高壓減壓閥在水電站技術(shù)供水系統(tǒng)中的性能改造及CFD分析

李祥波（新疆伊犁河流域開(kāi)發(fā)建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000）

高壓減壓閥在水電站技術(shù)供水系統(tǒng)中的性能改造及CFD分析

李祥波
（新疆伊犁河流域開(kāi)發(fā)建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000）

摘要：針對(duì)新疆某電站ZJY46H組合式高壓減壓閥在使用過(guò)程中出現(xiàn)的噪音大、氣蝕嚴(yán)重等性能缺陷問(wèn)題，通過(guò)對(duì)高壓減壓閥的試驗(yàn)、CFD分析及節(jié)流錐型線優(yōu)化、仿真等研究，降低了高壓減壓閥在水電站技術(shù)供水系統(tǒng)應(yīng)用中產(chǎn)生的噪音和氣蝕問(wèn)題，提高了高壓減壓閥在高水頭水電站技術(shù)供水系統(tǒng)的性能。

關(guān)鍵詞：高壓減壓閥；噪音；氣蝕；試驗(yàn)；仿真

0　概述

技術(shù)供水方式的選擇多種多樣，有自流減壓供水方式、水泵供水方式、水輪機(jī)頂蓋取水供水方式、小水輪機(jī)減壓后供水方式等。因?yàn)樽粤鳒p壓供水方式運(yùn)行穩(wěn)定、維護(hù)簡(jiǎn)單且可節(jié)約工程投資，技術(shù)可靠且有較高的經(jīng)濟(jì)性，被很多水電站采用。

但對(duì)很多高水頭電站而言，采用自流減壓供水方式會(huì)突破我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范的要求，對(duì)是否采用自流減壓供水方式宜做進(jìn)一步的分析研究，并且技術(shù)供水對(duì)象對(duì)水壓有嚴(yán)格的要求，因?yàn)樽粤鳒p壓方式需要通過(guò)減壓閥將來(lái)自上游高壓水的多余水壓加以削減，所以必須對(duì)減壓閥有關(guān)性能進(jìn)行可行性研究和分析。

影響減壓閥性能的主要因素之一，即流體對(duì)閥體過(guò)流位置的氣蝕和沖蝕，即流體在減壓閥內(nèi)的流態(tài)，反應(yīng)現(xiàn)象為減壓閥在工作過(guò)程中的震動(dòng)和噪音。

1　實(shí)驗(yàn)對(duì)象和目的

ZJY46H型組合式減壓閥是我國(guó)水電站自流減壓方式采用得較多，也是較穩(wěn)定的一種減壓閥，其具有高減壓比、大流量、穩(wěn)定性好、使用壽命長(zhǎng)、一級(jí)減壓的特點(diǎn)。但即使如此，在高減壓比的工況下運(yùn)行時(shí)，由于能量消耗的形式體現(xiàn)，運(yùn)行噪聲和氣蝕的現(xiàn)象也是不可避免的。在分析這一現(xiàn)象時(shí)，我們認(rèn)為：合理過(guò)流面積的幾何形狀可有效地減小流阻，同時(shí)有效地減少噪聲和氣蝕程度。

為此，我們首先設(shè)計(jì)了兩個(gè)改進(jìn)型DN150節(jié)流錐S1號(hào)、S2號(hào)和缸套閥座組合件，先在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)，S2號(hào)節(jié)流錐和缸套閥座組合件，取得了明顯的預(yù)計(jì)效果；然后我們又在某水電站進(jìn)行了水電站試驗(yàn)，證明了這次改進(jìn)的確有著良好的效果。

在水電站試驗(yàn)取得良好效果之后，我們根據(jù)節(jié)流錐型線優(yōu)化試驗(yàn)數(shù)據(jù)制造出DN450大口徑減壓閥，在CDF實(shí)驗(yàn)臺(tái)上采集參數(shù)進(jìn)行了CFD分析，以印證改造思路和效果。

2　試驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)

2.1試驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)介

多功能試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示：B為多級(jí)泵；A為被測(cè)減壓閥；C為安全泄壓閥。試驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)啟后，將P1最高值調(diào)整為1.9MPa，然后在分別設(shè)定P2為各不同值，在各值中改變P1值，觀測(cè)在不同工況下的運(yùn)行穩(wěn)定性和噪聲。

圖1多功能試驗(yàn)臺(tái)

2.2試驗(yàn)方式

用兩個(gè)改進(jìn)型DN150節(jié)流錐S1號(hào)S2號(hào)，一個(gè)原型節(jié)流錐S0號(hào)和相對(duì)應(yīng)的缸套閥座組合件，先后裝入減壓閥閥體內(nèi)在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)給定出口壓力、調(diào)節(jié)進(jìn)口壓力，測(cè)試主閥不同開(kāi)度條件下的噪聲分貝值，即可比較不同節(jié)流錐的性能差異。

2.3試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及初步判斷

試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1：

表1試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，改進(jìn)型節(jié)流錐S1號(hào)的降噪性能比原型節(jié)流錐S0號(hào)好，改進(jìn)型節(jié)流錐S2號(hào)降噪性能最佳。

3　水電站試驗(yàn)

3.1水電站及減壓閥使用情況簡(jiǎn)介

某水電站裝機(jī)容量為2×6300kW，為引水式電站，機(jī)組技術(shù)供水采用自流減壓供水和水泵供水方式，單機(jī)組技術(shù)供水流量為450m3/h；水頭為260～240m。因水泵運(yùn)行故障率高，所以自流減壓供水為主供水。

3.2機(jī)組自流減壓供水系統(tǒng)簡(jiǎn)介

如圖2所示：在壓力鋼管進(jìn)機(jī)組處的位置附近取水。K1、K2分別是取水閥和工作閥，Y為 ZJY46H-40CDN150減壓閥。P2的壓力整定為0.6MPa，減壓后的水直供水池，再由水池供兩臺(tái)機(jī)組用水。調(diào)節(jié)閥門(mén)K3為合適的過(guò)流面積。改進(jìn)前的單臺(tái)ZJY46H-40CDN150減壓閥的流量在滿足兩臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行噪音為118dB。

圖2機(jī)組自流減壓供水系統(tǒng)

3.3自流減壓供水系統(tǒng)工作狀況

該水電站以前曾用國(guó)外某公司生產(chǎn)的膜片差壓式DN450減壓閥2臺(tái)作兩級(jí)減壓，使用不到半年即損壞，無(wú)法再用。后改用ZJY46H型組合式減壓閥，1臺(tái)作一級(jí)減壓，使用1年后，雖然噪聲偏高，節(jié)流錐有沖蝕和氣蝕，但仍能使用。

由于電站生態(tài)環(huán)境較差，植被破壞嚴(yán)重，水中的雜質(zhì)主要為石英砂。由于高速水流產(chǎn)生的氣蝕，再加上石英砂的磨蝕，減壓閥的運(yùn)行環(huán)境很差。這就需要對(duì)減壓閥進(jìn)行合理的改進(jìn)，保證在惡劣環(huán)境下運(yùn)行的減壓閥有良好的適應(yīng)性，以保證電站的正常運(yùn)行。

3.4水電站試驗(yàn)簡(jiǎn)介

原計(jì)劃試驗(yàn)S2號(hào)節(jié)流錐和S0號(hào)節(jié)流錐及對(duì)應(yīng)的缸套閥座組合件，以作比較。但因兩次試驗(yàn)間隔的準(zhǔn)備時(shí)間（減壓閥前截止閥不能關(guān)死，需壓力鋼管泄水和灌水）過(guò)長(zhǎng)，為不影響按時(shí)發(fā)電，只試驗(yàn)S2號(hào)節(jié)流錐而未能進(jìn)行S0號(hào)原型節(jié)流錐的試驗(yàn)。另外，只有減壓閥后有壓力表，而減壓閥前沒(méi)有，也沒(méi)有流量計(jì)。這對(duì)試驗(yàn)造成一定的不便。

在S2號(hào)節(jié)流錐試驗(yàn)過(guò)程中及后正式發(fā)電投入運(yùn)行時(shí)，減壓閥的噪音明顯減小，振動(dòng)微弱。

3.5水電站試驗(yàn)數(shù)據(jù)及初步判斷

水電站試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2和表3。

表2水電站試驗(yàn)結(jié)果（一）

表3水電站試驗(yàn)結(jié)果（二）

注：1）符號(hào)同表一。2）減壓閥主閥全開(kāi)程為28mm。3）帶*號(hào)的調(diào)節(jié)桿預(yù)壓高度為63mm，是當(dāng)前的發(fā)電投運(yùn)狀態(tài)。其余的調(diào)節(jié)桿預(yù)壓高度為89mm。

由表2可知，出口閥開(kāi)度從全開(kāi)到1/2開(kāi)時(shí)，減壓閥的出口壓力變化很小，不影響機(jī)組運(yùn)行。此時(shí)通過(guò)減壓閥的水流噪聲有較大降低。

通過(guò)表2和表3對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)：

1）當(dāng)出口壓力調(diào)高后，水流噪聲降低約6～7dB。

2）在表2中，出口閥開(kāi)度變化后，水流噪聲從110.0dB降到91.0dB，降幅為19dB；在表3中，水流噪聲則從111.0dB降到88.5dB，降幅為22.5dB。

3）試驗(yàn)完成后，應(yīng)電站要求，將ZJY46H-40C DN150減壓閥的P2值整定為0.7MPa，調(diào)節(jié)出口閥K3滿足兩臺(tái)機(jī)組運(yùn)行的流量要求。即時(shí)工況的噪聲為89.5dB。

3.6綜合分析

通過(guò)上述試驗(yàn)，可得出結(jié)論：1）S2號(hào)節(jié)流錐對(duì)降低減壓閥的水流噪聲是有效的；2）S2號(hào)節(jié)流錐的穩(wěn)壓性能是可靠的；3）輔以增加主閥調(diào)節(jié)桿的預(yù)壓量對(duì)降低減壓閥的水流噪聲也是可行的。

一般來(lái)說(shuō)，減壓閥的水流噪聲與水通過(guò)節(jié)流錐產(chǎn)生的渦流直接相關(guān)，而渦流與節(jié)流錐的幾何形狀、附近的流道及流速有關(guān)，而流速又與節(jié)流錐的開(kāi)度和前后壓力差有關(guān)。

選擇合理的節(jié)流錐形狀，可以減小流阻系數(shù)及相應(yīng)的渦流影響；增加主閥調(diào)節(jié)桿的預(yù)壓量，可以增加水的流量而降低通過(guò)節(jié)流錐過(guò)流面的流速（實(shí)際上是流阻損失減少）。通過(guò)這種方式，可以有效降低減壓閥的水流噪聲。

4　CFD試驗(yàn)

4.1CFD試驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)介

如圖3所示：4位置減壓閥，分別為ZJY46H-25CDN450組合式減壓閥；壓力表（P1、P2）精度為0.4級(jí)，并具有穩(wěn)流管和旋塞調(diào)節(jié)閥；測(cè)流流量計(jì)為電磁式或超聲波式均可，安裝于被測(cè)閥4后的規(guī)定位置。

圖3CFD試驗(yàn)臺(tái)

4.2試驗(yàn)方法

（1）本次試驗(yàn)的P1值為5個(gè)測(cè)試點(diǎn)：1.50MPa、1.70 MPa、1.80MPa、1.90MPa、2.00MPa。P2值分別為0.40MPa和0.60MPa。每個(gè)P2值的P1變化值滿足前敘5個(gè)測(cè)試點(diǎn)的技術(shù)要求。試驗(yàn)方法：調(diào)節(jié)減壓閥工作反饋系統(tǒng)的控制閥，使P2=0.40MPa。

（2）調(diào)節(jié)F1的開(kāi)度，使P1值分別升序，即：1.50 MPa、1.70MPa、1.80MPa、1.90MPa、2.00MPa。并在每個(gè)點(diǎn)記錄P1值、P2值、Q值。

（3）當(dāng)P1值升至2.00MPa時(shí)，調(diào)節(jié)減壓閥工作反饋系統(tǒng)的控制閥，使P2=0.60MPa。

（4）調(diào)節(jié)F1的開(kāi)度，使P1值分別降序，即：2.00 MPa、1.90MPa、1.80MPa、1.70MPa、1.50MPa。并在每個(gè)點(diǎn)記錄P1值、P2值、Q值。

4.3模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)

測(cè)試型號(hào)：ZJY46H組合式減壓閥DN450-25C出口壓力整定值：0.4～0.6MPa。

測(cè)試參數(shù)：P1-進(jìn)口壓力MPa、P2-出口壓力MPa、Q-流量m3/h、H-主閥拉桿運(yùn)行開(kāi)度mm。

基準(zhǔn)參數(shù)：H0-主閥拉桿全關(guān)值227mm。

表4模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5　ZJY46H組合式減壓閥CFD分析及節(jié)流錐型線優(yōu)化

計(jì)算技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)的飛速發(fā)展使得設(shè)計(jì)者可以借助CFD軟件模擬各種復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)流場(chǎng)特性有直觀的了解，進(jìn)而可針對(duì)所出現(xiàn)的問(wèn)題改進(jìn)設(shè)計(jì)，大大節(jié)約時(shí)間和成本。

利用三維CFD技術(shù)，擬對(duì)ZJY46H組合式減壓閥的減壓過(guò)程，流場(chǎng)特性如壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)等以及空化和噪聲性能進(jìn)行定性描述，以驗(yàn)證所采用的ZJY46H組合式減壓閥在電站自流供水系統(tǒng)中的可行性。

ZJY46H組合式減壓閥是依靠調(diào)整閥芯開(kāi)度來(lái)改變閥芯與閥座之間的環(huán)形通道（也就是過(guò)流面積）來(lái)達(dá)到減壓目的的，水流沖擊ZJY46H組合式減壓閥閥芯會(huì)消耗部分能量，從狹小的過(guò)流面積通過(guò)的水流流速會(huì)急劇上升，從而導(dǎo)致較大的壓力降。顯然，節(jié)流錐型線對(duì)ZJY46H組合式減壓閥性能有直接影響。

5.1ZJY46H組合式減壓閥結(jié)構(gòu)圖（見(jiàn)圖4）

圖4ZJY46H減壓閥結(jié)構(gòu)圖

5.2ZJY46H組合式減壓閥基本參數(shù)（見(jiàn)表5）、三維建模及網(wǎng)格劃分（見(jiàn)圖5）

表5基本參數(shù)

5.3ZJY46H組合式減壓閥數(shù)值計(jì)算條件（見(jiàn)表6）

表6計(jì)算條件

圖5ZJY46H減壓閥三維建模及網(wǎng)格劃分圖

5.4ZJY46H組合式減壓閥數(shù)值計(jì)算結(jié)果

針對(duì)水電站技術(shù)供水的實(shí)際運(yùn)行情況，如果運(yùn)行工況穩(wěn)定，一定的進(jìn)口壓力或流量會(huì)對(duì)應(yīng)于ZJY46H組合式減壓閥的某個(gè)開(kāi)度H，首先應(yīng)該在模擬試驗(yàn)臺(tái)上尋找出對(duì)應(yīng)于水電站技術(shù)供水的ZJY46H組合式減壓閥閥芯開(kāi)度。

分別試算H=45mm、35mm、30mm、29mm、28mm、27mm六種閥芯開(kāi)度并比較計(jì)算結(jié)果（見(jiàn)圖6），得出在H=28mm時(shí)，ZJY46H組合式減壓閥出口壓力約為0.6MPa，因此適于給定的水電站技術(shù)供水系統(tǒng)的ZJY46H組合式減壓閥的開(kāi)度應(yīng)為28mm。

圖6ZJY46H組合式減壓閥出口壓力隨開(kāi)度變化曲線

5.5減壓閥空化性能分析

水流在經(jīng)過(guò)閥芯與閥座之間狹小的過(guò)流面時(shí)，流速急劇增大，壓力會(huì)迅速降低，形成低壓區(qū)，這些低壓區(qū)域很容易發(fā)生空化現(xiàn)象，若空化現(xiàn)象持續(xù)累積將會(huì)造成減壓閥減壓性能的下降，增加運(yùn)行成本。

空化發(fā)生的根本原因是在液體溫度一定的條件下，液體的絕對(duì)壓力降低到當(dāng)?shù)仄瘔毫σ韵?，此時(shí)液體會(huì)汽化或者溶解于液體中的空氣發(fā)育形成空穴，當(dāng)空穴隨水流運(yùn)動(dòng)至高壓區(qū)時(shí)，氣泡會(huì)潰滅，若潰滅發(fā)生在固體避免附近，將會(huì)引起過(guò)流表面的材料損壞。

采用FLUENT進(jìn)行減壓閥的空化數(shù)值模擬，空化模型采用基于混合相的“Schnerr-Sauer”空化模型，汽化壓力取為3540Pa，空泡數(shù)密度為1e+13，進(jìn)口給定速度入口邊界條件，且進(jìn)口處水蒸氣體積分?jǐn)?shù)為零，出口給定壓力，同樣水蒸氣體積分?jǐn)?shù)為零，采用無(wú)滑移壁面條件。計(jì)算時(shí)先采用定常計(jì)算，然后在定常計(jì)算的基礎(chǔ)上采用非定常計(jì)算，時(shí)間歩長(zhǎng)取為5e-6s，計(jì)算步數(shù)取為2000，每一時(shí)間步迭代次數(shù)為20。見(jiàn)圖7、圖8。

圖7閥芯表面空泡體積分?jǐn)?shù)分布云圖

圖8導(dǎo)流板表面空泡體積分?jǐn)?shù)分布云圖

5.6減壓閥噪聲仿真分析

減壓閥內(nèi)的流場(chǎng)是極不穩(wěn)定的，不穩(wěn)定的流場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生一定強(qiáng)度的流噪聲。并且伴隨著空化現(xiàn)象的發(fā)生，空泡的不斷潰滅，勢(shì)必會(huì)引起減壓閥的噪聲和振動(dòng)，因此有必要對(duì)減壓閥內(nèi)的噪聲進(jìn)行仿真分析。

借助FLUENT，在空化非定常計(jì)算的基礎(chǔ)上，利用噪聲模塊，采用“Ffowcs-Williams&Hawkings”噪聲模型，遠(yuǎn)場(chǎng)密度為水密度998.2kg/m3,遠(yuǎn)場(chǎng)聲速為1483m/s，參考升壓為1e-5Pa，定義減壓閥閥芯為噪聲源，F(xiàn)W-H模型可以將流場(chǎng)分布轉(zhuǎn)化為閥芯表面的聲源，從而進(jìn)行噪聲分析。

由奈奎斯特采樣定律：在進(jìn)行模擬或數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，當(dāng)采樣頻率大于信號(hào)中的最高頻率的兩倍時(shí)，那么采樣之后的數(shù)字信號(hào)完整的保留了原始信號(hào)中的信息。一般實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該保證采樣頻率為信號(hào)最高頻率的5～10倍，本次噪聲數(shù)值模擬中取時(shí)間歩長(zhǎng)△t=5e-6s,則根據(jù)采樣最高頻率與時(shí)間歩長(zhǎng)的關(guān)系：

低頻時(shí)聲壓級(jí)幅值較大，且變化梯度大，隨著頻率的升高，幅值持續(xù)下降，最后在基本保持在一個(gè)定值，由此可知，噪聲的低頻能量較大，高頻部分能量較小。并且遠(yuǎn)離閥芯的位置噪聲越小，且上游噪聲較下游小一些。

5.7減壓閥節(jié)流錐型線優(yōu)化

基于對(duì)減壓閥流動(dòng)特性的分析，擬對(duì)減壓閥進(jìn)行節(jié)流錐型線進(jìn)行優(yōu)化，旨在降低空化發(fā)生率，同時(shí)期望閥芯附近的最大噪聲有一定的下降。

減壓閥閥芯斷面靠近上表面處最易發(fā)生空化，根本原因是此處流體過(guò)流通道的急劇改變形成了較大的速度梯度，因次可以考慮將端面與上表面之間的過(guò)渡面改為曲率更大的曲面形結(jié)構(gòu)，使流道更加光滑（見(jiàn)圖9）。

圖9減壓閥節(jié)流錐改型前后斷面型線對(duì)比圖

改型之后的減壓閥空化性能得到明顯地改善，氣泡的最大體積分?jǐn)?shù)由0.537減小到0.214，減幅達(dá)60%以上（見(jiàn)圖10）。

圖10改型前后減壓閥閥芯氣泡體積分?jǐn)?shù)分布圖

優(yōu)化前后的減壓閥有相同趨勢(shì)的聲壓級(jí)圖，優(yōu)化節(jié)流錐型線后的減壓閥聲壓級(jí)平均下降了20dB以上，并且優(yōu)化后的減壓閥聲壓級(jí)脈動(dòng)性較未優(yōu)化明顯，達(dá)到一定的減噪要求（見(jiàn)圖11）。

圖11改型前后減壓閥聲壓級(jí)對(duì)比圖

6　結(jié)論

通過(guò)對(duì)ZJY46H-25-P-④-Q2型減壓閥進(jìn)行三維建模，劃分網(wǎng)格，給定計(jì)算條件，對(duì)減壓閥進(jìn)行了CFD三維流場(chǎng)特性、空化特性和噪聲仿真的研究。由CFD計(jì)算結(jié)果來(lái)看，減壓閥在閥座與閥芯之間的過(guò)流區(qū)域流場(chǎng)最不穩(wěn)定，其壓力、速度等梯度變化較大，易發(fā)生空化現(xiàn)象并且伴隨著一定的噪聲，嚴(yán)重時(shí)可能影響機(jī)組技術(shù)供水的正常供應(yīng)。根據(jù)初步關(guān)于減壓閥的數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)節(jié)流錐進(jìn)行型線優(yōu)化，重新計(jì)算并與初始結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：優(yōu)化節(jié)流錐型線后的減壓閥在未改變減壓效果的前提下，其空化性能有所改善并且噪聲有一定的下降，達(dá)到了預(yù)期的優(yōu)化效果。

中圖分類(lèi)號(hào)：TH138.52

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-5387（2015）03-0056-06

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.03.017

收稿日期：2014-12-18

作者簡(jiǎn)介：李祥波（1979-），男，高級(jí)工程師，從事水電站機(jī)電、金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備建設(shè)及運(yùn)行管理工作。