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論文摘編
 水力工況控制用閥
   
   
   
                                         作者:崔笑千
一、水力工況控制用閥與熱力工況控制用閥

水力工況控制閥門
熱力工況控制閥門
電動調節閥、電動二通閥、 溫控閥等
自力式流量控制閥、 自力式壓差控制閥等
1、 氣候補償器,通過感知室外氣溫的變化來控制閥門動作;
2、 根據用戶的要求來動作,以改變用戶所處環境的溫度/濕度為目的;
3、 直接感知所控環境的溫度/濕度,并通過控制器發出指令,對環境的溫度/濕度進行修正。
通過感受被控單元的壓差變化做出相應動作,維持被控單元的壓差不變。從而保證熱力工況控制閥門的閥權度;或者保證通過閥門的流量保持不變。
對水力工況的變化沒有感知能力。
對熱力工況的變化沒有感知能力。
通過閥門動作來改變被控環境的溫濕度,但是在閥門動作的過程中會導致水力工況的變化,甚至使得水力工況平衡狀態遭到破壞。
與熱力工況控制閥門配合使用,維持水力工況的穩定運行,從而滿足系統對熱力工況的需求。
閥門的動作反映到實際環境的溫濕度變化具有滯后性。
閥門對于水力工況的控制是實時自動的。

  水利工況的變化必然引起熱力工況的改變;
  熱力工況的穩定以水力工況的穩定為前提。
  兩種控制邏輯的閥門在系統中是不能相互替代的,應該各司其職。
  另外,在配備水力工況控制閥門的系統中不用再刻意的設計同程式。因為同程式的物理實質是用管道來增加某些支路的沿程阻力,使得從“能源中心”到各個用能單位的沿程阻力基本相同。然而實際運行時的沿程阻力是與管道當中的流量息息相關的。也就是說只有各個支路都處在設計流量(或一致等比變化)的情況下,才有同程式所追求的“平衡”。對照實際的運行狀況,只有依靠水力工況控制用閥才能保證系統的穩定合理運行。

二、水力工況的分類

  在供熱計量收費情況下,熱用戶室內的溫控閥和住戶按自己的溫度需求自主調節供熱量。這與空調系統的溫濕度閉環控制有類似的特征。這些以溫濕度為被控參數的閥門應該與管網水力工況無關地完成熱媒流量控制,屬于末端用戶主導變流量的關鍵設施。對于末端主導變流量的主要控制措施,以溫濕度為主要控制目標的設施,不能再負擔水力工況控制,否則會影響其實現溫濕度控制的有效性。
輔助其工作的水力工況控制用閥,應能:1、穩定流量控制用閥的閥權度;2、提高水力工況的穩定性,使得末端的自主流量調節互不干擾;3、使得循環泵的變速過程不影響末端裝置的流量,使水泵的變速過程增、減單方向完成。
  對于供熱系統在傳統的供熱體制下是一種平均分配的供熱模式,這種供熱模式一般采取定流量的質調節供熱方式。也有少數大型管網出于節約運行電能的目的,采取質量并調方式。但在平均供熱的前提下,熱負荷是隨室外氣象一致等比變化,流量的變化僅決定于室外氣溫變化,因此其控制方式,僅考慮采用室外溫度單一參數控制熱源循環泵的轉速,實現變流量運行。這種變流量運行可定義為熱源主導變流量方式。
在熱源主導變流量時,水力工況問題僅是用戶與熱源遠近不同,造成的水力工況平衡問題。這種水力工況,以不變和一致等比的流量變化為特征,或可定義為靜態水力工況。
   在熱計量收費的運行方式下,供熱負荷及循環水流量的變化取決于用戶需求,系統總循環流量的變化決定于用戶的變化,這種變流量機制可定義為用戶主導變流量方式。由于用戶的自主流量變化,支干管路已經沒有“設計流量”狀態,最不利回路并不永遠是最遠端用戶,設計計算時的最不利支線有可能在運行時被次不利支線所取代。水力工況問題主要是水力工況穩定性問題。這種水力工況變化和隨機的流量為特征,或可定義為動態水力工況,但干、支管路已經沒有設計流量狀態,沒有平衡分析的基礎,動態水力工況不宜按水力工況平衡思維去考慮問題。
  計量收費流量控制方案,以用戶自主變流量或末端閉環自動控制的流量為主,熱源循環泵的變速是應因末端的流量需求,采取最小可能揚程運行。采用較遠的末端壓差控制水泵的調速運行,才可能把支干管路流量變化釋放出的阻力完全納入水泵調速的節能空間??悸親畈煥羋泛痛尾煥羋返畝浠?,應該取3—8個末端供回水壓差信號為熱源循環變速的控制信號,當全部壓差信號都大于設定值時循環水泵降低轉速,當任意一個壓差小于設定值時,循環水泵增加轉速。

三、調網水壓圖分析和平衡閥的安裝位置

  調網的過程是利用平衡閥使各分支達到合理流量的過程。近端資用壓頭大于用戶需用壓頭必然導致流量過大。必須用閥門消耗富裕壓頭(富裕壓頭=資用壓頭-需用壓頭)
   圖二示意用戶閥門及各壓力點,如果用戶供水管安裝平衡閥調網,則P3近似等于P4,P2壓力線如圖三所示,近乎平行P4。如果用戶回水管安裝平衡閥調網,則P2近似等于P1,P3壓力線近乎平行P1。
   戶內實際供水壓力為P2,回水壓力為P3。如果壓力過低會導致運行倒空,壓力過高導致耐壓等級較低的元件(如散熱器)的壓力破壞。
   因此對地形高差大的管網應按上述因素考慮平衡閥的安裝位置。即在地形低洼處樓群平衡閥宜安裝于供水,以保證戶內不超壓;在地形較高位置平衡閥宜安裝于回水,以保證用戶不倒空。
   對于大型直聯管網,如電廠凝汽供熱管網,供熱半徑很大,外網供回水壓差很大,因此對平衡閥安裝位置應作特殊考慮。
   煙臺某電廠凝汽供熱管網外網供回水壓差52米水柱,考慮散熱器耐壓能力,末端回水壓力設定為0.35MPa(35米水柱),前端回水壓力僅為0.1MPa(10米水柱),而前端供水壓力高達0.62MPa(62米水柱),如果平衡閥安裝在回水管上,被控用戶的回水壓力P3可能接近0.6MPa,必將造成散熱器的壓力破壞;如果平衡閥安裝于供水管上,近端用戶的供水壓力P2只有十幾米水柱必然導致運行倒空。因此從設計上應采取供回水都安裝平衡閥的方案,形成圖四的水壓圖。
   具體作法是入戶口供水管安裝自力式流量控制閥,在地形高差不超出10米的建筑群的分支回水管上安裝手動的平衡閥。這里自力式流量控制閥負責控制分配流量;手動平衡閥調整壓力,使閥前壓力達到0.25MPa的滿水運行工況。自力式流量控制閥只依據流量大小“肓目”控制壓力,如果安裝回水管上,不待手動調整壓力,已經出現壓力破壞事故。自力閥安裝在供水未手動調整壓力時,可能出現運行倒空而影響供熱效果,不可能發生事故。

四、水力工況控制用閥的性能與用途

  1、平衡閥
  從現行市場供應產品名稱上看有“數字鎖定平衡閥”、“靜態平衡閥”等產品。從水力工況分析的角度講,它是適合靜態水力工況控制的設備,其解決的問題是水力工況平衡問題。
這類閥門是在五十年前,根據供熱管網水力工況控制需求設計制造的一種水力工況控制用閥。當時的大型供熱管網水力工況平衡問題突出,調網工作又沒有方便的現場流量測試手段。因此當時的“平衡閥”必須具有良好的調節性能和方便的流量測試性能。三十年前,便攜式超聲波流量計已經解決了現場流量測試問題。無論是流量測試精度,還是現場條件要求,便攜式超聲波流量計都比平衡閥和“智能表”有更好的技術性能。因此附屬于平衡閥的“智能表”及其流量測試功用已經失去了實際工程意義。現實平衡閥主要價值在于它良好的調節性能。
   手動平衡閥具有造價低,元件使用壽命長等優點,對支路不多的小型管網也可方便進行水力工況平衡。對于熱源主動變流量管網主要應該采用手動平衡閥做水力工況平衡控制,因為手動平衡閥作為可調的靜態阻力元件,最簡單地保證熱源主導變流量時末端流量的一致等比變化。而一切自力式閥門,作為動態阻力元件,都不能簡單地保證熱源主導變流量運行。對循環泵揚程大于50米水柱的大型直聯管網,手動平衡閥可用于壓力工況的調整。
1.1手動平衡閥的特性曲線
閥門特性曲線決定了閥門的調節性能,如截止閥的流量曲線,如果認為95%—100%之間的流量變化是沒有意義的,那么開度從0—5%即實現了流量的全程變化,這樣的閥門是不能作為水力工況平衡調節使用的。

1-截止閥特性曲線
2-線性特性閥實際工作曲線 (閥權度0.2) 3-線性特性
4-等百分比特性曲線

  由于閥門理論特性曲線是在定壓差下測試,而實際工況只要閥權度不為1則閥門在小開度下閥前后壓差大,大開度時閥前后壓差小,導至閥dG/dC值(流量開度變化率)在小開度變大,在大開度時變小,使閥門實際工作曲線向快開方向偏移,閥權度越小其偏移越大,對于直線特性的閥門由于實際性能的偏移會導致閥門的有效調節的開度空間變小,因此閥門的理論性曲線以下弦弧如等百分比特性為好。等百分比(對數)特性曲線閥門,在閥權度0.3—0.5時實際工作曲線可能接近直線特性。
1.2閥門的汽蝕振動
   通常閥門在小開度情況下閥口的流速過高,在閥后會形成旺盛紊流的蝸旋區,蝸旋區核心壓力很低,該處壓力低于水溫對應的飽和壓力時水蒸汽的閃發會導致氣水擊現象:嚴重的噪音,閥門及管道的振動,閥門、管道、管支架的破壞。
   防止這種事故的發生應首先在閥門流道設計上考慮閥塞和閥座在小開度時形成狹長的節流流道,約束旺盛紊流蝸旋的形成;其次選用閥門時盡量加大閥權度,以避免閥門在小開度下運行。另外,在不牽涉壓力工況問題時盡量將平衡閥安裝在水溫較低的回水管路上。
2、自力式流量控制閥
2.1自力式流量控制閥工作原理
   (1)孔板流量計——導閥——主閥原理。主閥前設置一個流量孔板,導閥感測、比較孔板前后壓力差,如壓力差大于設定壓差,意味著流量超過設定流量,導閥控制主閥做關閥動作。如感測壓差小于設定壓差,則意味著流量小于設定流量,導閥控制主閥做開閥動作。導閥上的設定壓差可調,調大調小設定壓差,可以調大調小設定流量。
   由于孔板流量計的流量壓差對應關系受到前流態影響極重,如果要求流量精度達到10%,則必須閥前有10d以上的直管段,而這一點工程實際中極難保障。另外這種閥出廠后的流量可調范圍很小,在保持流量精度的前提下,流量可調比不會超過2:1。
   (2)“Kv? =常數”原理,自由彈簧和感壓膜構成閥門開關動力系統△P/S=εL
   S—感膜工作面積,ε—彈簧的胡克系數,L—閥行程
   由此可知閥門的每一個行程位置決定△P值的大小,如果閥行程位的Kv與 成反比,則G=Kv? 是恒定值。這一原理的閥最初做成流量不可調的流量限制器,近年生產的流量可調式一種是做成多管通道,通過堵管調整設定流量;另一種是用一手動閥改變自力閥Kv與行程的關系,但這種辦法很難保證Kv與 在每一調整位置的反比關系,造成調整位的流量控制精度不高。另外有的產品用波紋管制作感壓膜和自由彈簧的一體化產品,由于不銹鋼波紋管處在流動死區,在水中氯離子含量較高時,極易產生腐蝕。
   (3)自力式壓差控制閥與手動調節閥閥組原理。這種原理是現在國產流量控制閥最廣泛采用的。手動調節閥的每一個開度位置對應一個Kv值,由自力式壓差控制閥控制手動調節閥前的壓差不變,則G=Kv? 不變,改變流量時只需調整手動調節閥的Kv值。
   這種閥的流量控制精度決定于壓差控制閥精度,壓差
   △P=N/S
   N——彈簧力
   S——感壓膜工作面積
   彈簧力在自力閥的行程內會有變化,但使
   H/△L=1/10
   H——自力閥最大位移行程
   △L——彈簧的預壓縮量
   則△P的變化僅為±5%,流量精度可達3%。
   這種自力式流量控制閥的缺點在于閥門有最小工作壓差的要求,一般產品要求最小工作壓差20KPa,如果安裝在最不利回路上,勢必要求循環泵多增加2米水柱的工作揚程,所以應采取近端安裝,遠端不安的辦法。用戶離熱源距離大于供熱半徑的80%時就不宜安裝這種自力式流量控制閥。
   (4)用自力式壓差控制閥直接控制流量
   戶內阻力系數S,在平均供熱的前提下是不變值,戶內設計流量G,△P=SG2,通過控制戶內供回水壓差,一樣可以控制循環流量,調節控制壓差就可調節循環流量。用這種辦法調控流量,只是必須借助便攜式流量測試儀器如超聲波流量計。這種方式對于遠端用戶,閥門不會增加消耗壓頭。
2.2自力式流量控制閥的適用性
   自力式流量控制閥在大型管網上應用可以使流量分配工作變得簡單便捷。尤其多熱源管網,熱源切換運行時不會對用戶流量產生影響。
但對于變流量運行的管網,不論是熱源主導變流量還是末端主導變流量,都不可采用自力式流量控制閥。在熱源主導變流量的情況下,近端回路維持流量不變,而遠端回路流量會嚴重不足。在熱用戶主導變流量的情況下,用戶主動調小流量時,自力式流量控制閥會開大閥門,盡量維護原流量,直到全開失效為止。用戶主動調大流量時,自力式流量控制閥會關小閥門,直到全閉失效為止。亦即只有自力式流量控制閥失效,用戶主動的流量要求才能實現。
  需要特別說明的是,大多數自力式流量控制閥由于流道復雜,大口徑、大流量的自力式流量控制閥,阻力往往過大。因此,對口徑大于150mm,流量大于50m3/h的產品選用應該慎重。不能用該產品作為水泵出口的限流閥使用;對于冷水機組有定流量運行要求時,可以用自力式壓差控制閥取代;對于大口徑、大流量,又有一定的流量調節需求時,可以用自力式壓差控制閥和手動平衡閥組合替代。
3、自力式壓差控制閥
  自力式壓差控制閥是典型的動態水力工況控制用閥,它和溫濕度控制的流量調節配合,能完整地解決末端主導變流量的水力工況問題。
3.1自力式壓差控制閥的應用意義
   (1)自力式壓差控制閥消耗系統的富裕壓頭。
   (2)自力式壓差控制閥起到隔絕用戶間流量變化互相干擾作用。
   這兩項功能有的業內人士認為散熱器上的溫控閥可以起作用,實際上如果讓溫控制閥產生這樣的作用必然導致溫控閥在小開度下工作,甚至于在振動工況下工作。這對溫控閥是十分不利的,溫控閥最初希望的作用僅限于利用自由熱量,我們很多業內人士對其寄予的希望過大了。與之相類似,溫濕度閉環控制的電動調節閥也不能起到水力工況控制的作用。
(3)自力式壓差控制閥在水泵調速時保持各用戶“自主”流量,使水泵調速是變揚程調速,調速過程非往復搜索的單向完成。

圖中:曲線1-原工作點
曲線2-用戶主動調整流量后形成的工作點
曲線3-循環水泵變速——壓差閥動作形成工作點
曲線4-循環水泵變速無壓差閥作用的工作點


   (4)對于電動控制的自動控制系統,隔絕各并聯支路間調節的干擾,避免自控系統的多余動作提高自控系統穩定性、可靠性。
   (5)起到特殊工況的限流作用。在起動供熱和特殊嚴寒工況下用戶的供熱需求會超出熱源的供熱能力,自力式壓差控制閥會有效的限制近端流量使遠端用戶達到預定的采暖效果。
3.2自力式壓差控制閥選用參數
   (1)壓差可調性
   對于供熱工程,一般情況下設計上很難準確計算戶內阻力,而戶內阻力(在設計流量下)可能在0.01—0.05MPa間變化,自力式壓差控制閥壓差可調比至少應為1:5以上??盞髂┒俗爸蒙杓屏髁康淖枇υ?0kPa——100kPa ,如果計入電動調節閥的阻力,則最大控制壓差可能達到160kPa ,自力式壓差控制閥壓差可調比至少應為1:16以上。
   (2)流量系數Kv的最大值和最小值
   最大流量系數是閥門全開的流量系數;最小流量系數為閥門全關位的漏過流量系數。這兩閥門參數對閥門的應用選型是至關重要的,閥門供應商必須實測并公開這兩個參數。
   最大流量系數應能保證最小富裕壓頭下達到設計流量;最小流量系數應能保證最大富裕壓頭下達到調節工況可能的最小流量值。
(3)壓差控制精度,應達到10%以保證流量精度達到5%。
  這些技術性能要求,是我們國內業界人士的獨立知識產權行為,由于我們突破靠彈簧調控制壓差的技術瓶頸,國產的自力式壓差控制閥在上述技術參數都遠優于國外同類產品。
另外,國外的此類產品,是沿襲旁通壓差控制閥構造制作的,這帶來了一個錯誤:當控制壓差增大時閥門的最小阻力也隨之增大。從其樣本表述上看,閥門的最小阻力是控制壓差值的二分之一,可能高達50kPa以上。
3.3在分戶控制未安裝熱量表的情況下,自力式壓差控制閥同樣會起到定流量分配作用。其調節方法只需調節控制壓差流量達到設計流量。與自力式流量控制閥一樣各分支流量調整互不干擾使流量調節可一次完成。
  因此,在大多數實施分戶控制的準備計量收費的工程中,也應采用自力式壓差控制閥。在未計量收費前壓差閥同樣可以平衡分配流量,避免在計量表安裝時,重新換閥門。
  如果在未實際計量收費前,希望用熱源主導變流量手段節能運行,一些壓差閥生產企業可以在壓差閥上增設限位裝置。在流量初分配完成后,對壓差閥設置限位,使其變成一個靜態阻力元件,支持熱源主導變流量時末端流量的一致等比變化。
4、減壓閥
  一般地說供熱、空調的管網都是閉路循環的管網,其流量、壓差等水力工況參數是相關的:
由公式△P=SG2
   △P——壓差或稱阻力損失
   S——管段或系統的阻力系數
   G——管段或系統的流量
  可知,流量和壓力是相關參數,流量和壓力的調控互為手段和目的。減壓手段是減少上游管路的流量;減少流量也必須是減少管路前點的壓力或增加管路后點的壓力。流量變化必然導致壓力的變化;S值不變的系統,壓差的變化必然起因于流量的改變。因此說沒有一種不影響壓力的流量控制閥,也沒有一種不影響流量的壓力控制閥。
  給水等開式系統,出水閥前壓力的恒定就意味著出水量的恒定,減壓閥多為閥后壓恒壓閥。這是現行市場供應“減壓閥”。
  對供熱、空調等閉式循環水系統,閥后壓恒定意味著末端設備流量受壓力波動而改變,閥后壓恒定的“減壓閥”會破壞系統水力工況的穩定。如果末端設備耐壓等級低,使用自力式流量控制閥、自力式壓差控制閥在保障流量的前提下,起到減壓?;ど璞傅淖饔?。


 
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