高温气冷堆示范工程主给水隔离阀空化及振动风险分析

（中核能源科技有限公司，北京 100193）

高温气冷堆示范工程是世界首台具有四代核电特征核电站。主给水隔离阀是核安全2级阀门,当蒸汽发生器传热管发生断管事故时，需要快速关断主给水隔离阀，以切断主给水管道，防止更多的水通过蒸汽发生器断管处进入反应堆一回路。主给水隔离阀，作为核电站几大关键阀门之一，安全运行的可靠性至关重要。由于阀门口径较大，全流量性能试验台架造价高，国内外工厂及国家试验室均不具备全流量全功能试验的条件。目前示范工程所采购主给水隔离阀产品的样机试验、出厂功能试验时都是在非全流量情况下做的非循环试验，无法完全模拟实际工作状态下的阀门流场的变化情况。本文采用ANSYS CFX软件对该阀门在不同开度下阀门及出口管路中的流动进行数值模拟分析，辅助验证了该阀门的可靠性、预警存在的风险，为示范工程的安全设计和主给水系统的设计提供了依据。

1 流场分析

1．1 基本条件

主给水隔离阀的主要参数如下：

工作压力：16.5MPa

工作温度：205℃

介质：无离子水

流量：96.22kg/s

关阀时间要求：＜5s

1．2 计算模型

本文分析采用RNG k-ε双方程模型，控制方程如下：

连续性方程：

动量方程：

k方程：

ε方程：

式中：ρ和μ分别为体积分数平均的密度和分子黏性系数p为压力；μt为紊流黏性系数，它可由紊动能k和紊动耗散率ε求出：

采用有限体积法对上述方程进行离散，时间和空间均采用二阶精度格式，压力速度耦合采用压力隐式算子分割法PISO算法。

1．3 边界条件

主给水隔离阀关闭时间要求小于5s，因此，假设在关闭过程中，进口的压力和进出口的流量恒定。

入口边界条件设为工作压力16.5MPa，

出口边界条件设为流量：96.22kg/s。

1．4 模型和网格

为了保证阀门进出口边界条件准确，把进口管和出口管做了延长，进口延长了5倍直径的长度，出口延长了10倍直径的长度，避免出现回流现象，影响流场分布的计算结果。

利用ICEM软件进行网格划分。阀体结构复杂，采用四面体网格；进出口流道采用六面体网格，交界处的网格尺寸保持一致，既保证迭代精度同时又控制网格总数，加快计算速度。

图1 三维模型示意图

图2 阀体网格示意图

2 结果分析

2．1 不同开度下的压力场分布

流体温度为205℃，在此温度下内，水的饱和蒸气压为1.772MPa。从上述压力分布可以看出，阀门全开情况下最低压力接近于16.5MPa，远远大于1.772MPa，因此阀门在其正常运行情况下几乎不会产生空化现象。随着开度逐渐减小，流场的最低压力逐渐降低，但在5%开度下的最低压力也在7MPa左右，也远远高于1.772MPa。并且，考虑到阀门从5%到全关闭的时间很短，因此可判断在阀门正常快速关闭过程中，不会有空化现象产生。

2．2 极小开度（1%）下,流场压力分布情况

在极小开度下，阀后流域的压力均接近饱和蒸汽压，存在产生空化现象的风险。阀门此时的流通面积较小，流速急剧增加，压力急剧下降，这会导致闸板与阀座之间形成低压区域，即文丘里效应。在闸板背部固壁存在两处明显低压区域，如果长期在此开度下工作，根据空化原理，闸板背面和出口管路靠近闸板的管壁将是发生空蚀的高风险区域。

2．3 不同开度下的速度场分析

（1）当开度减小到50%的时候，在阀门闸板背面有明显的涡产生，随着开度变小，单个涡的区域逐渐增大，涡产生频率逐渐增大。因此，在阀门关闭的过程中，闸板后方的流动状态很剧烈，涡的产生和脱落将造成阀门及管路的振动。

（2）在开度小于10%左右情况下，闸板与阀座之间的区域出现射流。如果阀门出现关不到位的情况，导致长时间在小开度下工作，则闸板密封面将因长期被高速冲击而受到损伤。

3 结论及应用

3．1 计算结论

通过上述计算结果和分析，我们可以得出以下结论：

（1）阀门在正常工作状态下（即全开情况下）不会产生空化；（2）阀门在正常动作（快速关闭）状态下，不会产生空化；（3）阀门在正常动作（快速关闭）过程中，闸板不会产生明显振动；（4）阀门在正常动作（快速关闭）过程中，阀门和出口连接管路会产生振动和噪音；（5）若长时间在极小开度下使用，则产生空化和空蚀现象的风险较大；（6）若长时间在小开度下使用，则产生射流现象，损伤阀门密封面的风险较大。

以上计算结论不仅辅助验证了主给水隔离阀产品在实际工况下正常运行的可靠性，同时也预警了当主给水隔离阀长时间处于小开度下运行时，产生空化空蚀现象风险较大，同时射流的存在会对阀门密封面造成损伤，而阀门及出口管路与流体产生共振的风险较大，这些情况都会对阀门及管路造成严重损坏。

3．2 工程应用

（1）工程上已采取的预防措施。主给水隔离阀的功能是事故工况下关闭，隔断二回路的水，对系统安全有很重要的作用。针对计算识别出的风险,我们已在示范工程的设计上采取相关的预防措施：在主给水阀关断信号发出时,同时给二回路加压泵和加热装置发出停止信号,以降低主给水温度,降低产生空化造成的设备损坏的风险，得到了相关部门的认可。

（2）辅助高温气冷堆示范工程主给水系统工程设计。①针对阀门关闭过程中射流引起的压差和水锤效应，重新校核了设计压力的裕量。②根据计算结果中X方向的振动情况，在阀门支吊架设计中增加了X方向的约束，防止阀门的振动造成管路的损伤；③在进行60万千瓦的高温堆商业电站设计时，已优化了布置方案，将六条主给水管路呈六边形方式布置在竖井中，缩短了X方向的管路长度，减少阀门振动和噪音方面的影响。