不变时,不同开度下控制阀出口扬程。在开度4mm以下,由于调节窗口面积过小,控制阀无法达到10t/h,当开度在5~10mm时,出口扬程迅速增大,在调节窗口全开时,出口扬程达到最大,约为64m。    


图4 不同开度下的出口扬程(流量为10t/h)


    根据计算结果,在凝水流量为10t/h时,凝水压力控制阀的调节范围为0~64m;在控制阀开度为7mm时,其出口扬程为50m左右,达到了设计要求。
    2 凝水压力控制阀的数值模拟
    为考核凝水压力控制阀计算方法的准确性,运用CFD流体计算软件对计算模型进行数值模拟,计算不同窗口开度下的性能参数。根据凝水压力控制阀结构,建立三维计算模型,计算网格如图5所示。模型采用了四面体非结构化网格,网格总数约为50万。湍流模型采用标准κ-ε模型。边界条件为:入口给定总压,出口给定背压,壁面为绝热固壁。


图5 计算网格


    表1给出了调节窗口开度分别为4mm、7mm、10mm不同工况下的计算结果。


表1 凝水压力控制阀计算结果


    由表1可以看出,不同工况下理论公式计算结果与CFD模拟结果基本相同,充分说明凝水压力控制阀的计算结果是真实可信的。由于在理论计算公式中未能考虑到阀内部流场中的各种阻力与损失,包括进出口处的压力损失、流道折转所产生的湍流损失,因此与CFD计算结果相比存在一定的误差,由表1可知二者间的误差随窗口开度的增加逐渐较小。
    图6、图7所示分别为开度为7mm时,凝水压力控制阀剖面处的压力和速度分布,凝水在阀内部的压降主要集中于两级节流窗口,并在窗口处产生了较大的流速,其中最大流速出现于第一级窗口处,约为20m/s;在经过窗口后,高速流体与充满在阀腔内的低速流体充分混合,流速大幅降低;凝水在经过两级窗口后,由于节流的作用,压力逐渐降低,在出口处达到了设计扬程。


图6 剖面处的压力分布


图7 剖面处的速度分布


    3 结论
    1)为实现凝水系统压力的在线便捷调节,稳定凝水泵出口扬程及流量,设计了凝水压力控制阀。该阀采用了二级节流形式,可通过手动调节实现凝水压力的连续可调。
    2)采用理论公式得到了该阀的调节性能,根据计算结果,凝水压力控制阀的调节范围为0~64m(凝水流量为10t/h时),涵盖了所需调节凝水压力参数(P2=50m),可满足设计要求。
    3)采用CFD流体计算软件对控制阀进行了三维数值模拟,分析了阀内部的流场分布,结果表明理论计算与数值模拟结果基本一致,从而验证了计算的准确性。


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