核電廠合流型硼酸三通調(diào)節(jié)閥的流量特性研究

林仕杰，張 亮，崔滿滿，凌 飛，金志江，錢錦遠(yuǎn)

（1.浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院，杭州 310012；2.上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200233；3.浙江三方控制閥股份有限公司，杭州 311400）

0 引言

三通閥作為一種重要的截流控制元件，具有控制流量通斷、分合流介質(zhì)、調(diào)節(jié)分路流量比例等多種用途［1-2］。三通閥有多種分類方式：根據(jù)作用效果，可分為合流式、分流式、換向式三通閥等；根據(jù)外部形狀，可分為125°Y 型、135°Y 型、90°T型、90°L 型三通閥等；根據(jù)閥芯形狀，可分為柱塞式、套筒式、旋轉(zhuǎn)球體式三通閥等［3-4］。

三通調(diào)節(jié)閥已廣泛應(yīng)用于冷卻系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備、智能機(jī)器人等各個(gè)領(lǐng)域［5-9］。JOPPEN 等［10］提出了一種用于家庭使用的三通電動(dòng)控制閥，能夠在建筑物內(nèi)輸送低壓蒸汽或熱/冷水，提高了工業(yè)級(jí)結(jié)構(gòu)中超大閥桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)的整體可靠性。RAMY 等［11］提出了能滿足控制電力、加熱和冷卻功率的季節(jié)性需求的可調(diào)節(jié)三通閥，用于新型多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）。JUNGWOO等［12］開(kāi)發(fā)一種三通閥作為具有壓力驅(qū)動(dòng)功能的反應(yīng)平臺(tái)，將流體流動(dòng)功能與反應(yīng)室功能相結(jié)合，用于現(xiàn)場(chǎng)病原體檢測(cè)的試驗(yàn)室集成微設(shè)備。HAYATO 等［13］研制的一種小型液壓流量三通控制閥，作為液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人中的核心組件，已被應(yīng)用于各個(gè)救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)。荀中正等［14］介紹了硫酸裝置中高溫?zé)煔馐褂玫娜ㄩy，對(duì)管路實(shí)施改造，延長(zhǎng)了閥門的使用壽命。

為改進(jìn)三通閥的使用性能，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)三通閥做了大量研究。王渭等［15］為提高大流量三通閥的抗沖擊能力，基于FLURNT 流場(chǎng)分析軟件建立數(shù)值模擬模型，流動(dòng)介質(zhì)選取為純水，在不同壓力和流量條件下給出了閥門內(nèi)部流場(chǎng)的云圖，驗(yàn)證大流量三通閥在煤礦領(lǐng)域的實(shí)用可靠性。楊琦等［16］為提高某冷卻系統(tǒng)的功耗和效率，基于數(shù)值模擬，研究了在整個(gè)冷卻系統(tǒng)中處于關(guān)鍵部分的三通閥內(nèi)部的速度和壓力梯度，研究結(jié)果表明三通閥在使用過(guò)程中應(yīng)盡量避免處于接近全關(guān)或全開(kāi)的閥位，從而保證系統(tǒng)的安全可靠性。周德海等［17］對(duì)活塞型自力式三通閥切換時(shí)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行仿真研究，并建立活塞型自力式三通閥性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

當(dāng)前現(xiàn)有三通閥的相關(guān)流動(dòng)特性研究仍較多地關(guān)注閥門閥位全開(kāi)和全關(guān)的動(dòng)態(tài)切換性能，而三通調(diào)節(jié)閥流量特性的研究成果仍然不夠豐富。本文以我國(guó)三代核電用合流型柱塞式三通調(diào)節(jié)閥為研究對(duì)象，其硼酸濃度調(diào)節(jié)子系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，存在調(diào)硼效果不理想、某些工況條件下硼偏差過(guò)大、閥門開(kāi)度控制不在最佳控制區(qū)域、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，針對(duì)上述研究不足和實(shí)際問(wèn)題，開(kāi)展三通閥在不同閥位及不同工況下的流動(dòng)特性研究，通過(guò)建立該合流型柱塞式三通調(diào)節(jié)閥流道數(shù)值模型，分別模擬在三通閥總流量較大和較小時(shí)，和兩路入口總壓力相等和不相等時(shí)的閥內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)，繪制流量特性曲線和壓力、速度云圖，從而探究三通調(diào)節(jié)閥在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生上述問(wèn)題的原因，并評(píng)估該合流型三通調(diào)節(jié)閥總流量大小和兩路入口管路內(nèi)總壓力不相等對(duì)三通閥調(diào)節(jié)性能的影響，有利于豐富三通閥的研究成果，給閥門結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)和依據(jù)。

1 數(shù)值方法

1.1 幾何模型

核電調(diào)節(jié)硼酸濃度子系統(tǒng)用三通調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)如圖1 所示，核心部件包括閥體、上閥籠、下閥籠、閥芯。閥體外型呈T 型，下閥籠放置于閥體內(nèi)底部的閥座上，上、下閥籠通過(guò)梯形卡槽相互固定，窗口角度保持一致，閥芯被限制在下閥籠內(nèi)部上下移動(dòng)，閥籠喉徑和閥芯尺寸如圖2 所示。閥桿與電動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連接，閥門進(jìn)、出口法蘭通過(guò)螺栓連接。

圖1 合流型三通調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of three-way converging regulating valve

圖2 閥籠及閥芯結(jié)構(gòu)尺寸示意Fig.2 Schematic diagram of valve cage and core structure dimensions

在實(shí)際使用過(guò)程中，閥門整體豎直安裝，閥桿垂直水平面移動(dòng)。高濃度硼酸溶液從一側(cè)水平入口流入閥門，除鹽水從下側(cè)入口流入閥門，兩路流體于閥門內(nèi)部匯合，高濃度硼酸溶液被除鹽水稀釋，低濃度硼酸溶液從一側(cè)水平出口流出。上下閥籠的作用是實(shí)現(xiàn)閥芯和閥體間的配合安裝，其矩形窗口能導(dǎo)流閥內(nèi)流體，減小渦旋。閥芯的作用是改變高濃度硼酸溶液路和除鹽水路的最小流通截面積，調(diào)整兩路入口的流量比例，控制出口硼酸溶液濃度。流道半透明三維模型如圖3 所示。三通調(diào)節(jié)閥的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 閥門主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main parameters of the valve

圖3 流道半透明三維模型示意Fig.3 Schematic diagram of semitransparent threedimensional model of flow passage

1.2 網(wǎng)格劃分

采用四面體網(wǎng)格和六面體網(wǎng)格對(duì)三通閥流道模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。該模型核心部分幾何形狀復(fù)雜且尺寸較小。四面體網(wǎng)格對(duì)三通閥流道形狀適應(yīng)性好，網(wǎng)絡(luò)生成快速。由于本身模型尺寸小，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的網(wǎng)格數(shù)，故采用四面體網(wǎng)格。生成網(wǎng)格如圖4 所示，網(wǎng)格逆正交質(zhì)量為8.13。當(dāng)閥門開(kāi)度為50%時(shí)，將平均單元尺寸作為自變量，將硼酸側(cè)入口流量作為因變量和監(jiān)測(cè)對(duì)象，做網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證。

圖4 流道網(wǎng)格模型示意Fig.4 Schematic diagram of grid model of flow passage

當(dāng)平均單元尺寸≤1 mm 時(shí)，硼酸側(cè)入口流量基本保持不變，故將平均單元尺寸設(shè)置為1 mm，見(jiàn)表2。劃分后的流道離散網(wǎng)格模型如圖4 所示。

表2 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證Tab.2 Grid independence verification

1.3 試驗(yàn)裝置

三通閥流量試驗(yàn)管路布局與試驗(yàn)原理如圖5所示，測(cè)試場(chǎng)地為美國(guó)某市的水力研究試驗(yàn)室，主要部件包括儲(chǔ)液箱、液泵、測(cè)試閥、測(cè)試儀表、管件、截止閥、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等。

圖5 合流型三通調(diào)節(jié)閥試驗(yàn)布局示意Fig.5 Schematic diagram of experimental layout of three-way converging regulating valve

測(cè)試程序遵循標(biāo)準(zhǔn) ISA 75.02.01-2008。被測(cè)閥門的開(kāi)度從100%全開(kāi)變化至0 全關(guān)，再?gòu)?全關(guān)變化至80%開(kāi)度，每隔20%測(cè)定1 組，共測(cè)定10 組，出口總流量控制在0.011 m3/s 不變，入口壓力控制在0.22 MPa 左右。

流量試驗(yàn)完成了以下工作：通過(guò)下游控制閥設(shè)定出口總流量，閥內(nèi)流量方向從B 到A，C 到A；使用精密刻度表或壓力變送器記錄上游壓力；使用差壓變送器記錄閥門出入口的壓差；使用校準(zhǔn)的流量計(jì)記錄體積流量；記錄流體溫度，試驗(yàn)室里的水溫保持相對(duì)恒定；記錄環(huán)境氣壓。最終計(jì)算出每種流量條件下閥門的流量系數(shù)Cv，繪制流量曲線圖。

從圖5 中看出，被測(cè)三通閥閥體通徑為3NB，閥門三通閥上游的每個(gè)入口處安裝了相當(dāng)于至少20 個(gè)直徑的直鋼管，在三通閥的出口處向下游安裝了相當(dāng)于8 個(gè)通徑的直鋼管。液體壓力計(jì)和流量計(jì)分別位于閥門上游兩入口的2 個(gè)直徑和下游6 個(gè)直徑處，下游液體流量計(jì)位于下游6 個(gè)直徑處，且所有的壓力計(jì)算都考慮了壓頭之間的沿程局部水力損失。

其中，測(cè)試流程分為3 個(gè)階段。第1 個(gè)階段為單通路測(cè)試，開(kāi)啟閥門1，3，4，被測(cè)閥門閥位降到最低，測(cè)試從B 口到A 口的單路流量特性；第2個(gè)階段為單通路測(cè)試，開(kāi)啟閥門2，4，被測(cè)閥門閥位抬到最高，測(cè)試從C 口到A 口的單路流量特性；第3 個(gè)階段為雙通路測(cè)試，開(kāi)啟閥門1，2，4，被測(cè)閥門閥位依次向上降低至20%，40%，60%，80%，再依次抬升至60%，40%，20%，共進(jìn)行7 組測(cè)試，測(cè)試從B 口到A 口、從C 口到A 口的雙路流量特性。在測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)下游總給水流量調(diào)節(jié)閥開(kāi)度來(lái)維持三通閥出口總流量恒定。

試驗(yàn)結(jié)果在3.1 節(jié)詳細(xì)說(shuō)明，主要是用于對(duì)照模擬所得流量特性曲線的結(jié)果，驗(yàn)證模擬結(jié)果的合理性。

1.4 三通閥模擬邊界條件設(shè)定

流場(chǎng)模擬分析分為兩步：第1 組硼酸側(cè)和除鹽水側(cè)入口壓力相等，壓力參數(shù)設(shè)置為220 kPa，出口流量參數(shù)2 次分別設(shè)置為0.55，5.5 kg/s，用于測(cè)試三通閥流量特性曲線和入口壓力相等條件下的流量分配情況；第2 組硼酸側(cè)和除鹽水側(cè)入口壓力不等，硼酸側(cè)入口壓力參數(shù)設(shè)置為73.5 kPa，除鹽水側(cè)入口壓力參數(shù)設(shè)置為125 kPa，出口流量參數(shù)2 次分別設(shè)置為0.55，5.5kg/s，用于測(cè)試三通閥在入口壓力不等條件下的流量分配情況。由于模擬采用的離散網(wǎng)格模型為包含對(duì)稱面的半模型，上述流量參數(shù)設(shè)置為實(shí)際值的一半。

硼酸濃度調(diào)節(jié)范圍為0 ～ 2.7×10-3，即質(zhì)量最高僅占混合流體的0.027%，硼酸的密度為1.43 kg/m3，為水密度的1.43 倍，因此在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，硼酸濃度對(duì)混合流體物性參數(shù)影響小，允許簡(jiǎn)化。故將流體介質(zhì)設(shè)置為常溫（20 ℃）的水，通過(guò)考察三通閥兩路入口流量比率，評(píng)價(jià)其性能。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn) k-ε模型，近壁面處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁面方程，求解方法采用默認(rèn)設(shè)置，迭代步數(shù)設(shè)置為10 000。在模型出入口設(shè)置檢測(cè)面。迭代收斂后，獲取除鹽水入口流量Qw，硼酸入口流量Qb，除鹽水入口壓力Pw，硼酸入口壓力Pb，出口壓力Po。計(jì)算時(shí)，除鹽水路壓差ΔPw=Pw-Po，硼酸路壓差ΔPb=Pb-Po。

2 數(shù)學(xué)模型

流向相互垂直的兩路介質(zhì)在豎直安裝的三通調(diào)節(jié)閥內(nèi)混合，從閥門出口流出，其壓力和流速發(fā)生變化。在閥芯和閥籠喉部之間的縫隙處，由于流通截面積縮小，該處的流速增大，靜壓力下降。另外液體與閥門壁面的摩擦及湍流內(nèi)部的相互摩擦，使得部分水力能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。假設(shè)來(lái)自硼酸入口的壓力為p1，介質(zhì)質(zhì)量流量為Qm1，流速為v1；來(lái)自除鹽水入口的的壓力為p2，介質(zhì)質(zhì)量流量為Qm2，流速為v2；出口流量壓力為p3，流速為v3。因此根據(jù)能量守恒定律，三通閥內(nèi)部流體伯努利方程式為：

研究采用標(biāo)準(zhǔn) k-ε湍流模型計(jì)算三通閥流場(chǎng)。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型廣泛應(yīng)用于湍流模型的計(jì)算，綜合了較低計(jì)算量和較高精度的優(yōu)點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn) k-ε湍流模型的主要方程為：

式中，vt為渦黏性系數(shù)；P 為湍動(dòng)能生成項(xiàng)。對(duì)于上式的系數(shù)，設(shè)置參數(shù)如下：Cμ=0.09，C1=1.44，C2=1.92，σk=1。

流量系數(shù)Kv計(jì)算公式為：

式中，Q 為體積流量，m3/h；ρ為水的密度，kg/m3；ΔPv為閥門的凈壓差，kPa；ρ0為15 ℃水的密度，kg/m3。

換算為流量系數(shù)Cv為：

將模擬與試驗(yàn)得到的流量、壓差數(shù)據(jù)帶入式中，可以計(jì)算得到三通閥在各開(kāi)度下的兩路流量系數(shù)。

3 計(jì)算結(jié)果與討論

3.1 閥門固有特性及流場(chǎng)分析

圖6 示出三通閥流量特性曲線模擬結(jié)果及試驗(yàn)結(jié)果，模擬及試驗(yàn)條件為：出口流量恒定為11 kg/s，三通閥雙側(cè)入口壓力均為220 kPa。三通閥流量系數(shù)模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的平均偏差為E=3.94%，吻合度較高，故認(rèn)為所做的模擬試驗(yàn)結(jié)果是準(zhǔn)確可靠的。其中三通閥除鹽水側(cè)流通系數(shù)呈近似斜率為k=-1.6 的趨勢(shì)線性下降，即除鹽水側(cè)流通系數(shù)隨閥門開(kāi)度L/Lm均勻減小，當(dāng)除鹽水側(cè)全開(kāi)即閥門開(kāi)度為L(zhǎng)/Lm=0%時(shí)，除鹽水側(cè)最大流通系數(shù)為Cv=160；三通閥硼酸側(cè)流通系數(shù)呈近似斜率為k=1.2 線性上升，即硼酸側(cè)流通系數(shù)隨閥門開(kāi)度L/Lm均勻增大，硼酸側(cè)全開(kāi)即閥門開(kāi)度為L(zhǎng)/Lm=100%時(shí)，硼酸側(cè)最大流通系數(shù)Cv=120?？梢耘袛啵陔p側(cè)入口壓力相等且出口總流量足夠大的條件下，三通閥自身流量特性曲線能夠滿足按比例調(diào)節(jié)硼酸濃度的需求。

圖6 三通閥流量特性曲線模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.6 Comparison between simulated and experimental results of the flow characteristic curve of the three-way valve

合流型硼酸調(diào)節(jié)三通閥在不同閥位閥內(nèi)流場(chǎng)的對(duì)稱面速度云圖如圖7 所示，壓力云圖如圖8所示，開(kāi)度50%的橫截面速度云圖如圖9 所示。如圖7，9 所示，硼酸溶液從左側(cè)入口進(jìn)入三通調(diào)節(jié)閥后，先經(jīng)上閥籠節(jié)流窗口自外向內(nèi)進(jìn)入閥門上腔，然后向下通過(guò)上閥籠和閥芯間最小截流面積處進(jìn)入閥門中腔；除鹽水從下側(cè)入口進(jìn)入三通調(diào)節(jié)閥后，先經(jīng)上閥籠和閥芯間最小截流面積處進(jìn)入閥門下腔，然后經(jīng)下閥籠截留窗口自內(nèi)向外進(jìn)入閥門中腔。在閥門中腔硼酸溶液和除鹽水匯合，并經(jīng)出口流道流出三通調(diào)節(jié)閥。

圖7 合流型三通調(diào)節(jié)閥在不同閥位閥內(nèi)流場(chǎng)的速度云圖和流線（總流量11 kg/s）Fig.7 Velocity contour and streamline diagram of flow field in boric acid three-way converging regulating valve at different valve positions（total flow rate 11 kg/s）

圖8 合流型三通調(diào)節(jié)閥在不同閥位閥內(nèi)流場(chǎng)的對(duì)稱面壓力云圖（總流量11 kg/s）Fig.8 Pressure contour of flow field in boric acid three-way converging regulating valve at different valve positions（total flow rate 11 kg/s）

圖9 合流型三通調(diào)節(jié)閥在開(kāi)度50%時(shí)的閥籠橫截面速度云圖和流線（總流量11 kg/s）Fig.9 Velocity contour and streamline diagram of boric acid three-way converging regulating valve at 50% opening on cross section of the valve cage（total flow rate 11 kg/s）

由圖7（a）可知，當(dāng)閥門開(kāi)度10%時(shí)，左側(cè)入口流域流速較大，下側(cè)入口流域流速較小，最高流速出現(xiàn)于閥芯和上閥籠間隙處的出口一側(cè)。硼酸溶液經(jīng)過(guò)閥芯和下閥籠間最小截流面，在閥中腔內(nèi)形成低速順時(shí)針渦旋，引起該股流體流向發(fā)生大幅偏轉(zhuǎn)，與除鹽水匯合后，進(jìn)入閥出口流道。由圖7（c）可知，當(dāng)閥門開(kāi)度90%時(shí)，左側(cè)入口流域流速較小，下側(cè)入口流域流速較大，流速最高處出現(xiàn)于閥芯和下閥籠間隙處的出口側(cè)。除鹽水經(jīng)過(guò)閥芯和下閥籠間最小截流面，流經(jīng)下閥籠節(jié)流窗口，在閥下腔內(nèi)形成低速逆時(shí)針渦旋，引起該股流體流向發(fā)生大幅偏轉(zhuǎn)，與硼酸溶液匯合后，經(jīng)過(guò)下閥籠右側(cè)窗口進(jìn)入閥出口。

由圖7（b）可知，當(dāng)閥門開(kāi)度50%時(shí)，閥上腔及閥下腔渦旋同時(shí)產(chǎn)生且反向旋轉(zhuǎn)，兩股渦旋相互制約。經(jīng)流體充分發(fā)展，當(dāng)閥門開(kāi)度10%時(shí)，出口平均壓力為0.212 MPa；當(dāng)閥門開(kāi)度50%時(shí)，出口平均壓力為0.209 MPa；當(dāng)閥門開(kāi)度90%時(shí)，出口平均壓力為0.213 MPa。出口壓力越低則閥門壓降越大，即閥門流阻越大?？梢缘玫酱藭r(shí)雙渦旋引起流體阻力上升，流通能力下降，導(dǎo)致部分流體滯留于閥腔內(nèi)。流域出口流體明顯分層，上層流體來(lái)自左側(cè)硼酸入口，下層流體來(lái)自下側(cè)除鹽水入口，最終合流為一股水平水流。

由圖8 可知，當(dāng)閥位較低或較高時(shí)，閥芯所受壓力呈現(xiàn)不均勻分布。如圖8（a）示出當(dāng)閥門開(kāi)度10%時(shí)，閥芯底部靠左側(cè)存在高壓區(qū)；如圖8（c）示出當(dāng)閥門開(kāi)度90%時(shí)，閥芯上部靠右側(cè)存在高壓區(qū)。這種不均勻的壓力分布會(huì)對(duì)閥芯產(chǎn)生不平衡力矩，該現(xiàn)象會(huì)阻礙閥芯的啟閉運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致閥芯卡滯，是引起閥門響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)的因素之一；影響閥芯和閥籠間的通流面形態(tài)，降低調(diào)節(jié)精度；增大閥芯磨損，降低閥芯的使用壽命。

3.2 基于不同總流量工況的流動(dòng)特性分析

圖10 示出的在雙側(cè)入口壓力相等條件，不同出口總流量工況下的模擬結(jié)果。其中一組雙側(cè)入口壓力邊界條件設(shè)定為220 kPa，出口流量邊界條件為11 kg/s；另一組雙側(cè)入口壓力邊界條件設(shè)定相同，出口流量邊界條件為1.1 kg/s。由圖可見(jiàn)，當(dāng)出口流量恒定為11 kg/s 時(shí)，三通閥流量分配曲線總體呈線性交叉狀，硼酸側(cè)流量Qb隨開(kāi)度L/Lm增大而上升，除鹽水側(cè)流量Qw隨開(kāi)度L/Lm增大而下降，曲線斜率基本保持不變，此時(shí)三通閥的調(diào)節(jié)性能較為理想。

圖10 不同總流量工況條件下三通閥模擬流量分配曲線對(duì)比Fig.10 Comparison of simulated flow distribution curves of three-way valve under different total flow conditions

當(dāng)出口流量恒定為1.1 kg/s 時(shí)，可得當(dāng)開(kāi)度L/Lm≤30%時(shí)，硼酸側(cè)流量Qb隨著開(kāi)度L/Lm增大而顯著上升，除鹽水側(cè)流量Qw隨著開(kāi)度L/Lm增大而顯著下降；當(dāng)開(kāi)度30%≤L/Lm≤80%，隨著開(kāi)度L/Lm的逐漸增大，硼酸側(cè)及除鹽水側(cè)流量Qw的變化幅度放緩；當(dāng)開(kāi)度L/Lm≥80%時(shí)，硼酸側(cè)流量Qb隨著開(kāi)度L/Lm增大而顯著上升，除鹽水側(cè)流量Qw隨著開(kāi)度L/Lm增大而顯著下降。硼酸側(cè)流量Qb曲線及除鹽水側(cè)流量Qw曲線呈以流量Q=0.55 對(duì)稱狀。由以上曲線規(guī)律可得，在總流量Q 為1.1 kg/s 的工況條件下，閥門在開(kāi)度30%≤L/Lm≤80%的調(diào)節(jié)能力較弱，明顯低于在開(kāi)度L/Lm≤30%及L/Lm≥80%非最佳閥位調(diào)節(jié)區(qū)間的調(diào)節(jié)能力。在總流量Q 為1.1 kg/s 的工況條件下，該三通調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)性能明顯降低。

當(dāng)入口壓力邊界條件設(shè)定為220 kPa，出口流量邊界條件為1.1 kg/s 時(shí)，不同閥位閥內(nèi)流場(chǎng)的對(duì)稱面速度云圖如圖11 所示，壓力云圖如圖12所示。由圖11 可得，相較總流量為11kg/s 的工況，此時(shí)閥內(nèi)總體流速顯著降低，但閥中腔仍存在低速渦旋。如圖11（a）（c）所示，當(dāng)開(kāi)度10%，90%時(shí)產(chǎn)生的單渦旋較總流量為11 kg/s 的工況有所減弱，此處渦旋所引起的機(jī)械能耗散程度有所降低；如圖11（b）所示，當(dāng)開(kāi)度50%時(shí)產(chǎn)生的連續(xù)雙渦旋較總流量為11 kg/s 的工況仍然強(qiáng)烈，此處渦旋引起流體阻力上升，流通能力下降，導(dǎo)致部分流體滯留于閥腔內(nèi)。因開(kāi)度10%及90%時(shí)產(chǎn)生的單渦旋影響減弱，開(kāi)度50%時(shí)產(chǎn)生的連續(xù)雙渦旋影響更為明顯，在一定程度上引起中部閥位的調(diào)節(jié)性能明顯降低。

圖11 合流型三通調(diào)節(jié)閥在不同閥位閥內(nèi)流場(chǎng)的速度云圖和流線圖總流量（1.1 kg/s）Fig.11 Velocity contour and streamline diagram of flow field in boric acid three-way converging regulating valve at different valve positions（total flow rate 1.1 kg/s）

圖12 合流型三通調(diào)節(jié)閥在不同閥位閥內(nèi)流場(chǎng)的壓力云圖（總流量1.1 kg/s）Fig.12 Pressure contour of flow field in boric acid three-way converging regulating valve at different valve positions（total flow rate 1.1 kg/s）

由圖12 可得，相較總流量為11 kg/s 的工況，此時(shí)閥內(nèi)總體壓力明顯升高，且整體壓力趨于平均，壓差減小。如圖12（a）所示，閥芯底部靠左側(cè)的高壓影響較總流量為11 kg/s 時(shí)的工況明顯減弱；如圖12（c）所示，閥芯上部靠右側(cè)的高壓影響較總流量為11 kg/s 的工況明顯減弱。由此可得，當(dāng)流量較小時(shí)，該閥由于不對(duì)稱結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的閥芯不平衡力明顯減小。

3.3 基于不同入口壓力的流動(dòng)特性分析

圖13 示出在雙側(cè)入口壓力不等條件下的流量分配模擬結(jié)果。

其中1 組硼酸側(cè)入口壓力邊界條件設(shè)定為73.5 kPa，除鹽水側(cè)壓力邊界條件設(shè)定為125 kPa，出口流量邊界條件為11 kg/s；另1 組雙側(cè)入口壓力邊界條件設(shè)定相同，出口流量邊界條件為1.1 kg/s。其中，分析總流量Q=1.1 kg/s 的測(cè)定結(jié)果可得，當(dāng)開(kāi)度L/Lm≤80%時(shí)，硼酸側(cè)流量Qb≤0，即硼酸側(cè)入口因雙側(cè)入口壓力不等出現(xiàn)低壓口回流現(xiàn)象，此時(shí)閥門在開(kāi)度0%≤L/Lm≤80%時(shí)失去調(diào)節(jié)性能；分析總流量Q=11 kg/s的測(cè)定結(jié)果可得，當(dāng)開(kāi)度L/Lm≤28%時(shí)，硼酸側(cè)流量Qb≤0，即硼酸側(cè)入口因雙側(cè)入口壓力不等出現(xiàn)低壓口回流現(xiàn)象，此時(shí)閥門在開(kāi)度0%≤L/Lm≤28%失去調(diào)節(jié)性能。由此可得，三通閥雙側(cè)入口壓力不等會(huì)導(dǎo)致部分閥位失去調(diào)節(jié)性能，且出口總流量Q 越小，該失效閥位區(qū)間越大。

在上述工況條件下，繪制了不同閥位閥內(nèi)流場(chǎng)速度云圖和流線，如圖14 所示。比較圖14（a）（b）可得，當(dāng)開(kāi)度10%時(shí)，左側(cè)即硼酸側(cè)入口都出現(xiàn)了回流現(xiàn)象，此時(shí)兩種出口流量條件下閥位都失效。由于通流面積突然減小和回流效應(yīng)，閥芯上表面的流速顯著增大。在上腔右側(cè)形成了較大低速渦旋。當(dāng)右側(cè)出口總流量為11 kg/s 時(shí)，閥內(nèi)流速普遍更大，且在閥中腔產(chǎn)生低速渦旋，并引起渦旋邊緣即靠近閥芯下表面一側(cè)形成一段高速流動(dòng)區(qū)域，出口段流動(dòng)更為平穩(wěn)。當(dāng)右側(cè)出口總流量為1.1 kg/s 時(shí)，閥內(nèi)流速普遍更小，且閥中腔的渦旋影響較小，左側(cè)回流段流動(dòng)更為平穩(wěn)。

圖14 合流型三通調(diào)節(jié)閥在不相等入口壓力邊界條件下的閥內(nèi)流場(chǎng)速度云圖和流線Fig.14 Velocity contour and streamline diagram of boric acid three-way converging regulating valve under different inlet pressure boundary conditions

比較圖14（c）（d）可得，當(dāng)開(kāi)度50%時(shí)，出口流量為1.1 kg/s 時(shí)未出現(xiàn)回流現(xiàn)象，出口流量為1.1 kg/s 時(shí)左側(cè)即硼酸側(cè)入口出現(xiàn)了回流現(xiàn)象，此時(shí)僅1.1 kg/s 出口流量條件下閥位失效。在開(kāi)度50%的條件下，兩種出口流量條件的閥內(nèi)總體流速較為接近。由于通流面積突然減小和下側(cè)即除鹽水側(cè)入口的高壓影響，都在閥芯下表面形成高速流動(dòng)區(qū)。當(dāng)右側(cè)出口總流量為11 kg/s 時(shí)，左側(cè)入口的流速接近于0，從左側(cè)進(jìn)入的流體最終滯留于上腔頂端的渦旋中，且出口段流動(dòng)更為平穩(wěn)。當(dāng)右側(cè)出口總流量為1.1kg/s 時(shí)，出口段管路內(nèi)形成范圍較大的渦旋，導(dǎo)致一部分流體回流至三通閥出口端面，降低了流動(dòng)效率。

比較圖14（e）（f）可得，當(dāng)開(kāi)度90%時(shí)，左側(cè)即硼酸側(cè)入口都未出現(xiàn)回流現(xiàn)象。中腔都產(chǎn)生了低速渦旋。此時(shí)兩種出口流量條件下的流動(dòng)都較為平穩(wěn)，狀態(tài)比較接近。

4 結(jié)論

（1）三通閥在總流量Q 為11 kg/s 時(shí)能保持良好的調(diào)節(jié)性能，能夠滿足機(jī)組均勻調(diào)硼的需求，但當(dāng)總流量Q 為1.1 kg/s 時(shí)，開(kāi)度30%≤L/Lm≤80%調(diào)節(jié)能力較差，在開(kāi)度L/Lm≤30%及L/Lm≥80%間內(nèi)硼濃度變化劇烈，此時(shí)三通閥調(diào)節(jié)性能不理想，這是引起機(jī)組在個(gè)別工況下調(diào)硼效率下降的重要原因。

（2）三通閥中腔內(nèi)存在較大低速渦旋，導(dǎo)致三通閥流通能力下降。在開(kāi)度為50%時(shí)，總流量Q 為11，1.1 kg/s 條件下閥中腔都產(chǎn)生了較強(qiáng)烈的連續(xù)雙渦旋，使流體流速減緩并滯留于閥中腔內(nèi)。三通閥受不平衡力矩影響，該現(xiàn)象在總流量Q 為11 kg/s 時(shí)更為明顯。

（3）閥門開(kāi)度控制不在最佳控制區(qū)域，各工況下閥位均較高，調(diào)硼效果不理想，較小流量、較低硼濃度時(shí)硼偏差過(guò)大。該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是三通閥雙側(cè)入口壓力不等。由于實(shí)際機(jī)組運(yùn)行中，硼酸側(cè)入口壓力Pp=73.5 kPa，除鹽水側(cè)入口壓力Pw=125 kPa，導(dǎo)致除鹽水側(cè)介質(zhì)往硼酸一側(cè)倒流，且出口總流量越小，該現(xiàn)象越明顯，失效閥位越大，可調(diào)節(jié)區(qū)間越小。解決方法為在高壓入口處安裝減壓閥，以調(diào)平兩側(cè)入口的壓力。