超（超）临界疏水阀控管道水击振动特性研究

摘要

本文是在国家自然科学基金资助项目（编号：51349008）的支持下完成的。超（超）临界火电机组疏水阀一般用在电站主蒸汽管路、二级过热、冷再及抽汽回热等蒸汽管路处的疏水及流量调节。据国家能源局超（超）临界火电机组关键阀门国产化实施方案，由于缺乏基础研究，超（超）临界火电机组疏水阀仍然长期依赖进口。该类阀门中工况苛刻的主蒸汽疏水阀工作时阀前压力在30MPa左右，工作温度可达610℃，而阀后连接的凝结水回收系统压力较低（一般小于1MPa），在如此高的高压降下，易诱发阀后管道水击振动，产生空化、噪声，严重地影响系统运行稳定性，甚至造成事故。针对超（超）临界工况下管道水击振动的问题，本文以阀控管道系统为研究对象，进行了以下一系列研究：
　　（1）介绍了管道水锤的几种典型工况和危害，从成因和影响因素两个方面分析了疏水管路水击振动的关联因素，针对国内外管道水击振动研究的进展，提出了研究开阀水击及从阀控角度抑制管道水击振动的必要性。
　　（2）基于疏水阀工作、控制原理和管道轴向振动方程建立了阀开启时阀后管道水击振动的数学模型，着重考虑了阀开启过程的边界条件，实现了液-管流固耦合分析的连接耦合。通过特征线法推导了编写程序的差分方程，建立了阀控管道水击振动分析的数学模型，为阀控管道水击振动研究奠定了理论基础。
　　（3）借助计算流体力学软件分析了疏水阀流量特性的变化规律，进一步得到阀相对开度随开启时间变化的τ-t曲线，确定了管道系统在疏水阀处的边界条件。通过研究蓄水池-阀-管道-盲板的典型水击模型，获取了管道测点压力和管壁质点振动速度等变量的时域变化曲线、定时刻相关参数沿程变化曲线、水锤压头包络线等物理量分布曲线，分析了管道水击振动分析的各类依据。同时，分别依据蓄水池-阀-管道-孔板模型、蓄水池-管道-阀-回水池模型，分析了开阀过程中各边界工况下水锤波和应力波的发生、传播等特点，并分析了不同工况对管道水击振动特性的影响。
　　（4）依据蓄水池-阀-管道-回水池模型，研究了开阀速度、开阀规律、流量特性等因素对水击、管道振动剧烈程度的影响，并从阀控角度提出了一些开阀过程中减缓管道水击振动的策略。
　　通过以上研究，为超（超）临界疏水阀控制特性及内件参数设计、管路系统防水锤设计、抗冲击分析等提供了参考。

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附表索引

主要符号说明

第1章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 水锤分类与危害

1.3 管道水击诱发振动机理

1.4 国内外相关技术研究现状及存在问题

1.5 本文研究的主要内容

1.6 本章小结

第2章 阀控管道水击耦合振动数学模型的建立

2.1 数学模型建立的理论基础

2.2 水击计算的基本方法

2.3 阀控管道水击振动研究数学模型的建立

2.4 本章小结

第3章 疏水阀阀控管道水击振动数值计算研究

3.1 疏水阀内部流场分析

3.2 计算策略及步骤

3.3 计算工况及网格划分

3.4 典型数值计算结果分析

3.5 水温对管道水击振动影响分析

3.6 不同几何边界下开阀时管道水击振动研究

3.7 不同工况下水击振动研究

3.8 本章小结

第4章 疏水阀特性对管道水击振动影响研究

4.1 阀控管道水击振动特性影响因素研究

4.2 本章小结

总结与展望

1. 主要内容总结

2. 研究展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文

附录B 阀控管道水击振动特性研究Matlab主程序