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                安全阀开启高度对蒸汽排放能力影响计算公式
                发布时间:2023/7/10



                针对应用于动力锅炉超压保护装置的蒸汽安全阀,为了满足ASME第Ⅰ卷对其超过压№力、启闭压差等性能指标的规定和要求,应用于此工况的蒸汽安全阀多采用双调节环结构。针对此 类蒸汽安全阀双调节环的特殊流道结构,建立可压缩流场计算模型,利用数值模拟与试卐验相结合的方法,研究其开启高度对排放能力的影响规律,为后期双调节环蒸汽安全阀流道结构优化提供指导。


                01 概述
                安全阀是锅炉、压力容器、压力管道等承压】设备不可缺少的一种安全装〗置,用来防止系统压力超过允许的极限值,以确保系统的安全运行。其中采用双调节↑环结构的蒸汽安全阀应用于高温高压蒸汽工况,主要应用于火电、核电等□ 重要场所,有着巨大的市场需求,在目⌒前公开发表的文献中,关于此类安全阀的研究工作还较少,因此很有必要对其开展基础研究。为了保证安全阀实现超压保护的功能,必◆须具备足够的排放能力,而开启高度是影响安全阀排放能力的主要因素之一Ψ 。本文利用CFD仿真软件,通过数值模拟◎及试验相结合的方法,深入研究双调节环蒸汽安全阀开启高度对其排放能力的影响规律及其机理。

                02 计算模型的建立
                2.1 求解域的选择
                根据双调节环蒸汽安全阀排放机理,确¤定仿真研究的流场区域为从安全阀入口到安全阀出口由阀座、阀瓣、上下调节⊙环、衬套、导套和阀体等零件所构成的三维空间,如图1所示。

                图1 双调节环蒸汽安全阀
                为了减少计算量,对流场区域进行『了简化,整个流场区域从几何形状上看,相对于X-Y面是∞对称的々,可以确定整个流动状态也是面对称的,因此,计算域只取一半的流场空间区域,如图2所示。

                图2 安全阀内部流场区域
                2.2  湍流模型的选择
                湍流数值模拟方法可以分为直接数值模拟和█非 直接数值模拟2种方法。直接数值模拟方法论上计算结果精度很高,但相应♀的计算量巨大,现有计算能力无法满足,所以目前还无法用于真正意义上的工程计算。在非直接数值模拟方法中,根据近似和简化的方法不同,主要分为大涡模拟方法、Reynolds平均法和≡统计平均法。目前,Reynolds平均法中的涡粘模型方程法在工程应用中最为广泛,获得的计算结果在工业上的很多相关流动中得到了证实,其中主要模型是标准k-ε模型、改进型RNGk-ε模型 和Realizable k-ε模型。根据陈殿←京博士文献中关于不同k-ε模型对于气体介质安全阀内部流场适用性的研究〖〖,最终明确使用标准k-ε模型和Realizable k-ε模型更适用于安全阀内流场研究。在数值模拟方面,运用其研究成】果,将 Realizable k-ε模型作为湍流模型。

                2.3 边界条件
                所有的CFD问题都需要有¤边界条件,对于瞬态问题还要有初始条件№。流场的解法不同,对于边界条件和初始条件的处理方式也不同。所谓的边界条件,是指在求解域的边界上所求解的变量或者其一阶倒数随地点及时╳间变化的规律。只有给定了合理的边界条件,问题才可以解决。

                本文中安全阀内部流☆场计算模型所需要定义的边界条件主要包括出入口边界条件、壁面边界条件和对√称周期性边界条件,如图3所示。

                图3 计算域边界条件


                (1)出入口边界条件
                在数值仿♀真中,将出入口边界条件设置为压力进出口较为常见,而且这样也符合安全阀的实际工程应用,控制其工作的主要监测参数就是压力管道中的压力值。在设置出★入口压力边界条件时,最重要的要求是入口对下游流动无影响,出口对上游流动无影响,所以边ω 界条件应尽可能设置在远离关注的区域,并且避免设置在几何变化剧烈的区域或■者有循环尾迹的区域。

                (2)壁面边界条件
                壁面边界条件设置要求既要※与数值计算模型相一致,又要与流动的实际物理特性相一致。在安全阀内部流动中,由于是有粘流动,在近壁面流动区域,湍流发展并不充分,所以k-ε模型并不适≡用。针对壁面附近的流动,现阶段主要是使用】壁面函数的方法来处理近壁面区域。壁面函数思想是对于湍流核心区的流动使用k-ε模型求解,在壁面区不进行求解,而是运用半经验公式将壁△面上的物理量与湍流核心区域的求解联系起来。计算软件Flcent提供了标」准壁面函数、不平衡壁面函数和增强型壁面 函数等3种壁面函数。标准壁面函数能够为大多数高雷诺数的边界限制流动提供合理、准确的预测,在工程设计中得⊙到了广泛的应用,因此结合安全阀实际流动情况,本文模拟计算中均采取标准壁面函数。

                (3)对称█和周期性边界条件
                当流动问题的几何形状具有对称或周期性变化的特征时,可以@简化为只求流动区域的一部分。由于现有流场具有面对称性,计算域可简化为实际流场区域的一半,空□间对称面可采用对称边界条件。在对称平面上要求满足法向速度为零,所有运输变量的法向梯度为零。

                03 模型验证
                在安全阀稳定工作时,工程上更为关注的是安全阀的排量,因此为了验证仿真模型的合理性,先进@ 行流量试验的验证。由于试验台气源条件的限制, 在做流量试□ 验时,选择了0.5MPa的入口压力,即维持入口压力为0.5MPa,测量得到流量的试验结果,再进行相同条件下的仿真研究。仿真结果与试验结果对比如表1。

                从试验数据与◣仿真计算的结果对比中,该计算模型的流量结果与试验误差较小,满足工程上的要求,说明该仿真模型的建立比较合理。


                04 计算结果
                4.1 流场形态分析
                经过数值模拟计算,可以得到流∴体运动区域内各节点上的离散解,而节点之外的物理参数,可以通过插值的方法确定。

                图4 全阀流场对╳称面马赫数云图
                从图4看出,安全阀从入口到出口的流动过程中流场的分布情况,安全阀的流〇动特性类似于拉法尔喷管流动,具有先收缩、后扩张的结构特点。介质在流动过程中√√,压力降低、流速增大,其中在阀座出口处到上下调节环之间的参数变化最为激烈。但安全阀的流动情况远比简单的拉法尔喷管流动复杂, 主要表现在稳定排放下,阀门内部的▃流道存在较多的转折,由此会产生各种的激波,产生的激波会在固体壁面和自由边界上反射、相交。

                4.2  开启高度与排放性能分析▓▓
                安全阀的开启高度是指阀瓣离开关闭位置的实际行程。根据安全阀不同的开启高度将安▲全阀 分为微启式、中启式和全启式▼安全阀。对于全启式安全阀,开启高度为大于或等于流道直径的 1/4,微启式为流道直径的1/40~1/20,中启式为流道直径的1/20~1/4。
                根据安全阀的结构分类及技术规定,双调节环蒸〗汽安全阀为全启式安全阀,其设计开高h=d/4。根据相关的数值模拟方法建立模型,对试验阀进行不同开㊣高下的流场仿真。

                其计算域根据对称面简化为一半的实际流动区域。气体计算模型选取不同开启高度共18个模型进『行计算,本文中研究的HTGS型号产△品实际最大开高为10mm(h=d/4)。为研究继续增大开高对安全阀流场的影响,增加了h=12mm,h=14mm,h=16mm,h=18mm,h=20mm,h=22mm,不同模 型的开启高度选取及计算结果如表2所示。



                根据模拟结果可以得到一条排量系数随开启高度的变化曲线,如图5所示。


                图5 排量系数随开启高度的变化曲线
                由模拟︼变化曲线可见,在安全阀开启过程中,其排量系数随开启高度的变化而改变。
                当开⊙高喉径比小于0.1时(h/d<0.1),排量系数和开启高度基本上成线性关系。
                当开高喉径比大∩于0.1,小于0.4时(0.1≤h/d≤0.4),排量系数随开启ξ 高度的增加而继续增加,呈非线性增长,增长趋于稳定。
                当开高喉径比大∩于0.4时(h/d>0.4),排量系数保持不变,不随开高的增加而增加。
                实际排放过程◥中,流体经过的面积根据安全阀相关标准中的定义,主要分为实际排放面◢积(确定通过阀门流量的最小净面积),帘面积As(阀瓣开☆启时,阀座表面与阀瓣之间的圆柱或圆锥排放面积), 喉部面积(流道面积)A0(阀进口端至关闭密封面间流道的最小横截面积,用来计算无阻力影响时的理╱论排量)。
                除相关标准中规定的几个特征面积之外,针对于此论文研◣究的双调节环安全阀,由于结构的特殊性,需要增加面积A1,各个面积如图6所示。其中深色部分为〒安全阀的运动部件,h为开高,d为阀座喉部直径,A0为对≡应的喉部面积,ds为密封中径,As为帘面积,A1为上下调节环之间形成的最小面积。在安↘全阀运动过程中,帘面积As值随开高不同而变化。

                图6 流道面积
                在不同开高下,所有流动均会出现超临界流动,但安全∏阀内部的流场形态存在较大的差别。当开高较低,即h/d<0.1时,气流√音速面出现在密封面处,此时排量系数和开启高度基本上成线性关系。当0.1≤h/d≤0.4时,As处的音速面逐渐减小,A1处 的◆音速面逐渐增加,此时排量系数随开高成非线性增加。当h/d>0.4时,气流音速面填充满整个A1面,排量↙系数随开高增加基本保持不变。

                4.3  开启高度计算
                (1)当h/d<0.1时,在几何结构上As面积最小,理论上此时气流的音速面将●出现在该位置处。根据全阀流场对称面马赫数分布情况,当h/d<0.1时,音速面出现在As处并填充满整个∑截面,对于理想气体,处于超临界状态的流动喷管的质量流量为

                当入口工ξ况不变时,对同一结构尺寸,K、P*、T*、ds均保持不变,质量流量仅▲与阀瓣开高有关,且成线性关系。所以对于不♀同开启喉径比的模型,由于帘面积的变化即阀瓣开高的变化,导致整体安全阀流量成线性增长。

                (2)当0.1≤h/d≤0.4时,排量系数随开启高度的增加而继续增加,不过增幅减小,呈非线性增长,增长趋于稳定。从图4中可以看出处↓的音速面不再充满整个截面,并且音速面的比例逐渐减小到最终消失;处『的音速面逐渐增加,并有充满整个截面的趋势。因此在0.1≤h/d≤0.4时,排量系数体现出的非线性增加,正是由于Ma>1的临界面从处逐渐消失到处逐渐增加,此々过程总体是成非线∞性变化,所以最终导致整个流道排量系数也成非线性变化↘↘。 

                (3)当h/d>0.4时,排量系数保持不变,不随开高的增加而增加。从图4中▓可以看到处的音速面已经全部充满整个截面,此时开高的变化已经不再影响处的音速面分布,此时的流量不再变化。在安全阀结构中,与面积基本》相等。但当安全阀的开启高度h>d/4时,流道中音速面出现在处而不是处,其主要原因为气流在处◇没有足够的压差,不会出现超音速。从这一情况也说明了安全阀内部的流动情况与←理想的拉法尔喷管流动有着一定的差别。

                05 试验验证
                为了进一步验证理论仿▅真的准确性,选取一台样阀在空气试验台进行不同开高下的排量能力试验,以验证开高与排量系数的变化关系,试验结果与理论仿真对比如图7所示。

                图7 排量系数随开启高度的变化理论仿真与试╱验测试对比
                由试验结果可知,在保证上下调节环相对位置 、不变的情况下,双调节环蒸汽安全阀排放能力随着 、开高逐渐增加,h/d≤0.2时,排量系数与开高基本成线性变♂化。H/d>0.2后,排量系数继续随开高的增高而增加,但是变化趋缓。当h/d>1/3时,排量系数→不再随开高的增加而增加。试验数据与理论仿真基本一致。

                06 结语
                针对应用于动力锅炉超压保护的双调节环蒸汽安全阀的特殊流道结构,建立了可压缩流场计算模型,利用数值模拟的方法,研究了其开启高度对排放能力』的影响规律,同时采用理论仿真与试验相结合的手段,验证了仿真模型及结果的正确性。试验结果显示针对双调节环蒸汽安全阀,在h/d≤0.4的情 况下,排量能力随着开高的逐步增加ζ而逐渐增大,当开启高度h>0.4d后,排量能力不再变〖化。所以针对双调节环型安全阀,设计开启高度可以初步确定为 1/3d≤h≤0.4d之间,后期会继续开展︽研究工作,通过流道结构局部优化,最终确定双调节环蒸汽安全阀的设计开高及最大排放能力下的最♀优开高。