凝水压力控制阀的设计与数值研究

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。在调节过程中当阀门开度过大时，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阀门的计算结果，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。