一种基于CFD建模的主蒸汽隔离阀减振降噪方法研究

□傅仁浦 董玉领 刘德军 邱 磊 钟俊良 邱洪喻

一、背景概述

主蒸汽隔离阀为核电厂中的重要阀门之一，其安装在核辅助厂房内蒸汽发生器系统的主蒸汽管线上，在电厂稳态运行工况下，主蒸汽隔离阀保持在全开位置；除具备正常的开关功能之外，在所有预计的正常、异常或事故工况(主蒸汽管线破裂)下，在接到隔离信号后，主蒸汽隔离阀能够在规定时间内快速自动关闭，以起隔离作用，是电厂的关键敏感设备，阀门如无法关闭将导致二回路蒸汽大量失去，进而导致反应堆失去保护，阀门如异常关闭将导致机组停机。

国内某电厂主蒸汽隔离阀为气液联动平行闸阀，安全二级，为VVP系统主蒸汽管道主隔离阀，每台机组设计两台。自该电厂核电机组运行以来设备一直存在振动大和噪音高的问题，频繁造成阀门本身部分部件损坏，附近设备缺陷率高的情况。从维修优化管理、振动和噪音检测、预防性维修策略优化等多个方面，针对降低主蒸汽隔离阀振动和噪音工作进行改进完善、数据梳理及分析优化。同时先后两次与某设计院合作，利用计算流体动力学(COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS，简称CFD)建模方法，辅助采用三维湍流瞬态分离涡模拟(DES)方法进行计算，确定主蒸汽隔离阀喉径过小为阀门振动和噪音高的根本原因。而后结合对主蒸汽隔离阀结构和运行特点，依据CFD建模计算成果，首次制定阀座扩径处理方案。

二、基于CFD建模分析过程

(一)总体思路。电厂先后共开展了两次CFD建模，对现有阀门阀座的改进方向进行探索，首先满足国际通用的加拿大原子能公司Chalk River实验室模拟实验结果，即采取将闸阀上下游阀座做成15°，倾角延轴向长度应大于腔室宽度20%，可有效地减小噪音产生。在此条件下，多次尝试不同扩径尺寸方案，以获取降低阀门内部流速、旋涡脱落指标等参数数值，降低阀门振动和噪音影响，最终形成新阀座的初步设计方案。

(二)技术分析。

1.基于设备本身结构的研究分析。主蒸汽隔离阀的阀门流道采取了缩颈设计，其阀座喉径处直径为465mm，缩径率达58%，直接导致满功率时流道缩径处的流速达到88米/秒。普通闸阀的缩颈率应为75%～85%，推荐流速应在40～60米/秒。3/4#机组的阀门参数为74%和60米/秒，噪音约为80dB。

同时，因为湍流引起的压力扰动在介质中传播产生辐射噪声，主蒸汽隔离阀进出管口加上阀腔恰好组成类似哈特曼发生器的共振腔发声系统。喷注噪声功率与流速的8次方成正比，流速增大，发声并经过阀门及管道“扩音”传播。阀体腔室和锥形喇叭形成声共振腔，流体喷注激发处125Hz、250Hz、375Hz等有规则的声谐振频率，且锥形喇叭向两边进行声辐射，同时接收声波并将其放大，表现为振动加速度大，噪声高。

图1 主蒸汽隔离阀阀门本体部分的结构示意图

2.基于CFD建模的研究分析。计算流体动力学(CFD)建模的目的，先对改造前的主蒸汽隔离阀进行CFD稳态流场分析，获得最大流速。再根据加拿大原子能公司Chalk River实验室实验结果，保证新阀座具备15°倾角的条件下，在不改变与阀体接口尺寸的前提下，尝试多组不同尺寸阀座方案，进行CFD稳态流场分析以获得最大稳态流速。最后将改造前后的计算结果进行对比。之后，开展瞬态流场计算分析，得到改造前后阀门的瞬态流场，为后续阀门噪声和振动分析提供输入。根据瞬态流场分析结果，对阀门管道内的脉动压力、速度和涡量进行初步分析，以初步评估减振降噪效果最理想的新阀座方案。

CFD分析建模：根据改造前主蒸汽隔离阀图纸建立几何模型，为让计算中的流场充分发展将流动出口位置延长至管道直径的5倍，其几何模型和网格划分如图2所示，再选用不同阀座改进方案的尺寸，对模型标注红圈位置进行相应数据修改。

图2 主蒸汽隔离阀CFD模型和网格图放大图

物性参数、边界条件的录入，瞬态计算设置：在主蒸汽隔离阀流场中设置监测点，以监测CFD分析的收敛性和合理性。计算模型中的监测点位置如图3所示。在综合考虑计算精度要求与时间成本等条件下，选用三维湍流瞬态分离涡模拟(DES)模型进行计算稳态计算结果：经过计算机模拟计算，得到管道中截面速度分布云图和速度流线图。从稳态计算中可看出主蒸汽在隔离阀内的流动情况，主要是通过流道中心线流动，少部分流入阀体腔室，形成回流。改造前在阀座喉部缩径处最高流速达到约89.3m/s，当蒸汽流过喉径后，似一股射流冲入扩容室和扩口锥形管内。这种高速汽体射流在声学中称为“流体喷注”，这种流体喷注会引起较强的噪声，在声学中称为“喷注噪声”。

图3 主蒸汽隔离阀流场中的监测点位置(示意图)

对于改造前方案，最高流速为89.3m/s，发生在阀座喉部缩径处。对于改进后方案，当倾角15°时，在合适倾角长度下，最高流速可降低至82.7m/s，最高流速降低约7%。改进后方案最高流速均发生在改造后流道最窄处，即阀座喉部缩径边沿尖角处靠近改造的位置。

图4 主蒸汽隔离阀模型中截面上的速度流线图

瞬态计算结果：根据瞬态流场分析结果，对于改进前方案，最高流速对应于射流速度。关于旋涡脱落，旋涡脱落频率与空腔频率一致会造成较强的噪声。由于旋涡产生和脱落的位置在阀座喉部缩径的尖角处。从分析结果看，此处流速就是最高流速，影响旋涡脱落的频率。因此，最高流速相比平均流速更大地影响旋涡脱落引起的噪声。改进性阀座可使阀门内流场高速流动区域从整个缩颈处缩小到阀座尖角附近，可有效降低阀座上侧产生的旋涡数量和强度，对流场脉动压力、速度和涡量有一定的改善作用。对阀门管道内的脉动压力、速度和涡量进行数据化评比，得出理论上最佳阀座设计尺寸。

图5 主蒸汽隔离阀某时刻流场涡量云图

图6 主蒸汽隔离阀流场压力云图

3.最终改进方案的确定。某核电厂将新阀座初步方案及CFD建模分析数据，与主蒸汽隔离阀制造厂家进行技术交流，厂家针对新阀座方案及现有阀门再次进行CFD建模分析，认可我厂的阀座优化方案，同时根据厂家的CFD建模计算结果，对新方案阀座的细节尺寸进行优化，最终形成该核电厂主蒸汽隔离阀扩径阀座方案图。

图7 原主蒸汽隔离阀阀座尺寸图8 改造后主蒸汽隔离阀阀座尺寸

通过CFD的结果，主蒸汽隔离阀制造厂家认为该新型可以降低压力震荡的振幅，会降低现场的噪音。同时改善流场及流速变化，具体对比如图9所示。

图9 改造前的MISV流速分布/新型阀座的流速分布

同时主蒸汽隔离阀制造厂家对阀座改进后的阀座阀瓣接触力进行了复核计算，30%开度以内时略高于原阀门受力；在30%开度至全关，受力均小于现有的阀门，满足ANSI B16.41要求。

三、改进方案的实施和效果评定

某核电厂1、2号机组4台主蒸汽隔离阀分别于2018年及2019年，执行主蒸汽隔离阀阀座扩径改造。

扩径改造完成后，对阀门的运行状态持续进行监督，阀门的振动和噪音值均比扩径改造前有明显降低，阀门故障率也显著减少。2019年10月，对首先执行扩径改造的1台主蒸汽隔离阀进行解体工作，阀板、阀座等部件完好无损伤，以验证技改执行后，阀门内部组件实际良好的运行效果。

经过扩径改造的首批阀门已安全稳定运行30个月，振动和噪音均有明显降低，解体检查未发现扩径前曾出现的各种缺陷，扩径改造项目圆满成功。

表1 1#机组主蒸汽隔离阀噪音测量结果

四、项目的应用及推广前景

基于CFD建模分析结果的主蒸汽隔离阀扩径方案成功实施证明，针对缩颈、孔板等机械设计方面需改造优化的情况下，通过瞬态流场建模计算分析时，在无法降低平均流速时，更加关注因流道设计产生流体旋涡脱落现象的变化情况，通过多种流道设计对比尽可能降低最高流速对流体旋涡脱落的影响。对管道流体设计中涉及缩颈处的具体设计方案有较大的指导意义。

五、结语

本研究项目基于核电工程实践，重要工艺位置阀门类设备，长时间存在设计缺陷导致设备运行状况不稳定，基于大量现场实测数据和运行经验，尝试成熟的流体力学建模计算方法与传统经典工业设备相融合，创新性地引入改变阀腔内缩颈部件尺寸方法，彻底解决困扰生产企业的技术难题。

本研究项目成果在某核电厂1、2号机组主蒸汽隔离阀得到了实际验证，达到了预期效果。整个项目研究过程中，所用到的计算工具、研究方法和问题解决方案，可以为国内乃至国外核电机组提供参考或借鉴，为国内流体工艺系统中过流设备振动及噪音问题提供一个新颖有效的解决方案。