為了迎合對電力需求的高速增長，從 20 世紀 80 年代始，國內(nèi)主要的電站主機和輔機制造行業(yè)相繼引進了國外先進的設(shè)計技術(shù)和制造工藝，以適應(yīng)國內(nèi)大型電站機組發(fā)展的需要。到目前為止，從 300MW 亞臨界機組、600MW 亞臨界、600MW 超臨界、600MW超超臨界機組到 1000MW 超超臨界主、輔機設(shè)備，已基本實現(xiàn)了國產(chǎn)化并投產(chǎn)運行�；痣姍C組的大量投入帶動了高端閥門的需求。但是我國與電站機組配套的閥門制造行業(yè)卻沒有跟上電站裝備的發(fā)展，大部分國產(chǎn)高端閥門還處在技術(shù)較落后、可靠性較差、功能不強的水平，需要投入較大人力和時間對其進行調(diào)試和維修。而且國內(nèi)閥門制造企業(yè)不斷分化、不斷重組，至今還沒有形成公認的國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高端閥門品牌。在高參數(shù)閥門領(lǐng)域缺乏有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，使得我國高參數(shù)閥門大量依賴進口。分析 2010年國內(nèi) 600MW 機組招投標合同數(shù)據(jù)，一臺 600MW 亞臨界機組中進口閥門約 150 臺，費用約為 2400 萬元，“十一五”期間我國每年付給國外的閥門采購費高達 74 個億[8-10]。

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第 2 章 復(fù)雜結(jié)構(gòu)條件下調(diào)節(jié)類閥門數(shù)值模擬與優(yōu)化

2.1 研究目的與意義

調(diào)節(jié)閥是工業(yè)自動化過程控制中的重要執(zhí)行單元。在流量調(diào)節(jié)過程中，閥門的電動執(zhí)行機構(gòu)與閥門的流量特性相互配合，從而實現(xiàn)對控制對象的準確調(diào)節(jié)。伴隨著工程領(lǐng)域?qū)に噮?shù)越來越精準的調(diào)節(jié)需要，單純通過提高閥門電動執(zhí)行機構(gòu)的靈敏度來提高工藝參數(shù)控制精度的方式，已難以適應(yīng)工業(yè)發(fā)展的要求。此時，需要從閥門側(cè)改善閥門的流量特性，使其更適應(yīng)電動執(zhí)行機構(gòu)，達到流量參數(shù)精準控制的目的。傳統(tǒng)的閥門的流量設(shè)計是通過實驗方式，確定開度與流量之間的關(guān)系。為使調(diào)節(jié)閥達到預(yù)期的調(diào)節(jié)特性，需加工多個實驗樣品進行測試，耗時長，成本也高。另一方面，閥門向著大口徑大流量的方向發(fā)展，如在南水北調(diào)工程中，蝶閥的最大口徑在 5m 左右，西氣東輸管線中球閥直徑達到 52 英寸。對于超大口徑的閥門，通過實驗測試流量系數(shù)的成本很高，工程中難以實現(xiàn)。

2.2 閥門流動的數(shù)值模擬方法

按 Kn 數(shù)（Knudsen number)的不同，流動問題按尺度可分為微觀、介觀、宏觀三類。研究者針對三類問題建立了相應(yīng)的研究方法，分別是氣體分子運動論、格子波爾茲曼法（Lattice Boltzmann Method，簡稱 LBM）和連續(xù)介質(zhì)力學(xué)[46]。三種方法理論上相互貫通，按尺度條件，計算公式可相互轉(zhuǎn)換，這從側(cè)面證明了各種理論的可靠性。根據(jù)研究對象的尺度不同，三種研究方法在各自的領(lǐng)域有其優(yōu)勢，也有其不足。從工程的角度來看，目前宏觀模擬成為 CFD 的主流方向，介觀模擬次之。近年來有眾多學(xué)者進行了 LBM 數(shù)值模擬的研究，并有大量的工程應(yīng)用實例，甚至出現(xiàn)了商業(yè)用途的基于 LBM 法的介觀模擬軟件，但介觀模擬目前還存在著在難于處理流體可壓縮性，，計算速度較慢、計算結(jié)果不夠準確等問題。

第 3 章 高壓閥門節(jié)流區(qū)變溫效應(yīng)數(shù)值模擬........33

3.1 研究概況 .................33
3.2 實際氣體的狀態(tài)描述.................34
3.3 閥門節(jié)流過程變溫效應(yīng)理論分析....................37
第 4 章 高壓旁路閥多物理場耦合計算.............49
4.1 研究意義與目的 ...........49
4.2 高壓旁路閥熱工參數(shù)與結(jié)構(gòu) ...........50
4.3 高壓旁路閥流動及傳熱數(shù)學(xué)模型 ...........51
4.4 高壓旁路閥數(shù)值模擬計算 ........ 56

第 7 章 自力式液動高加給水三通閥關(guān)閉瞬態(tài)運動分析

7.1 研究意義與目的

在一些特殊的場合，閥門在管路系統(tǒng)中要起到快速截斷流體的作用，以保證緊急情況下人員及設(shè)備的安全。從安全的角度看，閥門關(guān)閉的時間越短越好。但是快速關(guān)閉的閥門有可能給管路系統(tǒng)帶來沖擊，產(chǎn)生水擊事故，同時快速關(guān)閉的閥門，閥芯與閥座的密封面高速碰撞在一起，有可能導(dǎo)致閥門密封面的損壞。因此，在閥門設(shè)計時要定量地分析閥門關(guān)閉時間、閥芯關(guān)閉速度等指標，合理設(shè)計閥門結(jié)構(gòu)。本章以火電系統(tǒng)中非常重要的安全控制閥——液動高加給水三通閥為研究對象，從流體力學(xué)的角度分析影響閥門關(guān)閉時間的各項因素，提出三通閥的關(guān)閉的計算時間與速度，為后續(xù)結(jié)構(gòu)力學(xué)合理設(shè)計閥門密封面提供依據(jù)。

7.2 高加給水三通閥工藝特點及結(jié)構(gòu)

高壓加熱器是鍋爐給水系統(tǒng)中的一個重要換熱單元，它的作用是把來自除氧器里的低溫水加熱后送入鍋爐。正常情況下鍋爐給水經(jīng)高壓加熱器加熱、再經(jīng)鍋爐給水母管進入鍋爐。但是考慮到高壓加熱器出現(xiàn)故障等情況，高加給水系統(tǒng)增設(shè)了一套旁路裝置，旁路裝置由兩個閥門構(gòu)成，一個是入口閥、一個是出口閥。當(dāng)鍋爐系統(tǒng)正常運行時，鍋爐給水從三通閥的主回路進入高壓加熱器，通過出口閥至鍋爐。當(dāng)高加出現(xiàn)故障時，高加給水三通閥的主回路快速關(guān)閉，旁通回路打開，以保證高壓加熱器解列，但不影響鍋爐正常供水。

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第 8 章 總結(jié)與展望

本文是作者近年來在超（超）臨界火電機組關(guān)鍵閥門國產(chǎn)化研究項目中所做的相關(guān)研究工作的總結(jié)。本文以流體動力學(xué)為切入點向湍流模型的分類比較、實際氣體節(jié)流過程數(shù)值熱力學(xué)分析、汽液固三相流固耦合傳熱、湍流轉(zhuǎn)捩、噪聲數(shù)值模擬幾個方向做了研究。并將這些理論及其相應(yīng)的模型應(yīng)用于超超臨界火電機組的最小流量調(diào)節(jié)閥、高低壓旁路調(diào)節(jié)閥、軸流式止回閥、自力式液動高加給水閥的設(shè)計與優(yōu)化工作中。研究工作取得了一些實質(zhì)性的進展，如最近獲知經(jīng)研究的閥門都已生產(chǎn)出樣機，大部分已進入工程應(yīng)用檢驗階段。但由研究對象的復(fù)雜，實驗手段的匱乏，諸多研究工作在深度及廣度還很不足。今將其中的收獲與不足匯總?cè)缦�，以期待同行及自己在將來工作中繼續(xù)研究：（1）探索了幾種常用的湍流模型及湍流近壁區(qū)的計算方法。對比了球閥、蝶閥、閥門流阻系數(shù)的實驗測試結(jié)果與不同湍流模型計算結(jié)果，結(jié)果表明，三種湍流模型的計算結(jié)果相近，k-ε 模型的計算精度略高于其它兩種；數(shù)值計算誤差與實測誤差小于 10%；在確定了計算模型及方法的基礎(chǔ)之上，對一種新型結(jié)構(gòu)的流量調(diào)節(jié)閥——活塞式最小流量調(diào)節(jié)閥的流阻系數(shù)進行了計算，并通過改變孔徑的方式優(yōu)化了調(diào)節(jié)特性曲線。

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參考文獻（略）

本文編號：198731