气动疏水阀冲蚀工况数值模拟及结构优化

徐亮亮，王正东，于新海，曾 聪

(华东理工大学 承压系统与安全教育部重点实验室，上海 200237)

气动疏水阀冲蚀工况数值模拟及结构优化

徐亮亮，王正东，于新海，曾 聪

(华东理工大学 承压系统与安全教育部重点实验室，上海 200237)

采用Eulerian-Lagrangian多相流模型对Y型气动疏水阀的内部流场进行了模拟分析。通过将模拟结果与现场运行的阀门的实际状况进行对比验证了模拟的准确性。研究发现阀门密封处液滴速度大于破坏阈值速度，此处冲蚀损伤严重。为减低阀门冲蚀损伤，提出通过阀内流体中液滴对撞来降低液滴速度方法。基于此思想，在疏水阀密封封面前加装节流套装置。发现液滴速度下降了52%，冲蚀损伤大幅下降且位置远离密封面，但质量流量下降到无节流装置的56.5%。为了提高质量流量，进而提出采用循环对流式迷宫式盘片组件作为阀芯的设计。模拟计算发现阀门液滴最大速度为78.6 m/s，仅为无盘片阀门的46%，同时的质量流量为未加盘片阀门的78.2%。采用循环对流式迷宫式盘片组件作为阀芯的疏水阀适用于冲蚀严重的工况。

疏水阀；CFD；冲蚀；数值模拟

1 前言

对于火电机组启停过程中，高温蒸汽与主蒸汽金属管壁接触时，凝结产生的水需及时排出，否则将引起冲蚀破坏[1]。蒸汽疏水阀是进行排水的主要设备[2，3]，它的质量直接影响到机组的安全运行和经济性[4]。于海波等采用CFD软件，建立了两相流模型，利用模拟计算说明了闪蒸现象对再热器疏水阀造成的危害与影响，讨论了减小闪蒸破坏的方法及预防手段[5]。E.Bigliardi等采用CFD方法对压力调节阀多相流进行了模拟计算，主要研究了气泄漏、汽蚀以及湍流对阀门流量特性的影响[6]。目前，在调节阀两相流冲蚀研究方面几乎未见相关报道。

蒸汽系统疏水调节阀的工作原理如图1所示。火电主蒸汽疏水调节阀主要应用于亚临界、超临界和超超临界机组主蒸汽管道内水和气体的排放。亚临界机组主蒸汽管道的典型参数为：主蒸汽压力16.7 MPa，主蒸汽温度538 ℃。超临界机组蒸汽系统的主蒸汽压力22.1 MPa，主蒸汽温度为538～560 ℃。超超临界机组的主蒸汽管道的压力可达25～31 MPa，主蒸汽温度可达580～610 ℃。在如此高温的恶劣工况下[7]，主蒸汽疏水调节阀的阀芯和阀座等部件容易遭受严重的冲蚀破坏。

在机组正常运行时，管道内的介质为过热蒸汽，不产生疏水，疏水系统处于关闭状态，防止高温高压的蒸汽泄漏，减少蒸汽的损失。而在火电机组启动阶段的暖管过程中，系统管道内的温度会经历一个由低到高的过程，在此过程中管道内存在饱和水。在疏水阀疏水过程中，管道内的饱和水会在高速蒸汽的裹挟下形成液滴并高速运动，撞击到疏水阀内部构件，造成阀门的损伤，降低阀门的使用寿命。如何降低液滴的冲蚀对阀门内部构件尤其是密封面处的损伤，提高疏水阀的使用寿命是疏水阀设计的核心问题。

本文以某公司提供的型号为SY4500的气动Y型疏水调节阀为研究对象，通过计算流体动力学(CFD)模拟，研究了液滴冲蚀损伤阀门的规律。进而提出两种减弱液滴冲蚀的结构，本文研究对于存在液滴冲蚀损伤的疏水阀的可靠性的提高具有重要的意义。冲蚀破坏如图2所示。

图2 气动Y型疏水阀冲蚀损坏实物

2 气动Y型疏水阀结构及流道模型的建立

2.1 疏水阀结构与建模

图3为气动Y型疏水阀流道结构三维示意。在CFD模拟计算时，疏水阀的入口和出口分别连接直管段，其长度为阀门入口处直径的5倍。为模拟计算阀门出口处的临界流流场，阀门出口管直管段接入一个三面开口的大容器[8]。此大容器的直径为出口处直径的5倍。

图3 气动疏水阀结构示意

2.2 网格划分

CFD计算采用商业软件CFX。阀门计算模型网格使用软件ANSYS ICEM 进行划分。Y型疏水阀节流部分结构较为复杂，节流头和管路间的相贯线较难处理，因此该部分采用非结构化网格划分。由于出口、入口段直管和大容器尺寸较大，若采用非结构化网格进行划分，网格的数量将变得很大。另一方面，由于本文所使用的是Eulerian-Lagrangian多相流模型，跟踪大数目的颗粒时，计算代价很大。为削减网格数量，本文采用混合式网格，即疏水阀流道部分采用非结构化网格进行划分，直管段及大容器部分采用结构化网格进行划分。划分的网格如图4所示，结构化网格和非结构化网格之间用interface连接。

(a)

(b)

2.3 数值模拟边界条件

该疏水阀的设计压力为27 MPa，设计温度为576 ℃。在此温度条件下，蒸汽不会液化成水，由于本文模拟的是系统启动暖管过程管道中水蒸气夹带液滴对阀门的冲蚀损坏，因此，在本文的模拟中，根据机组启动阶段工况温度选择为300 ℃，阀门入口压力为9 MPa。不考虑流体间的热传递，采用等温模型，即不求解能量输运方程。如要较为全面考虑动能等方面的影响应采用总能传热模型。为说明采用等温模型对本文冲蚀问题的研究是可行的。对阀门入口条件为304.2 ℃蒸汽分别采用这两种传热模型进行模拟计算，得到气相速度场如图5所示，从图5中可以看出，等温模型与总能模型计算所得气相最大速度分别为834.2 m/s与839.9 m/s，相差甚微，并且2种传热模型计算所得阀内气相速度分布场，尤其是阀门密封面附近的速度分布，几乎一致。考虑到复杂工况采用总能模型计算难以实现，本文采用等温模型进行后续定性研究。此外，流体的湍流模型选用k-ε模型。入口湍流强度设定为5%。出口大容器的3个面采用开口静压条件，静压为2 MPa。液滴于入口随机均匀喷入，模拟中将液滴喷入的位置设为20个。Eulerian-Lagrangian多相流模型适用于颗粒相含量为10%以下的工况，设定液滴喷入的质量流量以保证阀门流体中液滴含量在10 %以下。给定液滴喷入的速度为15 m/s。壁面采用无滑移壁面边界条件。

(a)等温模型

(b)总能模型

在CFX商业软件中用平行恢复系数和法向恢复系数来描述颗粒撞击壁面的行为。平行恢复系数均为1代表完全弹性碰撞。由于疏水阀实际泄放时液滴碰撞阀门壁面并附着在管道表面形成一层液膜，所以本文颗粒相的平行恢复系数设为1，法向恢复系数设为0。

3 模拟结果分析

3.1 网格无关性

为获得较为经济的网格，本文对研究对象进行网格无关性研究，阀门开度为50%且在相同工况下的网格无关性计算结果表1所示。当网格数从598397上升到2245319时，近壁面最大液相速度从34.9 m/s略微下降到33.8m/s，下降的数值可以忽略。考虑到计算结果的精度，选用网格3进行后续计算。

表1 不同网格计算结果

3.2 阀门冲蚀

图6为疏水阀100%开度下阀门颗粒轨迹云。

图6 100%开度下液滴的运动轨迹云图

从图6可以看出，液滴在近密封面处速度达到170.3 m/s，部分液滴在此处撞击到壁面，形成液膜[9]。Kenndy等研究了水滴撞击破坏碳钢的阈值约为120 m/s[10]。当液滴撞击速度V低于水滴撞击破坏阈值速度Vth时，材料不发生冲蚀。当V高于Vth时，冲蚀导致的重量损失W和V有如下关系[11]。

W∝(V-Vth)2.5

(1)

此时密封面处的速度已经高于该阈值，表明该处会出现严重的冲蚀损伤。实际工况中，液滴冲击到壁面形成的液膜可能从壁面脱离后再次进入到蒸汽中。但此过程非常复杂，本文并未对其模拟。虽然如此，但如图6所示，模拟计算结果显示最大的冲蚀破坏位置与实际运行的疏水阀的冲蚀破坏的位置(如图2)是一致的。本文所采用的模拟计算方法对于定性地研究阀门结构设计和工艺参数对疏水阀的冲蚀损伤破坏的影响规律是足够正确的。

另外，由于锅炉过热器受热冲击在管内侧发生氧化剥落，以及蒸汽导管的焊渣、残留物的接入等，不可避免地会在系统管路的饱和水中混入一些微小的颗粒物。一些研究者采集锅炉和过热器疏水的试样，间接分析了固体颗粒粒度分布情况，表明绝大部分颗粒的尺寸范围小于100μm[12～13]。湿蒸汽中包含有微颗粒，材料的破坏形式和破坏程度都将发生改变。研究发现，当颗粒粒径大于6.5μm时，微颗粒的磨削为材料表面的主要破坏形式[14～17]。微颗粒的存在造成材料表面损伤加剧，Vth数值大幅下降。所以，降低液滴的速度对于降低疏水阀的冲蚀损伤是十分重要的。

4 降低液滴冲蚀损伤的设计

4.1 采用节流套装置降低冲蚀损伤

采用节流套结构的阀门结构如图7所示，该节流装置为三级节流套筒结构。节流结构非常类似拜占庭式建筑的屋顶，为一圆柱体加一个穹顶,在穹顶下方对开有圆柱形的小孔,节流装置内流体流动路径如图8所示。

图7 节流套式疏水阀结构示意

图8 节流套内流体流动路径示意

当流体流经节流装置时，流体从小孔中喷出到流道壁面，然后在经过对撞汇聚后进入到下一级的节流装置。此节流装置的特点是通过流体和流体的对撞来降低流体的速度，这样就减轻了流体和金属壁面对撞的程度，大幅降低液滴的冲蚀损伤。

对加装节流套装置的疏水阀进行了模拟，设定的压差、温度、开度等条件与前述未有节流套装置的阀门模拟一致。从图9中可以看出，无节流装置气相最大速度为896.5 m/s，出现位置为阀门出口管道靠后处，加装节流装置后，阀门内部气相最大速度为771.7 m/s，出现位置为阀门出口管道靠前处，此时气相速度明显下降。这是由于在节流套内，流体每流经一级节流孔道都会在中间交汇处产生对撞，流体间碰撞摩擦而损耗动能，从而有效降低了流体速度。

图9 疏水阀气相速度云图

如图10所示，存在节流装置阀门内部的液滴最大速度为81.8 m/s，出现的位置为节流装置的开孔处。与图6中无节流套装置阀内液滴最大速度170.3 m/s相比，液滴速度下降了52%。根据式(1)，液滴速度的降低使得冲蚀损伤大幅下降。在阀门实际疏水过程中，液滴高速撞击节流套壁面将会在壁面形成一层液膜，液膜汇聚脱离壁面；再次形成的液滴在蒸汽的带动下运动，再进入下一级节流套时发生对撞降速。所以，带有节流套装置的疏水阀中冲蚀严重位置不是阀门密封面，这使得阀门的使用寿命显著提高。在密封面前加装节流套装置是一种有效降低疏水阀冲蚀损伤的方法。将节流装置实际安装在疏水阀中，在电厂实际应用，未加节流装置的疏水阀6个月即出现如图2的密封面损伤，阀门出现大量的蒸汽泄露；加装节流装置后，阀门稳定运行2年，未观察到明显的蒸汽泄露。但采用此节流套装置存在一个明显的缺点，即疏水阀的流量会下降,加装节流装置阀门质量流量为1.3 kg/s，为无节流套阀门质量流量的56.5%。所以如何优化节流套的设计，降低液滴速度的同时保证阀门的流量是一个亟待解决的问题。

图10 加装节流套疏水阀内液滴速度云图

4.2 采用迷宫式盘片降低冲蚀损伤

循环对流式迷宫式盘片及加装该盘片的疏水阀结构如图11，12所示。阀腔共由4个循环对流式盘片通过扩散焊焊接而成。在阀腔构成的中心通道上安装有实心的阀杆,通过阀杆的运动控制阀门的开度,每个盘片上开有类似于迷宫的流道，当流体经过盘片组件时，流体由内圈上流道流入，经层层弯折流道后，在外圈流道流出。可见流体在盘片上流动时将经过多次转折和对撞。

图11 循环对流式迷宫盘片及局部流动路径示意

图12 迷宫式疏水阀结构

如图13，无盘片时，阀内气相最大速度为896.5 m/s；加装迷宫盘片后，阀内气相最大速度大幅降为518.9 m/s。对比密封面附近气相速度，加装盘片时为173 m/s左右，仅为无盘片时的56%。当流体经过迷宫盘片流道时，由于流体间对撞能量损耗，使得流体在盘片上的速度始终处于50～200 m/s这一较低的数值范围。如图14，加装迷宫盘片后，阀门液滴最大速度为78.6 m/s，仅为无盘片阀门的46%，所以在阀芯处加装迷宫盘片组件能有效降低阀门冲蚀损伤。此78.6 m/s的最大液滴速度小于前述带有节流套结构阀门的最大液滴速度81.8 m/s，表明迷宫式盘片形式的疏水阀比带有节流套的疏水阀耐冲蚀效果更好。但采用迷宫式盘片同样如节流套结构一样会降低疏水阀的流量。加装迷宫盘片阀门质量流量为1.8 kg/s，为阀门质量流量的78.2%,此1.8 kg/s的流量高于带有节流套装置阀门的流量1.3kg/s，加装迷宫盘片阀门的流通能力明显大于带有节流套的阀门。所以，采用循环对流式迷宫式盘片组件作为阀芯对于疏水阀是一种抗冲蚀的理想设计。但需要说明的是，采用扩散焊工艺加工结构复杂的循环对流式迷宫式盘片会造成阀门制造成本的上升，所以此类阀门适用于冲蚀非常严重的工况中。

图13 疏水阀气相速度云图

图14 迷宫式疏水阀内液滴运动轨迹云图

5 结语

Y型疏水阀门密封处液滴速度大于破坏阈值速度，此处冲蚀损伤严重,为减低阀门冲蚀损伤，通过阀内流体中液滴对撞来降低液滴速度的方法是一种有效的方法。基于此，首先考虑在疏水阀密封封面前加装节流套装置，模拟发现液滴速度下降了52%，冲蚀损伤大幅下降且位置远离密封面，但质量流量下降到无节流装置的56.5%。为了提高质量流量，提出采用循环对流式迷宫式盘片组件作为阀芯的设计，模拟发现阀门液滴最大速度为78.6 m/s，仅为无盘片阀门的46%，同时的质量流量为未加盘片阀门的78.2%，采用循环对流式迷宫式盘片组件作为阀芯的疏水阀适用于冲蚀严重的工况。

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Numerical Simulation on Erosion of Pneumatic Drain Valve and optimization on structure

XU Liang-liang,WANG Zheng-dong,YU Xin-hai,ZENG Cong

(Key Laboratory of Pressure Systems and Safety,Ministry of Education,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China)

In this paper,numerical simulations on Y type pneumatic drain valve were carried out using Eulerian-Lagrangian model.The simulation results were verified by the experimental ones.It was found that the droplet velocity close to the sealing surface exceeds the threshold values,resulting in serious erosion.To lower down the extent of erosion,a method that a collision of droplets causes a decrease in droplet velocity was proposed.In this way,a throttling unit was assembled inside the Y type pneumatic drain valve and its performance was simulated.The results showed that the maximum droplet velocity decreases by 52% and therefore the erosion is alleviated significantly.However,the flowrate declines up to 56.5% of the valve without the throttling unit.To increase the flowrate,a throttling unit with several plates featuring maze-like channel on the plates was proposed as the vale disk.The simulation results showed that the maximum droplet velocity is 78.6 m/s,46% of the value for the valve without the throttling unit.The flowrate can achieve 78.2% of the value for the valve without the throttling unit.It can be concluded that the Y type pneumatic drain valve with a disk that features maze-like channel on the plates is applicable to serious erosion operating conditions.

drain valve;CFD;erosion;numerical simulation

1005-0329(2017)02-0032-06

2016-04-11

2016-05-25

TH138.52

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.02.007

徐亮亮(1991-)，男，硕士研究生，主要从事阀门两相流冲蚀模拟的研究，通讯地址：200237 上海市梅陇路130号华东理工大学机械与动力工程学院承压系统与安全教育部重点实验室实验17楼621室，E-mail: xll2016ecust@163.com。