凝结水主调阀振荡分析及设计优化

胡文盛

凝结水主调阀振荡分析及设计优化

胡文盛

（福建福清核电有限公司设备管理处福建 福州，350318）

凝结水主调阀振荡是核电厂凝结水抽取系统的常见问题，对机组安全稳定运行产生严重不良影响。以凝结水主调阀系统工艺参数为研究对象，计算发现阀门在振荡区间的压差偏大，存在空化现象；振荡区间的噪声较设计值也明显偏大。建立CFD流体仿真模型分析计算，结果表明，在某一特定开度区间，凝结水主调阀的阀芯受力波动明显，导致阀门产生振荡。在此基础上，设计特征化打孔阀笼，改善流体和阀芯受力状态；增大气动执行机构的刚度，提高阀芯抵抗受力变化的能力。阀门改进后动作平稳，运行一个循环后阀内件无异常。优化措施有效抑制了阀门振荡问题的发生，有力保障机组安全稳定运行。

凝结水主调阀；振荡；原因分析；流体动力学；设计优化

凝结水抽取系统（简称CEX系统）是核电厂汽轮机热力循环中的一个重要环节，系统介于汽轮机与低压给水加热器之间，主要用于接受汽轮机排汽、冷却成凝结水，并将凝结水送入各级低压加热器和除氧器。为调节进入除氧器的凝结水流量，以维持除氧器的水位在正常范围内，CEX系统设置了一个流量控制站。国内核电厂主流设计包括子母阀分程控制、两台主调阀（一用一备）联合一台旁路副调阀控制。为避免主调阀工作在小开度而产生振荡，某核电厂1～4号机组凝结水流量控制站设计上采用子母阀分程控制，并配置了一台旁路电动蝶阀。主调阀CEX025VL容量为100%额定流量，副调阀CEX026VL容量为30%额定流量。根据除氧器液位、给水流量和凝结水流量联合控制凝结水调节阀门的开度。机组在8%以下功率运行时，凝结水主调阀关闭，凝结水副调阀投运。在8%～100%FP之间运行时，凝结水主调阀开启，副调阀保持20%开度运行。运行阶段当凝结水主调阀需要紧急检修时，通过启用旁路电动蝶阀CEX011VL进行凝结水流量调节。

凝结水主调阀的可靠性关系到二回路的供水，出现故障会引发除氧器水位大幅波动，严重时可能导致非计划停机停堆。凝结水调节阀振荡现象在各电厂普遍存在，本文针对某核电厂1号、2号机组凝结水主调阀振荡问题，展开原因分析和设计优化，并通过试验验证了变更效果。

1 振荡现象及其影响

1.1 阀门简介

某核电厂 1 号、2 号机组凝结水主调阀CEX025VL是进口流关型气动调节阀，配置585C-SIZE 80型双作用活塞式气动执行机构。阀门采用平衡型阀芯、阀笼导向的结构，通过阀芯上下运动改变介质流通面积大小来调节凝结水流量（见图1）。

图1 凝结水主调阀结构

1.2 振荡现象

当机组电功率约为700～1 000 MW时，凝结水主阀的阀杆存在振荡现象，此时阀门行程约25%～39%，此区间之外阀门振荡逐渐减弱消失。

2016年4月，2号机组从满降功率到845 MW运行后，凝结水主调阀开度在36%-43%之间振荡，凝结水流量和除氧器进水流量跟随波动。随着时间的推移，阀门振荡恶化，最高可达15%，管网也存在明显的晃动现象。检查发现气动执行机构推杆密封漏气，解体检修后阀门仍有4%的阀位振荡。1号机组也存在类似异常现象（见图2）。

图2 凝结水主调阀振荡曲线

1.3 影响分析

由于地区电网的特殊性，该核电机组频繁参与调峰运行，二回路热工参数反复变化，凝结水主调阀频繁在振荡区间工作，振荡现象加剧，成为机组运行的重大隐患，主要体现在以下三个方面：

（1）影响机组稳定运行。故障可能导致主给水泵跳闸，引起机组瞬态，存在非停风险。

（2）缩短阀门使用寿命。阀门振荡会造成阀门的运动件磨损、气缸漏气窜气，甚至发生金属碰磨卡涩、阀杆销钉断裂和阀芯脱落。

（3）引起上下游管线和设备异常振动。包括凝结水精处理系统和汽轮机旁排系统的部分阀门、管线一直处于异常振动状态。

2 振荡原因分析

调节阀机械振动的两大表现形式之一是调节阀阀芯的振动（表现为阀杆上下振荡），原因主要是流体经过调节阀节流后，前后的压差急剧变化，介质流速的急剧增加，阀芯受力突变，引起阀芯产生振动[1]。可能原因包括气源压力波动、控制信号不稳定或者填料卡涩，一般通过调整定位器或其他控制附件可以解决；其他可能原因包括润滑不足、执行机构推杆密封失效等[2]。

对凝结水主调阀进行FMEA分析，判定要保证调节阀稳定在某一开度，必须满足“阀门性能良好、管路支撑合理、无外部振动源”等三大条件（见图3）。

图3 凝结水主调阀振荡故障树

2.1 故障原因定位

如表1所示，通过逐项分析排除，确认凝结水主调阀振荡的最大可能原因。

表1 原因分析

续表

2.2 阀门设计基准审查

通过对基准文件中的系统最差工况下凝结水主调阀所需推力、执行机构输出能力、执行机构裕量的审查，确定执行机构能否满足阀门需求。

2.2.1 阀门所需推力NT

凝结水主调阀的阀口直径14.75 in，密封线周长46.315 in，根据CONTROL VALVE SEAT LEAKAGE（ANSI/FCI 70-2—2006），实现Ⅳ级密封必须密封力为80 lb/in，求得密封力为16 490 N。引入摩擦力和不平衡力后阀门所需推力NT为25 242 N（见图4）。

2.2.2 执行机构推力T

凝结水主调阀执行机构气缸效率取0.97，执行机构推力为

2.2.3 执行机构裕量

执行机构裕量的大小反映了执行机构推力满足阀门所需推力的程度，气动阀拥有10%以上的裕量则认为状态良好。根据上述数据，求得凝结水主调阀执行机构的裕量为10.8%，满足设计要求。

2.3 流体动力学分析

2.3.1 空化分析

调节阀属于节流件，带有一定程度的缩径，定量的流体经过节流件缩径处时速度增大、压力降低，当压力降至当前温度下的饱和蒸汽压以下时，介质中就会有蒸汽和溶解在水中的气体逸出，形成蒸汽与气体混合的小气泡，压力越小，气泡越多，发生闪蒸现象。当介质扩展进更大的区域时，其速度会下降、压力增加，阀后压力恢复到高于液体的饱和蒸汽压力，气泡在高压作用下会迅速凝结而破裂，在汽泡破裂的瞬间，会产生局部空穴，而高压水会以极高的速度流向这些气泡占有的空间，形成冲击力，并出现噪声和振动[4]，容易导致阀芯或阀后管道结构损坏（空化现象）。

根据阻塞流原理可知，达到阻塞流条件就会产生空化，而判断阻塞流发生的条件是阀门实际压差D≥阻塞临界压差Dc（见图5），即

式中：

L——阀门压力恢复系数，根据凝结水主调阀设计资料，取值0.774；

1——阀前压力，MPa；

V——对应温度 40℃下凝结水饱和压力0.007 4 MPa；

C——热力学临界压力，取值22.4 MPa；

F——临界压力比系数，指液体在入口温度下的V和液体的临界压力C之比的函数。

根据现场工艺参数，综合考虑高差和管道、管件、低加压损，估算得到不同电功率下凝结水主调阀压差和阻塞临界压差如表2所示。

表2 计算压差与阻塞临界压差

阀门压差和阻塞临界压差的趋势如图8所示，可以看出700～845 MW区间存在空化，845～900 MW区间介于空化与非空化之间。结合现场运行实际情况，在阀门振荡期间可以听到明显的碎石声，与空化现象相符。综上所述，判断阀体内部发生空化概率很大（见图6）。

图6 阀门压差趋势

2.3.2 噪声计算

噪声可以表征控制阀内流体的稳定状态。采用德国制造商协会阀门分会（VDMA）标准，预估调节阀噪声。对于液体介质，在有空化或部分空化工况下（F＞），估算液体声功率噪声：

式中：A——噪声的A加权声压级，dB（A）；

V——控制阀流量系数，USgal/min；

1——控制阀前绝压，bar；

V——液体饱和蒸汽绝压，bar；

——液体密度，kg/cm3；

F——压力比；

——噪声特征压力比系数；

DP——管壁厚度修正系数；

DF——液体噪声计算的阀门修正系数，标准单座阀为零。

Dm——压力修正系数。

在无空化情况下（F≤），估算液体声功率噪声：

同时用软件计算实际工况下的阀门噪声。两种方法求得凝结水主调阀噪声如表3所示，可以看出，两种方法求得凝结水主调阀噪声相当，且凝结水主调阀在振荡区间内噪声偏大，与设计要求不符；满功率下噪音较低，符合设计要求。

表3 两种计算方法对应的阀门噪声

2.3.3 流体对阀芯的作用力分析

凝结水主调阀通过阀芯的运动来改变流通面积，从而进行流量调节，凝结水作用在阀芯上的力的大小、方向以及力的波动程度与阀位振荡密切相关。

凝结水调节阀在700 MW（约25%开度）时，通过图7的压力分布图、湍流状态图、速度矢量图和速度分布图可以看出凝结水的流动状态——水流在阀门进口处的压力和速度都比较均匀，其流动也比较均匀；当水流通过阀芯与阀笼之间的节流处时，由于流通面积突然变小，水流压力减小、流速增大，流体湍流严重，并在阀芯底部产生了明显的漩涡流；在阀门出口位置，由于流通截面积增大，速度又逐渐降低，流动状态又趋向均匀[1]。

图7 CFD流场仿真

根据上述分析，凝结水经过阀笼节流后产生剧烈的湍流以及漩涡流主要分布在阀芯底部，从而对阀芯造成扰动。阀芯在流体静压和动压的作用下产生切向力和轴向力。切向力使阀芯转动，轴向力使阀芯上下窜动[1]。

建立模型，对比分析25%和55%开度下凝结水对阀芯三个方向上作用力。方向为沿阀门流道的水平方向，阀芯轴向定义为方向，垂直于阀门流道的水平方向定义为方向。其分析结果如图8所示。

通过上图可知：当阀门处于25%开度时，流体作用在阀芯上的作用力大幅波动，其中方向波动幅度为540 N，方向可达750 N，方向为630 N；当阀门处于55%开度时，流体作用在阀芯上的作用力相对稳定，方向不超过60 N，方向不大于30 N，方向在190 N以内。显然，凝结水主调阀在700 MW时阀芯上的各方向的作用力的剧烈波动，而满功率时振荡明显较小。这也是阀门在700 MW时剧烈振荡、满功率时运行较小的主要原因。

图8 不同开度下阀芯轴向力对比

2.4 原因分析结论

综合上述分析，凝结水主调阀振荡的根本原因为：凝结水主调阀在某一特定开度区间，凝结水介于空化与非空化之间，紊流作用强，表现特征为噪声大。凝结水流经阀门后产生空化、高速流束以及漩涡流，作用在阀芯上的力波动变大，导致阀门发生振荡。

该开度区间为核电机组频繁参与电网调峰时凝结水主调阀的运行区间，开度振荡会加剧气动执行机构密封和填料的磨损，降低阀门的抗扰能力，振荡现象进一步恶化。

3 阀门优化设计

为了稳定流体状态，避免阀门振荡，提出如下优化方案。

3.1 阀笼结构改进

改造前凝结水主调阀的阀笼流道形式为T型窗口，根据调节阀选型手册，此类阀笼只适用于空化发生概率较低、前后压差较低的场合。结合上述分析，应改用具有良好稳流作用的节流元件（阀笼），改善流体的流通状态。Cavitrol Ⅲ单级式打孔阀笼可以对流体起到良好的稳流作用，改善阀门节流后的流体流动状态（见图9）。

图9 改造前后的阀笼

新型阀笼可以有效地消除空化破坏。通过合理地布置阀笼打孔的大小、间距以及排列形式，使得流经阀笼的流体速率不致过大，确保压力保持在汽化压力之上，减小了流体空化的可能。这些均匀分布在阀笼四壁上的小孔还具有减小流体紊流的作用。以上两点也有助于减小流体内部压力波动，增大流量。阀门运行过程中，阀芯边缘和阀笼四周轴对称分布的小孔协同将空化性流体分

图10 单级抗气蚀阀笼运行状态及压力速度分布

割成小流束，从金属壁面引到阀体内部的空腔中，避免阀体和阀内件损伤，流体的空化作用得到控制，阀芯受力状态有效改善，从而减小阀门噪声，避免振荡问题发生（见图10）。

3.2 流量特性优化

凝结水主调阀最大负荷时的压差D为1.19 MPa；最小负荷时的2.07 MPa，D随负荷增大而减小，最大负荷时的D大于20%～200%的最小负荷时的D，最佳固有流量特性应选择线性[5]。为同时满足现场实际所需阀门流通能力和设计院要求的阀门理论流通能力需求，根据设计和现场实际情况，得出推荐的流量系数（C），修正固有流量特性曲线。

根据技术规格书规定的参数计算出的需求C值如表4所示。

表4 设计工况下的Cv值

凝结水主调阀处于凝结水泵与除氧器之间，阀前后无压力表，只能检测到凝结水泵出口压力和除氧器压力，故通过现场阀门的开度来估算现场需求的C值，如表5所示。

表5 实际工况下的Cv值

原阀门行程（4″）已无法满足打孔阀笼的流量要求。经验表明，线性调节阀的最佳开度范围为10%～90%（最大开度工厂推荐85%），可以避免开度不足和小开度调节性能差的风险。为满足设计流量要求，提高阀门工作开度和控制精度，采用下部打孔少、上部多的方式，将阀门行程增大到8″。求得额定C值约为2 239，曲线如下图所示。

图11 优化后的流量特性曲线

3.3 执行机构改进

执行机构刚度是指执行机构抵抗负荷变化对行程影响的能力，刚度越大，在相同的负荷变化下，气动推杆位移变化量D越小，阀门越稳定，反之亦然。阀门容易振荡时，应提高执行机构刚度。通过增大气缸面积，增大执行机构刚度，与阀笼改进双管齐下，确保阀门的稳定性。

执行机构刚度计算公式如下：

式中：Dt——不平衡力，N；

D——推杆位移的变化量，mm；

——空气刚度系数，通过实际测试得出的经验值；

S——供气压力；

atm——大气压力14.7 psi。

选用的执行机构585C size 100/MO是原585C size 80/MO执行机构的活塞面积的1.5倍，空气刚度系数为95（size80的执行机构为84），刚度增大了约1.1倍，阀门整体的稳定性提高。

3.4 结构实现

在采用打孔阀笼的情况下，为满足设计额定工况下最大流量的要求，将阀门额定行程提高了一倍，此时原阀体已不满足行程需求。为避免更换阀体、降低改造成本，同时避免现场切割阀体，减少改造工程量，通过在阀体与阀盖之间增加间隔环、中法兰连接螺栓适配加长的方案提高阀门行程。

4 试验验证

该核电厂1号、2号机组目前已完成凝结水主调阀设计优化及现场实施。变更后验证阶段，观测机组整个升功率过程中，阀门在各个功率平台下的动作和振动情况。结果表明，1号、2号机组凝结水主调阀在各个功率平台动作平稳，无异常振荡和振动问题，运行状态良好，有力确保了设备可靠性和机组安全（见图12）。

图12 2CEX025VL不同开度下的振荡情况

2号机组凝结水主调阀已经过18个月的连续运行考验，204大修进行阀门解体检查，阀杆和阀内件无异常磨损，在线诊断未发现执行机构存在异常，各部件状态良好。

5 结论

（1）凝结水主调阀在某一特定开度区间，凝结水介于空化与非空化之间，紊流作用强，噪声增大。凝结水流经阀门后产生高速流束以及漩涡流，作用在阀芯上的力大幅波动，导致阀门在该开度区间振荡。

（2）使用特征化的打孔阀笼，可以有效缓解空化现象发生，稳定流体状态，改善阀芯受力，防止阀门产生振荡。

（3）阀笼采用下部打孔少、上部多的方式，将阀门行程增大一倍，优化了流量特性，在满足设计和实际流量要求的同时，提高阀门工作开度和控制精度。

（4）提高执行机构刚度，能够增大阀门的抗扰能力，进一步避免阀位振荡问题发生。

［1］ 王彬．基于流体动力学的控制阀振动分析方案优化［J］．通用机械，2020，（Z1），54-57.

［2］ Camilli N., EPRI 1016682 N. Nuclear Maintenance Applications Center: Air-Operated Valve Maintenance Guide: Revision 2［R］．2008.

［3］ 毛彦君，等．调节阀异常振动原因分析及处理［J］．阀门，2016，（5）：39-41.

［4］ 郑昀，等．凝结水再循环管道振动原因及减振措施［J］．科技与创新，2014，（21）：6-7.

Oscillation Analysis and Design Optimization of Condensate Main Control Valve

HU Wensheng

（Fujian Fuqing Nuclear Power Co.,Ltd, Equipment Department, Fuzhou of Fujian Prov. 350318, China）

The oscillation of condensate main control valve is a common problem in condensate extraction system of nuclear power plant, which has serious adverse effect on the safety and stability of the unit. Take the actual operating parameters of the valve as the object of study, it is found that the pressure difference of the valve in the oscillation section is too large, and the noise in the oscillation section is obviously larger than the design value. Based on the analysis and calculation of CFD fluid simulation model, the results show that the main condensate control valve fluctuates obviously under a certain opening range, which leads to the oscillation of the valve. On this basis, the characteristic perforated valve cage is designed to improve the fluid state and the force applied to the valve plug, which increase the stiffness of pneumatic actuator and improve the ability of valve plug to resist the change of force. The condensate main control valve runs smoothly after the design improvement, and no abnormal problem is found inside of the valve trims after running a cycle. The optimization measures can effectively restrain the occurrence of valve oscillation and ensure the safe and stable operation of the unit.

Condensate main control valve；Oscillation；Cause analysis；Fluid dynamics；Design optimization

TL334

A

0258-0918（2022）02-0427-09

2020-12-12

胡文盛（1987—），男，福建龙岩人，高级工程师，学士，主要从事核电设备管理技术研究。