高温高压大流量核电/火电控制阀的耦合振动与泄漏自感知机理研究

The security of nuclear power plant has become the bottleneck of the further application of nuclear technology. At present the key control valves used in Chinese nuclear power plants and high-parameter large-capacity steam power plants are mostly imported. The practice of Qinshan nuclear power plant shows that in the condition of high temperature(>220-260oC)，high pressure(>112.5bar) and large flow(steam flow>1800t/h), the fluid-solid coupled vibration of control valve can lead to the vibration of valve core, which will cause the valve corrected value migration, reduce the control accuracy, cause leakage fault, result in huge noise (>100dB) and weaken the ability of bearing external vibration such as earthquake. Nowadays the mechanism of the fluid-solid coupled vibration of control valve is not clear yet. This project will study the mechanism of the fluid-solid coupled vibration of control valve under the condition of complex flow field, high temperature, large flow, high pressure and radiation to get the transient and steady state response characteristics of fluid-solid couple, carry out the impact analysis of fluid-solid vibration, reduce the valve vibration and noise, and improve the control precision of the valve. Based on the analysis of coupling dynamics, this project will establish self-sensing leakage model of control valve, which is used to develop new method of intelligent diagnosis for control valve faults such as the leakage and block. All in all, this project will establish the theoretical basis for Chinese independent manufacture of nuclear-power and steam-power control valve.

核电站的安全问题成为核电技术进一步应用的瓶颈。控制阀是确保核电/火电站安全运行的关键设备。目前我国核电站与高参数大容量的火电站所用的关键控制阀几乎全进口。秦山核电站等的实践证明：高温（>220-260oC）、高压（>112.5bar）、大流量（蒸汽量>1800t/h）条件下控制阀内的流固耦合可导致阀芯振动，诱导控制阀的整定值出现异常迁移，降低控制精度，造成泄漏故障，导致巨大的噪声（>100dB），削弱阀门承受地震的能力。目前关于控制阀的流固耦合振动机理尚不十分清楚。本项目将研究控制阀在温度高、流量大、压力大、具有辐射条件下的流固耦合振动特性，揭示流固耦合对控制阀的整定值迁移、控制精度等的影响规律，提高控制精度,降低阀门的振动与噪声；以流固耦合振动分析为基础，建立控制阀的泄漏自感知模型，发展诊断控制阀泄漏/堵塞等故障的新方法。项目将为核电/火电关键控制阀的中国自主制造奠定理论基础。

核电/火电控制阀是确保电站安全运行的关键设备。实践表明：在核电/火电的特殊环境下，流体的流动与控制阀内部部件的运动相互影响，形成耦合振动、噪声，降低了控制阀的控制精度，甚至导致阀门发生泄漏事故。为推动控制阀的安全性能升级，需对控制阀的流固耦合机理和泄漏故障的检测方法进行深入研究。. 本项目建立了控制阀在复杂环境条件下的流固耦合模型，研究了流固耦合作用下控制阀的响应特性，揭示了控制阀的流固耦合振动机理，获得了流固耦合对控制阀的流量特性、控制精度、振动、噪音等的影响规律，为抑制控制阀的流固耦合振动与噪声提供方法。研究结果表明，在流固耦合区域，控制阀部件（如阀芯）的运动或变形改变了流场的分布规律；流固耦合降低了控制阀的低阶固有频率，导致阀芯受到的流体载荷出现周期性振荡，诱导控制阀的整定值出现迁移；流固耦合还改变了控制阀的压降比，造成控制阀的流量特性发生畸变，降低了阀门的控制精度；改进控制阀的内腔结构，优化流道，可以降低流体能量损失，降低压力和流量波动对阀芯造成的流体瞬时载荷，减小周期性振荡的流体力，从而实现对控制阀的耦合振动和噪声的抑制。. 提出了通过建立控制阀的质量流变化率模型来诊断控制阀的泄漏/堵塞等故障的新方法。建立了控制阀的泄漏/堵塞自感知模型，使控制阀具有流体外泄漏/堵塞自感知的能力,监控质量流的变化率，可实现泄漏/堵塞故障的自感知。. 本项目的研究，有助于提高核电/火电装备的技术水平，为核电/火电关键控制阀的中国自主制造奠定理论基础。