超超临界安全阀设计及流场特性分析
摘要
超超临界火电机组已成为我国发电领域的主力，作为机组关键部件的安全阀
是机组安全高效运行的重要组成部分，保障机组不超过指定压力，防止设备因高
压发生故障及事故。目前我国高端阀门的整体技术水平相对较低，绝大部分长期
依赖进口，因此，吸收国外先进的技术和经验，设计一种适用于超超临界特殊工
况的新型安全阀，并评估其可靠性具有重要的实际意义。本文通过理论设计、数
值模拟、试验验证三种方式对超超临界安全阀进行了设计和分析，具体包括以下
内容和结论：
（1）通过分析各类安全阀特点，根据超超临界火电机组的特殊工况和要求，
本文设计了一种弹簧直接作用式安全阀，这种安全阀具有结构简易、动作流程简
单、使用可靠、能够精确控制等优点；根据相关标准，采用理论计算的方式获得
了安全阀排量、排放反力、排放压力、回座压力以及满足强度要求的阀体壁厚等
关键参数。
（2）基于流体力学方法及稳态模拟技术，建立高精度流体仿真模型，对安全
阀进行CFD（ComputationalFluidDynamics，计算流体动力学）分析。获得了安全
阀在不同工作状态下的压力、温度、马赫数以及流线变化的流场特性，发现不同
压力工况下的安全阀内部流场分布基本一致；其中帘面通道是流体流动特性的主
要表现区域；在工作过程中阀门出口出现了超音速流域，表明蒸汽排放速度较高，
即排放系数较大，阀门能够较好地实现泄压能力，验证了所设计拉法尔原理阀座
的工作能力。
（3）计算了安全阀在不同压力下的升力与排量，结果表明安全阀能够在理论
设计的排放压力、整定压力、启闭压差为7%的回座压力下有效响应；发现排量随
开度成线性变化，为预测安全阀在不同工况下的泄压能力，建立了压力与排量数
学模型。并根据内部流场温度变化对安全阀结构模型进行加载，分析了高温工况
对安全阀结构的影响，发现高温主要集中阀体、阀座上，而冷却器对于阀门上半
部分结构具有47%的温度阻隔作用，弹簧部位不会受到排放蒸汽的热影响，表明
本文采用的冷却器结构在工作中的有效性。同时考虑高温会导致安全阀承压件（阀
体、阀座）强度降低，将以上研究获得的压力、温度等载荷等效到安全阀承压件
上进行有限元应力分析，得出的应力分析结果均在限制值以下，进一步验证了安
全阀结构强度的可靠性。
（4）建立合理的方案进行试验，试验得到的位移及压力随时间变化的曲线平
--I
缓稳定，没有出现剧烈的震荡，并且能够对系统中的压力变化做出迅速且可靠的
响应，表明本文设计的安全阀能够在设定的压力范围内有效地打开和关闭，向系
统提供所需的压力释放保护。并分析了试验与仿真升力对比曲线，发现各开度下
的仿真升力均大于试验升力，但整体趋势保持一致，且最大误差为5.06%，在允许
的误差范围内，验证了数值模拟技术研究安全阀流动性能的准确性。
关键词超超临界；安全阀；流体分析；试验验证
II
--
UltraSupercriticalSafetyValveDesignandFlowField
CharacterizationAnalysis
Abstract
UltrasupercriticalthermalpowerunitshavebecomethemainforceinChinas
powergenerationfield,asthekeycomponentsoftheunitsafetyvalveisanimportant
partofthesafeandefficientoperationoftheunit,toensurethattheunitdoesnotexceed
thespecifiedpressure,topreventequipmentfailureandaccidentsduetohighpressure.
Atpresent,theoveralltechnicallevelofChinashigh-end