Оптимизация перепускного клапана

Статья | 11 сентября 2021
Поделиться в социальных сетях

Обычно электростанции работают на фиксированных нагрузках и при докритических условиях (до 220 бар). В сегодняшних непростых экономических условиях электростанции зачастую должны работать при переменных нагрузках для удовлетворения существующего спроса и повышения эффективности работы. При этом работа часто проводится при закритических условиях. Соответственно, перепускные клапаны турбин осуществляют циклы более часто и работают при более высоких температурах. В результате клапаны подвергаются большим тепловым и механическим нагрузкам.

/   Цель проекта

Перепускной клапан турбины

В связи с этим, специалисты индийской компании Control Components Inc. (CCI) должны были модернизировать конструкцию перепускных клапанов турбины. Для этих целей проводились расчеты с использованием гидродинамических кодов Ansys, что позволило инженерам CCI получить визуализацию полевых величин в клапане, а также оценить гидравлические и тепловые нагрузки, которым подвергается клапан. Результаты расчетов помогли найти оптимальное решение для существующих проблем.

Компания Control Components Inc. является ведущим мировым производителем перепускных клапанов и заглушек. Клапаны пропускают поток высоко давления и температуры в обход турбины (ВД, СД и НД) из паропровода в холодную подводящую промежуточного перегрева или конденсатор. Перепускные клапаны позволяют парогенератору и турбине работать независимо друг от друга в фазе пуска и закрытия, а также при изменении нагрузки. В соответствии с условиями работы, переходной клапан должен за собой создавать большое снижение давления в жидкости (200 бар).

Кроме того, клапан производит контроль температуры – добавляя воду в пар, снижая его энтальпию. Этот процесс, который называют понижением температуры перегретого пара, уменьшает способность пара производить механическую работу и выделять тепло.

/   Реализация проекта

В процессе модернизации конструкции клапана инженеры компании CCI столкнулись с несколькими техническими проблемами. Проведение физических экспериментов было ограничено вследствие больших затрат. Даже в случае проведения подобных испытаний, полученные результаты не давали бы всей необходимой информации. При этом не было бы возможности наблюдать за режимами технологического процесса внутри клапана, на входе или на выходе.

Поле скоростей в сечении клапана

Стоит отметить, что моделировать понижение температуры перегретого пара очень сложно. В большинстве гидродинамических задач достаточно допустить, что жидкость иметь постоянную плотность или подчиняется закону идеального газа. Однако падение давления в клапане настолько высоко, что пар необходимо задавать как реальный газ для получения точного поля температур в клапане. В программном комплексе Ansys CFX содержится встроенная модель реального газа, обеспечивающая получение точных результатов при критических условиях. Уравнения реального газа также обеспечивают точные результаты для потока с фазовым переходом.

Поле давлений в сечении клапана

Вначале инженеры должны были получить поле скоростей на входе. В то время как на впуске можно легко измерить температуру и давление, в прошлом было практически невозможно определить реальное распределение скоростей в поперечном сечении патрубка на входе. Впускные патрубки расходятся в разных направлениях, и в связи с этим поле скоростей на входе достаточно неоднородное, что существенно влияет на работу клапана. Для решения данной проблемы впускные патрубки моделировались отдельно. Использовалась возможность экспорта граничных условий Ansys CFX для передачи поля скоростей в модель клапана.

Затем инженеры CCI приступили к моделированию распределительного клапана c использованием геометрической модели SolidWorks. Следует отметить, что геометрия клапана очень сложная. Для моделирования первой секции требовалась высокая точность, поскольку она воспринимает основную часть тепловых нагрузок.

Затем специалисты CCI с помощью сеточного генератора Ansys ICEM CFD создали достаточно мелкую гексаэдральную сетку для первой секции клапана. В клапане поток делится на две области: зона падения давления и зона понижения температуры перегретого пара. Результаты нестационарного расчета показали, что течение в клапане отличается от прогнозируемого. Инженеры передали поле давления и эквивалентный момент из CFD расчета в Ansys Mechanical для проведения прочностного расчета основных деталей клапана.

/   Результаты проекта

Поле напряжений

Компьютерное моделирование дало возможность за несколько недель провести модернизацию конструкции перепускного клапана – при использовании традиционных методов эта работа заняла бы около 12 месяцев. В результате были существенно сокращены технические затраты и получена улучшенная модель клапана.

 

 

    Принять участие

    заполните форму прямо сейчас!

    * Обязательные поля для заполнения

    Нажимая кнопку, я даю согласие на обработку моих персональных данных и согласен с политикой конфиденциальности