核电厂合流型硼酸三通调节阀的流量特性研究

林仕杰，张 亮，崔满满，凌 飞，金志江，钱锦远

（1.浙江大学 能源工程学院，杭州 310012；2.上海核工程研究设计院有限公司，上海 200233；3.浙江三方控制阀股份有限公司，杭州 311400）

0 引言

三通阀作为一种重要的截流控制元件，具有控制流量通断、分合流介质、调节分路流量比例等多种用途［1-2］。三通阀有多种分类方式：根据作用效果，可分为合流式、分流式、换向式三通阀等；根据外部形状，可分为125°Y 型、135°Y 型、90°T型、90°L 型三通阀等；根据阀芯形状，可分为柱塞式、套筒式、旋转球体式三通阀等［3-4］。

三通调节阀已广泛应用于冷却系统、医疗设备、智能机器人等各个领域［5-9］。JOPPEN 等［10］提出了一种用于家庭使用的三通电动控制阀，能够在建筑物内输送低压蒸汽或热/冷水，提高了工业级结构中超大阀杆执行机构的整体可靠性。RAMY 等［11］提出了能满足控制电力、加热和冷却功率的季节性需求的可调节三通阀，用于新型多联产系统的有机朗肯循环（ORC）。JUNGWOO等［12］开发一种三通阀作为具有压力驱动功能的反应平台，将流体流动功能与反应室功能相结合，用于现场病原体检测的试验室集成微设备。HAYATO 等［13］研制的一种小型液压流量三通控制阀，作为液压驱动机器人中的核心组件，已被应用于各个救灾现场。荀中正等［14］介绍了硫酸装置中高温烟气使用的三通阀，对管路实施改造，延长了阀门的使用寿命。

为改进三通阀的使用性能，国内外众多学者对三通阀做了大量研究。王渭等［15］为提高大流量三通阀的抗冲击能力，基于FLURNT 流场分析软件建立数值模拟模型，流动介质选取为纯水，在不同压力和流量条件下给出了阀门内部流场的云图，验证大流量三通阀在煤矿领域的实用可靠性。杨琦等［16］为提高某冷却系统的功耗和效率，基于数值模拟，研究了在整个冷却系统中处于关键部分的三通阀内部的速度和压力梯度，研究结果表明三通阀在使用过程中应尽量避免处于接近全关或全开的阀位，从而保证系统的安全可靠性。周德海等［17］对活塞型自力式三通阀切换时的动力学特性进行仿真研究，并建立活塞型自力式三通阀性能测试试验台对仿真结果进行验证。

当前现有三通阀的相关流动特性研究仍较多地关注阀门阀位全开和全关的动态切换性能，而三通调节阀流量特性的研究成果仍然不够丰富。本文以我国三代核电用合流型柱塞式三通调节阀为研究对象，其硼酸浓度调节子系统实际运行过程中，存在调硼效果不理想、某些工况条件下硼偏差过大、阀门开度控制不在最佳控制区域、响应时间长等问题，针对上述研究不足和实际问题，开展三通阀在不同阀位及不同工况下的流动特性研究，通过建立该合流型柱塞式三通调节阀流道数值模型，分别模拟在三通阀总流量较大和较小时，和两路入口总压力相等和不相等时的阀内流动状态，绘制流量特性曲线和压力、速度云图，从而探究三通调节阀在实际生产过程中产生上述问题的原因，并评估该合流型三通调节阀总流量大小和两路入口管路内总压力不相等对三通阀调节性能的影响，有利于丰富三通阀的研究成果，给阀门结构优化设计提供理论指导和依据。

1 数值方法

1.1 几何模型

核电调节硼酸浓度子系统用三通调节阀结构如图1 所示，核心部件包括阀体、上阀笼、下阀笼、阀芯。阀体外型呈T 型，下阀笼放置于阀体内底部的阀座上，上、下阀笼通过梯形卡槽相互固定，窗口角度保持一致，阀芯被限制在下阀笼内部上下移动，阀笼喉径和阀芯尺寸如图2 所示。阀杆与电动传动机构相连接，阀门进、出口法兰通过螺栓连接。

图1 合流型三通调节阀结构Fig.1 Structure of three-way converging regulating valve

图2 阀笼及阀芯结构尺寸示意Fig.2 Schematic diagram of valve cage and core structure dimensions

在实际使用过程中，阀门整体竖直安装，阀杆垂直水平面移动。高浓度硼酸溶液从一侧水平入口流入阀门，除盐水从下侧入口流入阀门，两路流体于阀门内部汇合，高浓度硼酸溶液被除盐水稀释，低浓度硼酸溶液从一侧水平出口流出。上下阀笼的作用是实现阀芯和阀体间的配合安装，其矩形窗口能导流阀内流体，减小涡旋。阀芯的作用是改变高浓度硼酸溶液路和除盐水路的最小流通截面积，调整两路入口的流量比例，控制出口硼酸溶液浓度。流道半透明三维模型如图3 所示。三通调节阀的主要技术参数见表1。

表1 阀门主要技术参数Tab.1 Main parameters of the valve

图3 流道半透明三维模型示意Fig.3 Schematic diagram of semitransparent threedimensional model of flow passage

1.2 网格划分

采用四面体网格和六面体网格对三通阀流道模型进行网格划分。该模型核心部分几何形状复杂且尺寸较小。四面体网格对三通阀流道形状适应性好，网络生成快速。由于本身模型尺寸小，不会产生过大的网格数，故采用四面体网格。生成网格如图4 所示，网格逆正交质量为8.13。当阀门开度为50%时，将平均单元尺寸作为自变量，将硼酸侧入口流量作为因变量和监测对象，做网格独立性验证。

图4 流道网格模型示意Fig.4 Schematic diagram of grid model of flow passage

当平均单元尺寸≤1 mm 时，硼酸侧入口流量基本保持不变，故将平均单元尺寸设置为1 mm，见表2。划分后的流道离散网格模型如图4 所示。

表2 网格独立性验证Tab.2 Grid independence verification

1.3 试验装置

三通阀流量试验管路布局与试验原理如图5所示，测试场地为美国某市的水力研究试验室，主要部件包括储液箱、液泵、测试阀、测试仪表、管件、截止阀、调节机构等。

图5 合流型三通调节阀试验布局示意Fig.5 Schematic diagram of experimental layout of three-way converging regulating valve

测试程序遵循标准 ISA 75.02.01-2008。被测阀门的开度从100%全开变化至0 全关，再从0全关变化至80%开度，每隔20%测定1 组，共测定10 组，出口总流量控制在0.011 m3/s 不变，入口压力控制在0.22 MPa 左右。

流量试验完成了以下工作：通过下游控制阀设定出口总流量，阀内流量方向从B 到A，C 到A；使用精密刻度表或压力变送器记录上游压力；使用差压变送器记录阀门出入口的压差；使用校准的流量计记录体积流量；记录流体温度，试验室里的水温保持相对恒定；记录环境气压。最终计算出每种流量条件下阀门的流量系数Cv，绘制流量曲线图。

从图5 中看出，被测三通阀阀体通径为3NB，阀门三通阀上游的每个入口处安装了相当于至少20 个直径的直钢管，在三通阀的出口处向下游安装了相当于8 个通径的直钢管。液体压力计和流量计分别位于阀门上游两入口的2 个直径和下游6 个直径处，下游液体流量计位于下游6 个直径处，且所有的压力计算都考虑了压头之间的沿程局部水力损失。

其中，测试流程分为3 个阶段。第1 个阶段为单通路测试，开启阀门1，3，4，被测阀门阀位降到最低，测试从B 口到A 口的单路流量特性；第2个阶段为单通路测试，开启阀门2，4，被测阀门阀位抬到最高，测试从C 口到A 口的单路流量特性；第3 个阶段为双通路测试，开启阀门1，2，4，被测阀门阀位依次向上降低至20%，40%，60%，80%，再依次抬升至60%，40%，20%，共进行7 组测试，测试从B 口到A 口、从C 口到A 口的双路流量特性。在测试过程中，通过调节下游总给水流量调节阀开度来维持三通阀出口总流量恒定。

试验结果在3.1 节详细说明，主要是用于对照模拟所得流量特性曲线的结果，验证模拟结果的合理性。

1.4 三通阀模拟边界条件设定

流场模拟分析分为两步：第1 组硼酸侧和除盐水侧入口压力相等，压力参数设置为220 kPa，出口流量参数2 次分别设置为0.55，5.5 kg/s，用于测试三通阀流量特性曲线和入口压力相等条件下的流量分配情况；第2 组硼酸侧和除盐水侧入口压力不等，硼酸侧入口压力参数设置为73.5 kPa，除盐水侧入口压力参数设置为125 kPa，出口流量参数2 次分别设置为0.55，5.5kg/s，用于测试三通阀在入口压力不等条件下的流量分配情况。由于模拟采用的离散网格模型为包含对称面的半模型，上述流量参数设置为实际值的一半。

硼酸浓度调节范围为0 ～ 2.7×10-3，即质量最高仅占混合流体的0.027%，硼酸的密度为1.43 kg/m3，为水密度的1.43 倍，因此在调节范围内，硼酸浓度对混合流体物性参数影响小，允许简化。故将流体介质设置为常温（20 ℃）的水，通过考察三通阀两路入口流量比率，评价其性能。湍流模型采用标准 k-ε模型，近壁面处理采用标准壁面方程，求解方法采用默认设置，迭代步数设置为10 000。在模型出入口设置检测面。迭代收敛后，获取除盐水入口流量Qw，硼酸入口流量Qb，除盐水入口压力Pw，硼酸入口压力Pb，出口压力Po。计算时，除盐水路压差ΔPw=Pw-Po，硼酸路压差ΔPb=Pb-Po。

2 数学模型

流向相互垂直的两路介质在竖直安装的三通调节阀内混合，从阀门出口流出，其压力和流速发生变化。在阀芯和阀笼喉部之间的缝隙处，由于流通截面积缩小，该处的流速增大，静压力下降。另外液体与阀门壁面的摩擦及湍流内部的相互摩擦，使得部分水力能转化为内能。假设来自硼酸入口的压力为p1，介质质量流量为Qm1，流速为v1；来自除盐水入口的的压力为p2，介质质量流量为Qm2，流速为v2；出口流量压力为p3，流速为v3。因此根据能量守恒定律，三通阀内部流体伯努利方程式为：

研究采用标准 k-ε湍流模型计算三通阀流场。标准k-ε模型广泛应用于湍流模型的计算，综合了较低计算量和较高精度的优点。标准 k-ε湍流模型的主要方程为：

式中，vt为涡黏性系数；P 为湍动能生成项。对于上式的系数，设置参数如下：Cμ=0.09，C1=1.44，C2=1.92，σk=1。

流量系数Kv计算公式为：

式中，Q 为体积流量，m3/h；ρ为水的密度，kg/m3；ΔPv为阀门的净压差，kPa；ρ0为15 ℃水的密度，kg/m3。

换算为流量系数Cv为：

将模拟与试验得到的流量、压差数据带入式中，可以计算得到三通阀在各开度下的两路流量系数。

3 计算结果与讨论

3.1 阀门固有特性及流场分析

图6 示出三通阀流量特性曲线模拟结果及试验结果，模拟及试验条件为：出口流量恒定为11 kg/s，三通阀双侧入口压力均为220 kPa。三通阀流量系数模拟结果和试验结果的平均偏差为E=3.94%，吻合度较高，故认为所做的模拟试验结果是准确可靠的。其中三通阀除盐水侧流通系数呈近似斜率为k=-1.6 的趋势线性下降，即除盐水侧流通系数随阀门开度L/Lm均匀减小，当除盐水侧全开即阀门开度为L/Lm=0%时，除盐水侧最大流通系数为Cv=160；三通阀硼酸侧流通系数呈近似斜率为k=1.2 线性上升，即硼酸侧流通系数随阀门开度L/Lm均匀增大，硼酸侧全开即阀门开度为L/Lm=100%时，硼酸侧最大流通系数Cv=120。可以判断，在双侧入口压力相等且出口总流量足够大的条件下，三通阀自身流量特性曲线能够满足按比例调节硼酸浓度的需求。

图6 三通阀流量特性曲线模拟结果和试验结果对比Fig.6 Comparison between simulated and experimental results of the flow characteristic curve of the three-way valve

合流型硼酸调节三通阀在不同阀位阀内流场的对称面速度云图如图7 所示，压力云图如图8所示，开度50%的横截面速度云图如图9 所示。如图7，9 所示，硼酸溶液从左侧入口进入三通调节阀后，先经上阀笼节流窗口自外向内进入阀门上腔，然后向下通过上阀笼和阀芯间最小截流面积处进入阀门中腔；除盐水从下侧入口进入三通调节阀后，先经上阀笼和阀芯间最小截流面积处进入阀门下腔，然后经下阀笼截留窗口自内向外进入阀门中腔。在阀门中腔硼酸溶液和除盐水汇合，并经出口流道流出三通调节阀。

图7 合流型三通调节阀在不同阀位阀内流场的速度云图和流线（总流量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）

图8 合流型三通调节阀在不同阀位阀内流场的对称面压力云图（总流量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）

图9 合流型三通调节阀在开度50%时的阀笼横截面速度云图和流线（总流量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）

由图7（a）可知，当阀门开度10%时，左侧入口流域流速较大，下侧入口流域流速较小，最高流速出现于阀芯和上阀笼间隙处的出口一侧。硼酸溶液经过阀芯和下阀笼间最小截流面，在阀中腔内形成低速顺时针涡旋，引起该股流体流向发生大幅偏转，与除盐水汇合后，进入阀出口流道。由图7（c）可知，当阀门开度90%时，左侧入口流域流速较小，下侧入口流域流速较大，流速最高处出现于阀芯和下阀笼间隙处的出口侧。除盐水经过阀芯和下阀笼间最小截流面，流经下阀笼节流窗口，在阀下腔内形成低速逆时针涡旋，引起该股流体流向发生大幅偏转，与硼酸溶液汇合后，经过下阀笼右侧窗口进入阀出口。

由图7（b）可知，当阀门开度50%时，阀上腔及阀下腔涡旋同时产生且反向旋转，两股涡旋相互制约。经流体充分发展，当阀门开度10%时，出口平均压力为0.212 MPa；当阀门开度50%时，出口平均压力为0.209 MPa；当阀门开度90%时，出口平均压力为0.213 MPa。出口压力越低则阀门压降越大，即阀门流阻越大。可以得到此时双涡旋引起流体阻力上升，流通能力下降，导致部分流体滞留于阀腔内。流域出口流体明显分层，上层流体来自左侧硼酸入口，下层流体来自下侧除盐水入口，最终合流为一股水平水流。

由图8 可知，当阀位较低或较高时，阀芯所受压力呈现不均匀分布。如图8（a）示出当阀门开度10%时，阀芯底部靠左侧存在高压区；如图8（c）示出当阀门开度90%时，阀芯上部靠右侧存在高压区。这种不均匀的压力分布会对阀芯产生不平衡力矩，该现象会阻碍阀芯的启闭运动，导致阀芯卡滞，是引起阀门响应时间长的因素之一；影响阀芯和阀笼间的通流面形态，降低调节精度；增大阀芯磨损，降低阀芯的使用寿命。

3.2 基于不同总流量工况的流动特性分析

图10 示出的在双侧入口压力相等条件，不同出口总流量工况下的模拟结果。其中一组双侧入口压力边界条件设定为220 kPa，出口流量边界条件为11 kg/s；另一组双侧入口压力边界条件设定相同，出口流量边界条件为1.1 kg/s。由图可见，当出口流量恒定为11 kg/s 时，三通阀流量分配曲线总体呈线性交叉状，硼酸侧流量Qb随开度L/Lm增大而上升，除盐水侧流量Qw随开度L/Lm增大而下降，曲线斜率基本保持不变，此时三通阀的调节性能较为理想。

图10 不同总流量工况条件下三通阀模拟流量分配曲线对比Fig.10 Comparison of simulated flow distribution curves of three-way valve under different total flow conditions

当出口流量恒定为1.1 kg/s 时，可得当开度L/Lm≤30%时，硼酸侧流量Qb随着开度L/Lm增大而显著上升，除盐水侧流量Qw随着开度L/Lm增大而显著下降；当开度30%≤L/Lm≤80%，随着开度L/Lm的逐渐增大，硼酸侧及除盐水侧流量Qw的变化幅度放缓；当开度L/Lm≥80%时，硼酸侧流量Qb随着开度L/Lm增大而显著上升，除盐水侧流量Qw随着开度L/Lm增大而显著下降。硼酸侧流量Qb曲线及除盐水侧流量Qw曲线呈以流量Q=0.55 对称状。由以上曲线规律可得，在总流量Q 为1.1 kg/s 的工况条件下，阀门在开度30%≤L/Lm≤80%的调节能力较弱，明显低于在开度L/Lm≤30%及L/Lm≥80%非最佳阀位调节区间的调节能力。在总流量Q 为1.1 kg/s 的工况条件下，该三通调节阀的调节性能明显降低。

当入口压力边界条件设定为220 kPa，出口流量边界条件为1.1 kg/s 时，不同阀位阀内流场的对称面速度云图如图11 所示，压力云图如图12所示。由图11 可得，相较总流量为11kg/s 的工况，此时阀内总体流速显著降低，但阀中腔仍存在低速涡旋。如图11（a）（c）所示，当开度10%，90%时产生的单涡旋较总流量为11 kg/s 的工况有所减弱，此处涡旋所引起的机械能耗散程度有所降低；如图11（b）所示，当开度50%时产生的连续双涡旋较总流量为11 kg/s 的工况仍然强烈，此处涡旋引起流体阻力上升，流通能力下降，导致部分流体滞留于阀腔内。因开度10%及90%时产生的单涡旋影响减弱，开度50%时产生的连续双涡旋影响更为明显，在一定程度上引起中部阀位的调节性能明显降低。

图11 合流型三通调节阀在不同阀位阀内流场的速度云图和流线图总流量（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）

图12 合流型三通调节阀在不同阀位阀内流场的压力云图（总流量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）

由图12 可得，相较总流量为11 kg/s 的工况，此时阀内总体压力明显升高，且整体压力趋于平均，压差减小。如图12（a）所示，阀芯底部靠左侧的高压影响较总流量为11 kg/s 时的工况明显减弱；如图12（c）所示，阀芯上部靠右侧的高压影响较总流量为11 kg/s 的工况明显减弱。由此可得，当流量较小时，该阀由于不对称结构导致的阀芯不平衡力明显减小。

3.3 基于不同入口压力的流动特性分析

图13 示出在双侧入口压力不等条件下的流量分配模拟结果。

其中1 组硼酸侧入口压力边界条件设定为73.5 kPa，除盐水侧压力边界条件设定为125 kPa，出口流量边界条件为11 kg/s；另1 组双侧入口压力边界条件设定相同，出口流量边界条件为1.1 kg/s。其中，分析总流量Q=1.1 kg/s 的测定结果可得，当开度L/Lm≤80%时，硼酸侧流量Qb≤0，即硼酸侧入口因双侧入口压力不等出现低压口回流现象，此时阀门在开度0%≤L/Lm≤80%时失去调节性能；分析总流量Q=11 kg/s的测定结果可得，当开度L/Lm≤28%时，硼酸侧流量Qb≤0，即硼酸侧入口因双侧入口压力不等出现低压口回流现象，此时阀门在开度0%≤L/Lm≤28%失去调节性能。由此可得，三通阀双侧入口压力不等会导致部分阀位失去调节性能，且出口总流量Q 越小，该失效阀位区间越大。

在上述工况条件下，绘制了不同阀位阀内流场速度云图和流线，如图14 所示。比较图14（a）（b）可得，当开度10%时，左侧即硼酸侧入口都出现了回流现象，此时两种出口流量条件下阀位都失效。由于通流面积突然减小和回流效应，阀芯上表面的流速显著增大。在上腔右侧形成了较大低速涡旋。当右侧出口总流量为11 kg/s 时，阀内流速普遍更大，且在阀中腔产生低速涡旋，并引起涡旋边缘即靠近阀芯下表面一侧形成一段高速流动区域，出口段流动更为平稳。当右侧出口总流量为1.1 kg/s 时，阀内流速普遍更小，且阀中腔的涡旋影响较小，左侧回流段流动更为平稳。

图14 合流型三通调节阀在不相等入口压力边界条件下的阀内流场速度云图和流线Fig.14 Velocity contour and streamline diagram of boric acid three-way converging regulating valve under different inlet pressure boundary conditions

比较图14（c）（d）可得，当开度50%时，出口流量为1.1 kg/s 时未出现回流现象，出口流量为1.1 kg/s 时左侧即硼酸侧入口出现了回流现象，此时仅1.1 kg/s 出口流量条件下阀位失效。在开度50%的条件下，两种出口流量条件的阀内总体流速较为接近。由于通流面积突然减小和下侧即除盐水侧入口的高压影响，都在阀芯下表面形成高速流动区。当右侧出口总流量为11 kg/s 时，左侧入口的流速接近于0，从左侧进入的流体最终滞留于上腔顶端的涡旋中，且出口段流动更为平稳。当右侧出口总流量为1.1kg/s 时，出口段管路内形成范围较大的涡旋，导致一部分流体回流至三通阀出口端面，降低了流动效率。

比较图14（e）（f）可得，当开度90%时，左侧即硼酸侧入口都未出现回流现象。中腔都产生了低速涡旋。此时两种出口流量条件下的流动都较为平稳，状态比较接近。

4 结论

（1）三通阀在总流量Q 为11 kg/s 时能保持良好的调节性能，能够满足机组均匀调硼的需求，但当总流量Q 为1.1 kg/s 时，开度30%≤L/Lm≤80%调节能力较差，在开度L/Lm≤30%及L/Lm≥80%间内硼浓度变化剧烈，此时三通阀调节性能不理想，这是引起机组在个别工况下调硼效率下降的重要原因。

（2）三通阀中腔内存在较大低速涡旋，导致三通阀流通能力下降。在开度为50%时，总流量Q 为11，1.1 kg/s 条件下阀中腔都产生了较强烈的连续双涡旋，使流体流速减缓并滞留于阀中腔内。三通阀受不平衡力矩影响，该现象在总流量Q 为11 kg/s 时更为明显。

（3）阀门开度控制不在最佳控制区域，各工况下阀位均较高，调硼效果不理想，较小流量、较低硼浓度时硼偏差过大。该现象产生的原因是三通阀双侧入口压力不等。由于实际机组运行中，硼酸侧入口压力Pp=73.5 kPa，除盐水侧入口压力Pw=125 kPa，导致除盐水侧介质往硼酸一侧倒流，且出口总流量越小，该现象越明显，失效阀位越大，可调节区间越小。解决方法为在高压入口处安装减压阀，以调平两侧入口的压力。