黃永琪，王福喬，白 燁，姚國鵬，王保民，彭 爍

（中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司，北京 102209）

0 引言

我國的供熱系統(tǒng)龐大，極易造成二網不平衡或者冷熱不均的問題［1-2］，平衡閥是調節(jié)二網平衡的關鍵設備。國外對平衡閥的研究較早。Taylor 等［2-4］闡述了空調水系統(tǒng)中平衡閥的正確選擇的重要性、基本原理及幾種典型系統(tǒng)中的平衡閥的選型方法。我國平衡閥的研究較國外稍晚?？到鹚桑?］從理論上明確了平衡閥的選擇原則，總結了安裝平衡閥后，達到的節(jié)能和增效的效果。沈新榮等［6-8］結合CFD 對平衡閥進行數值模擬，根據數值模擬結果，改進了現有平衡閥初步設計的結構參數。目前供熱二網普遍采用基于溫度傳感反饋的溫度型平衡閥進行調控，該閥門在實際應用中仍存在不足，主要表現為閥門開度的變化與溫度反饋的滯后，導致二網平衡調整周期長，易出現溫度來回波動。本文提出一種基于流量反饋的流量型平衡閥，采用流量作為直接的平衡依據，具有即時性、直觀性、高分辨的特點［9-11］。

以口徑為DN100，壓力范圍為0.3～0.8 MPa，介質溫度范圍為-5～120 ℃的物聯網流量型平衡閥作為研究對象，采用CFD 進行流場計算，對物聯網流量型平衡閥的3 類閥芯形狀（W 型，V 型，O 型）進行數值模擬，得到不同閥芯的閥門開度-流量模擬結果，研究不同閥芯對應的壓力場軸向變化，根據數值計算結果確定適合該口徑平衡閥的閥芯形狀及取壓點位置。

圖1 3 種形狀閥芯（W 型，V 型，O 型）Fig.1 Three types of valve core（W，V，O）

根據確定好的閥芯形狀和取壓點位置制造物聯網流量型平衡閥樣機，利用試驗平臺對該閥門進行流量標定，試驗得出閥門開度、閥門進出口壓力與流量之間的函數關系，形成一組特性曲線，并對數值計算和試驗結果進行比對分析，根據對比分析結果，論證該閥門在供熱二網平衡中的適用性。

1 結構及調節(jié)原理

物聯網流量型平衡閥的主要部件如圖2 所示，主要由閥體、閥芯、閥桿、閥座、閥座彈簧、閥桿軸套、取壓孔、電動執(zhí)行機構、電路板及電子部分等組成。

圖2 物聯網流量型平衡閥結構Fig.2 Structural diagram of IoT flow balance valve

物聯網流量型平衡閥的調節(jié)原理是通過在閥體進出口安裝壓力傳感器測量進出口壓差，根據閥門開度對應的流量系數利用伯努利方程式即可計算出當前流量，通過流量的變化及時進行二網調節(jié)，即可實現二網平衡。

2 數值方法驗證

2.1 計算模型

本文采用Realizable k-ε 湍流模型［12］，該模型在CFD 界被普遍使用，其湍動能k 和湍動耗散率ε對應的輸運方程分別為：

該模型使用不同的渦流黏度公式，基于湍流雷諾應力的幾個可實現性質做約束，這意味著渦流黏度系數Cμ是局部流動參數的函數，而不是Standard k-ε 模型中的常數。該模型在ε 方程中引入了時均應變率Eij，且另外增加了時均轉動速度張量，確保模型在雷諾壓力中有數學約束和湍流的連續(xù)性［13］。此外，該模型還顯著改善了圓形射流的預測擴散速率。

2.2 計算流道及網格劃分

為獲得較好的計算結果，對球閥的結構做了適當簡化，在保證流道盡量不受影響的同時，減少復雜形狀對計算收斂性的干擾。

CFD 模擬前對三維模型流道進行設置，如圖3所示。為保證計算結果合理性，根據管道流量測量的一般要求，對閥前、閥后設置直管段，閥前取當量直徑的6 倍（即-0.6 m），閥后取當量直徑的10 倍（即1 m）。

圖3 直管段示意Fig.3 Schematic diagram of straight pipe section

為簡化計算，將XZ 平面作為對稱平面，以減少網格數量；采用正六面體結構網格（Structured mesh）對模擬區(qū)域進行劃分。為提高計算精度，在閥門主體部分，進行網格加密。從管道入口到閥門的入口法蘭的網格放大系數為0.97，閥門出口法蘭到管道出口的網格放大系數為1.03。

對項目特征進行提取后，分別在不同網格密度時，模擬W 型閥門65%開度，流量為45 t/h 的典型試驗工況。對各網格密度的管道出入口壓差做統(tǒng)計，進行網格無關性檢驗［14］見表1。

表1 網格無關性檢驗tab.1 Grid independence test

方案1 為初始方案，后續(xù)方案均為在初始方案的基礎上進一步加密網格得到。從表1 可見，在方案4 之后，進一步加密網格所得到的結果變化值始終在5%以內波動，因此從保證計算效率和結果可靠性的角度出發(fā)，認為方案4，總網格數量為70 萬時，結果相對穩(wěn)定，網格無關性較好。取方案4 的網格密度作為后續(xù)試驗的基礎，即本項目的模擬網格數量共70 萬個。

2.3 計算邊界

本文模擬計算中采用Realizable k-ε 湍流模型，壁面邊界，壁面粗糙度為0.005 m，管徑為0.1 m；入口壓力為0.8 MPa，入口直管段長度為6 倍管徑；出口壓力為0.7 MPa，出口直管段長度為10 倍管徑；以水為工質，流量為45 t/h，流體溫度和環(huán)境溫度為20 ℃，管道內平均流速為1.59 m/s，雷諾數為157 579.15。其中水的動力黏度為0.001 01 Pa·s，運動黏度為0.000 001 01 m2/s，密度為1 000 kg/m3。

2.4 計算結果分析

2.4.1 壓力場軸向分布的計算

W 型、V 型、O 型閥芯壓力場軸向分布分別如圖4～6 所示。

圖4 W 型閥芯壓力場軸向分布Fig.4 Distribution of pressure field of W type valve core along the axis

圖5 V 型閥芯壓力場軸向分布Fig.5 Distribution of pressure field of V type valve core along the axis

圖6 O 型閥芯壓力場軸向分布Fig.6 Distribution of pressure field of O type valve core along the axis

從圖中可知：（1）3 種閥芯都存在進、出口取壓點越接近0 m 處，壓力場越不穩(wěn)定的問題，因此設計一體閥時無論是哪種閥芯，進、出口取壓點位置設在閥體上兩端為佳。

（2）W 型閥芯的壓差最大，即節(jié)流效果最強，V 型閥次之，O 型閥芯最弱。

2.4.2 開度-通流面積趨勢

計算各閥芯形狀在不同開度時對應的直徑和開口面積，此處開口面積為通流方向的截面積。

各閥芯開度-面積趨勢如圖7 所示。從圖中可以看出：（1）當需要的調節(jié)閥的流量系數較小時，閥口處的流通面積較小，故此時閥體內流道形狀對調節(jié)閥的流量特性影響不大，甚至可以忽略。但當需要的調節(jié)閥的流量系數接近于閥體的流量系數時，意味著閥口處的流通能力接近于閥體的流通能力。

（2）W 型閥芯的通流面積的變化與V 型、O型閥芯的通流面積的變化有特征上的區(qū)別，如圖7 所示，V 型、O 型閥芯的通流面積的變化偏線性，而W 型閥芯通流面積變化偏指數型，W 型閥芯這種截面變化可以更好地改善閥門的流通特性，具有更好的流量控制能力。

圖7 開度-通流面積變化特性Fig.7 Variation characteristic of opening degree with flow area

2.4.3 開度-流量特性曲線

各形狀閥芯開度-流量特性曲線模擬計算結果匯總如圖8 所示。

閥門流量特性數學表達式為［15］：

式中，Q 為閥門某一開度時流量；Qmax為閥門全開時流量；h 為閥門某一開度時行程；hmax為閥門全開時行程。

根據式（3）及圖8 繪制閥門流量特性曲線，如圖9 所示。從圖中可以看出，該閥門符合等百分比型調節(jié)閥流量小時流量變化慢，流量大時流量變化快，具有小流量可精細調節(jié)、大流量可快速調節(jié)的特點，符合等百分比流量調節(jié)特性［16-17］，即這3 種閥芯的流量特性曲線呈等百分比型，具有較好的可調比，適用于調節(jié)閥調節(jié)特性。

圖8 閥門開度-流量特性曲線Fig.8 Opening degree - flow characteristic curve

圖9 流量特性曲線Fig.9 Flow characteristic curve

該口徑閥門的流量調節(jié)范圍為30～60 t/h，如圖8 陰影區(qū)域所示，對照3 個閥門的開度映射，可知：

（1）O 型閥門的開度在32%～46%之間，V 型閥門開度在34%～48%之間，W 型閥門開度在45%～63%之間，可知，W 型閥門在對應流量下的調節(jié)范圍最大，調節(jié)能力最強；

（2）在流量中位數為45 t/h 時，O 型閥門開度值為40%，V 型閥門開度值為42%，W 型閥門開度值為54%，W 型閥門在流量中位數下的閥門開度更接近中間位置，流量適配性更好；

（3）從壓力場軸向分布特性和流量適配性來看，W 閥芯具有更好的調節(jié)能力，更好的流量控制能力，在本文中選取W 型閥芯調節(jié)閥進行制造并用該閥門進行試驗。

3 試驗驗證

3.1 試驗系統(tǒng)

試驗臺主要由3 大系統(tǒng)組成，如圖10 所示。（1）管路系統(tǒng)，在管路內形成可控的流動，由儲水箱、循環(huán)水泵、穩(wěn)壓罐、電磁閥、被測閥門、管路等組成；（2）控制系統(tǒng)，負責測試參數信號的測量、信號的轉化、數據的采集和傳輸，同時對管內流動進行控制和監(jiān)測，由壓力傳感器、信號執(zhí)行器、數據采集卡、通訊串口、計算機、變頻電控柜等組成；（3）軟件系統(tǒng)，實現調控、數據的實時存儲、測試結果輸出等功能，由參數輸入界面、功能測試界面及報表輸出等可視化界面組成。該試驗臺可模擬閥門實際使用工況，能夠更準確地測試出閥門相關的特性曲線。

圖10 試驗臺系統(tǒng)Fig.10 Schematic diagram of the test bench system

3.2 試驗原理及方法

根據CFD 數值模擬可知，W 型閥芯具有更好的調節(jié)能力，因此選取W 型閥芯進行樣機制作，并對其進行流量-壓差試驗，通過流量-壓差試驗，得到流量特性曲線。

依據GB/T 30832—2014《閥門流量系數和流阻系數試驗方法》進行試驗。

試驗方法及過程：（1）取壓點分別設在試驗臺的管道上閥門前當量直徑的10 倍處與閥門后當量直徑的10 倍處；（2）閥門開度5%～100%，分別按照開向和關向2 個方向進行試驗，開向依次從5%～100%，關向依次從100%～5%，每個方向暫定為20 個開度（每5%一個）；（3）試驗數據通過中樞系統(tǒng)存儲并輸出。

3.3 誤差分析

本試驗中主要用到的試驗儀表見表2。

表2 試驗誤差分析Tab.2 Analysis table of test errors

對于流量和壓差參數，誤差精度均為±0.5%，滿足精度要求。

對于流量系數Kv，其誤差計算式為：

式中，Skv為流量系數的誤差；SQ為流量計的誤差；SP為壓差變送器的誤差。

最終，算出流量系數的誤差為0.56%，滿足精度要求。

3.4 試驗數據分析

根據試驗數據繪制流量-壓差曲線，如圖11，12 所示。

圖11 5%～100%流量-壓差曲線Fig.11 5%～100% flow-pressure difference curve

圖12 100%～5%流量-壓差曲線Fig.12 100%～5% flow-pressure difference curve

流量系數Kv按下式計算［18］：

式中，Kv為流量系數；Qv為流量，m3/h；ρ為水密度，kg/m3；ρ0為15 ℃時的水密度，kg/m3，常溫時ρ/ρ0比值取1；ΔP 為壓差，kPa。

根據式（5）和圖11，12 的流量-壓差曲線，計算Kv值。

由于數據表的不連續(xù)性，所以要考慮開度在2 個典型值之間的數值計算問題。中間的數據要采用插補方法進行估算，插補估算將根據實際閥門的流量特性分為兩種插補計算方法：線性插補估算、等百分比插補估算。根據前面數值計算中可以得知該閥門流量特性為等百分比型，故在此次試驗中采用等百分比插補估算為：

式中，y 為當前開度的Kvx值與最大開度的Kv100的百分比；R 為底數；x 為閥門實際開度的百分比。

查表可知Kv1，Kv2，Kv100，x1，x2，已知當前開度為x，且x1＜x＜x2時，求當前開度x 下對應的Kvx值。

按照等百底數R 線性分布的原則，即：

式中，Rx為當前開度x 下的等百底數。

圖13 閥門流量開度計算值與實測值對比Fig.13 Comparison between the calculated and the measured values of flowrate and opening of the valve

從圖中可以看出：

（1）模擬計算Kv值（即W 型閥芯閥門流量特性曲線模擬計算結果）介于實測值0～100%方向Kv值與實測值100%～0 方向Kv值之間，趨勢基本一致，試驗值充分論證了數值模擬計算該閥門符合等百分比閥門特性的結論，說明該閥門具有較好的可調節(jié)性。

（2）開度越大時，開向和關向Kv值相差也越大（回差較大），主要原因是閥門各個零件累加起來的總機械間隙較大和零件之間填料緊導致的摩擦大。

4 結論

（1）一體閥取壓點位置設在閥體上兩端；3 種閥芯流量特性都呈等百分比流量調節(jié)特性，都有良好的調節(jié)性，都適用于做調節(jié)閥閥芯。

（2）根據壓力場軸向分布特性和流量適配性，對于口徑DN100 閥門，W 型閥芯具有更好的調節(jié)能力，更好的流量控制能力。

（3）W 型閥門符合等百分比閥門特性，具有較好的可調節(jié)性。

（4）試驗中發(fā)現該閥門存在回差較大的缺點。主要原因是閥門各個零件累加起來的總機械間隙較大和零件之間填料緊導致的摩擦大。可通過加工時提高零件加工精度，裝配時調整好裝配精度，零件之間填料選用摩擦系數小的材料來減少回差［19］。