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论文摘编
 水力工况控制用阀
   
   
   
                                         作者:崔笑千
一、水力工况控制用阀与热力工况控制用阀

水力工况控制阀门
热力工况控制阀门
电动调节阀、电动二通阀、 温控阀等
自力式流量控制阀、 自力式压差控制阀等
1、 气候补偿器,通过感知室外气温的变化来控制阀门动作;
2、 根据用户的要求来动作,以改变用户所处环境的温度/湿度为目的;
3、 直接感知所控环境的温度/湿度,并通过控制器发出指令,对环境的温度/湿度进行修正。
通过感受被控单元的压差变化做出相应动作,维持被控单元的压差不变。从而保证热力工况控制阀门的阀权度;或者保证通过阀门的流量保持不变。
对水力工况的变化没有感知能力。
对热力工况的变化没有感知能力。
通过阀门动作来改变被控环境的温湿度,但是在阀门动作的过程中会导致水力工况的变化,甚至使得水力工况平衡状态遭到破坏。
与热力工况控制阀门配合使用,维持水力工况的稳定运行,从而满足系统对热力工况的需求。
阀门的动作反映到实际环境的温湿度变化具有滞后性。
阀门对于水力工况的控制是实时自动的。

  水利工况的变化必然引起热力工况的改变;
  热力工况的稳定以水力工况的稳定为前提。
  两种控制逻辑的阀门在系统中是不能相互替代的,应该各司其职。
  另外,在配备水力工况控制阀门的系统中不用再刻意的设计同程式。因为同程式的物理实质是用管道来增加某些支路的沿程阻力,使得从“能源中心”到各个用能单位的沿程阻力基本相同。然而实际运行时的沿程阻力是与管道当中的流量息息相关的。也就是说只有各个支路都处在设计流量(或一致等比变化)的情况下,才有同程式所追求的“平衡”。对照实际的运行状况,只有依靠水力工况控制用阀才能保证系统的稳定合理运行。

二、水力工况的分类

  在供热计量收费情况下,热用户室内的温控阀和住户按自己的温度需求自主调节供热量。这与空调系统的温湿度闭环控制有类似的特征。这些以温湿度为被控参数的阀门应该与管网水力工况无关地完成热媒流量控制,属于末端用户主导变流量的关键设施。对于末端主导变流量的主要控制措施,以温湿度为主要控制目标的设施,不能再负担水力工况控制,否则会影响其实现温湿度控制的有效性。
辅助其工作的水力工况控制用阀,应能:1、稳定流量控制用阀的阀权度;2、提高水力工况的稳定性,使得末端的自主流量调节互不干扰;3、使得循环泵的变速过程不影响末端装置的流量,使水泵的变速过程增、减单方向完成。
  对于供热系统在传统的供热体制下是一种平均分配的供热模式,这种供热模式一般采取定流量的质调节供热方式。也有少数大型管网出于节约运行电能的目的,采取质量并调方式。但在平均供热的前提下,热负荷是随室外气象一致等比变化,流量的变化仅决定于室外气温变化,因此其控制方式,仅考虑采用室外温度单一参数控制热源循环泵的转速,实现变流量运行。这种变流量运行可定义为热源主导变流量方式。
在热源主导变流量时,水力工况问题仅是用户与热源远近不同,造成的水力工况平衡问题。这种水力工况,以不变和一致等比的流量变化为特征,或可定义为静态水力工况。
   在热计量收费的运行方式下,供热负荷及循环水流量的变化取决于用户需求,系统总循环流量的变化决定于用户的变化,这种变流量机制可定义为用户主导变流量方式。由于用户的自主流量变化,支干管路已经没有“设计流量”状态,最不利回路并不永远是最远端用户,设计计算时的最不利支线有可能在运行时被次不利支线所取代。水力工况问题主要是水力工况稳定性问题。这种水力工况变化和随机的流量为特征,或可定义为动态水力工况,但干、支管路已经没有设计流量状态,没有平衡分析的基础,动态水力工况不宜按水力工况平衡思维去考虑问题。
  计量收费流量控制方案,以用户自主变流量或末端闭环自动控制的流量为主,热源循环泵的变速是应因末端的流量需求,采取最小可能扬程运行。采用较远的末端压差控制水泵的调速运行,才可能把支干管路流量变化释放出的阻力完全纳入水泵调速的节能空间。考虑最不利回路和次不利回路的动态变化,应该取3—8个末端供回水压差信号为热源循环变速的控制信号,当全部压差信号都大于设定值时循环水泵降低转速,当任意一个压差小于设定值时,循环水泵增加转速。

三、调网水压图分析和平衡阀的安装位置

  调网的过程是利用平衡阀使各分支达到合理流量的过程。近端资用压头大于用户需用压头必然导致流量过大。必须用阀门消耗富裕压头(富裕压头=资用压头-需用压头)
   图二示意用户阀门及各压力点,如果用户供水管安装平衡阀调网,则P3近似等于P4,P2压力线如图三所示,近乎平行P4。如果用户回水管安装平衡阀调网,则P2近似等于P1,P3压力线近乎平行P1。
   户内实际供水压力为P2,回水压力为P3。如果压力过低会导致运行倒空,压力过高导致耐压等级较低的元件(如散热器)的压力破坏。
   因此对地形高差大的管网应按上述因素考虑平衡阀的安装位置。即在地形低洼处楼群平衡阀宜安装于供水,以保证户内不超压;在地形较高位置平衡阀宜安装于回水,以保证用户不倒空。
   对于大型直联管网,如电厂凝汽供热管网,供热半径很大,外网供回水压差很大,因此对平衡阀安装位置应作特殊考虑。
   烟台某电厂凝汽供热管网外网供回水压差52米水柱,考虑散热器耐压能力,末端回水压力设定为0.35MPa(35米水柱),前端回水压力仅为0.1MPa(10米水柱),而前端供水压力高达0.62MPa(62米水柱),如果平衡阀安装在回水管上,被控用户的回水压力P3可能接近0.6MPa,必将造成散热器的压力破坏;如果平衡阀安装于供水管上,近端用户的供水压力P2只有十几米水柱必然导致运行倒空。因此从设计上应采取供回水都安装平衡阀的方案,形成图四的水压图。
   具体作法是入户口供水管安装自力式流量控制阀,在地形高差不超出10米的建筑群的分支回水管上安装手动的平衡阀。这里自力式流量控制阀负责控制分配流量;手动平衡阀调整压力,使阀前压力达到0.25MPa的满水运行工况。自力式流量控制阀只依据流量大小“肓目”控制压力,如果安装回水管上,不待手动调整压力,已经出现压力破坏事故。自力阀安装在供水未手动调整压力时,可能出现运行倒空而影响供热效果,不可能发生事故。

四、水力工况控制用阀的性能与用途

  1、平衡阀
  从现行市场供应产品名称上看有“数字锁定平衡阀”、“静态平衡阀”等产品。从水力工况分析的角度讲,它是适合静态水力工况控制的设备,其解决的问题是水力工况平衡问题。
这类阀门是在五十年前,根据供热管网水力工况控制需求设计制造的一种水力工况控制用阀。当时的大型供热管网水力工况平衡问题突出,调网工作又没有方便的现场流量测试手段。因此当时的“平衡阀”必须具有良好的调节性能和方便的流量测试性能。三十年前,便携式超声波流量计已经解决了现场流量测试问题。无论是流量测试精度,还是现场条件要求,便携式超声波流量计都比平衡阀和“智能表”有更好的技术性能。因此附属于平衡阀的“智能表”及其流量测试功用已经失去了实际工程意义。现实平衡阀主要价值在于它良好的调节性能。
   手动平衡阀具有造价低,元件使用寿命长等优点,对支路不多的小型管网也可方便进行水力工况平衡。对于热源主动变流量管网主要应该采用手动平衡阀做水力工况平衡控制,因为手动平衡阀作为可调的静态阻力元件,最简单地保证热源主导变流量时末端流量的一致等比变化。而一切自力式阀门,作为动态阻力元件,都不能简单地保证热源主导变流量运行。对循环泵扬程大于50米水柱的大型直联管网,手动平衡阀可用于压力工况的调整。
1.1手动平衡阀的特性曲线
阀门特性曲线决定了阀门的调节性能,如截止阀的流量曲线,如果认为95%—100%之间的流量变化是没有意义的,那么开度从0—5%即实现了流量的全程变化,这样的阀门是不能作为水力工况平衡调节使用的。

1-截止阀特性曲线
2-线性特性阀实际工作曲线 (阀权度0.2) 3-线性特性
4-等百分比特性曲线

  由于阀门理论特性曲线是在定压差下测试,而实际工况只要阀权度不为1则阀门在小开度下阀前后压差大,大开度时阀前后压差小,导至阀dG/dC值(流量开度变化率)在小开度变大,在大开度时变小,使阀门实际工作曲线向快开方向偏移,阀权度越小其偏移越大,对于直线特性的阀门由于实际性能的偏移会导致阀门的有效调节的开度空间变小,因此阀门的理论性曲线以下弦弧如等百分比特性为好。等百分比(对数)特性曲线阀门,在阀权度0.3—0.5时实际工作曲线可能接近直线特性。
1.2阀门的汽蚀振动
   通常阀门在小开度情况下阀口的流速过高,在阀后会形成旺盛紊流的蜗旋区,蜗旋区核心压力很低,该处压力低于水温对应的饱和压力时水蒸汽的闪发会导致气水击现象:严重的噪音,阀门及管道的振动,阀门、管道、管支架的破坏。
   防止这种事故的发生应首先在阀门流道设计上考虑阀塞和阀座在小开度时形成狭长的节流流道,约束旺盛紊流蜗旋的形成;其次选用阀门时尽量加大阀权度,以避免阀门在小开度下运行。另外,在不牵涉压力工况问题时尽量将平衡阀安装在水温较低的回水管路上。
2、自力式流量控制阀
2.1自力式流量控制阀工作原理
   (1)孔板流量计——导阀——主阀原理。主阀前设置一个流量孔板,导阀感测、比较孔板前后压力差,如压力差大于设定压差,意味着流量超过设定流量,导阀控制主阀做关阀动作。如感测压差小于设定压差,则意味着流量小于设定流量,导阀控制主阀做开阀动作。导阀上的设定压差可调,调大调小设定压差,可以调大调小设定流量。
   由于孔板流量计的流量压差对应关系受到前流态影响极重,如果要求流量精度达到10%,则必须阀前有10d以上的直管段,而这一点工程实际中极难保障。另外这种阀出厂后的流量可调范围很小,在保持流量精度的前提下,流量可调比不会超过2:1。
   (2)“Kv? =常数”原理,自由弹簧和感压膜构成阀门开关动力系统△P/S=εL
   S—感膜工作面积,ε—弹簧的胡克系数,L—阀行程
   由此可知阀门的每一个行程位置决定△P值的大小,如果阀行程位的Kv与 成反比,则G=Kv? 是恒定值。这一原理的阀最初做成流量不可调的流量限制器,近年生产的流量可调式一种是做成多管通道,通过堵管调整设定流量;另一种是用一手动阀改变自力阀Kv与行程的关系,但这种办法很难保证Kv与 在每一调整位置的反比关系,造成调整位的流量控制精度不高。另外有的产品用波纹管制作感压膜和自由弹簧的一体化产品,由于不锈钢波纹管处在流动死区,在水中氯离子含量较高时,极易产生腐蚀。
   (3)自力式压差控制阀与手动调节阀阀组原理。这种原理是现在国产流量控制阀最广泛采用的。手动调节阀的每一个开度位置对应一个Kv值,由自力式压差控制阀控制手动调节阀前的压差不变,则G=Kv? 不变,改变流量时只需调整手动调节阀的Kv值。
   这种阀的流量控制精度决定于压差控制阀精度,压差
   △P=N/S
   N——弹簧力
   S——感压膜工作面积
   弹簧力在自力阀的行程内会有变化,但使
   H/△L=1/10
   H——自力阀最大位移行程
   △L——弹簧的预压缩量
   则△P的变化仅为±5%,流量精度可达3%。
   这种自力式流量控制阀的缺点在于阀门有最小工作压差的要求,一般产品要求最小工作压差20KPa,如果安装在最不利回路上,势必要求循环泵多增加2米水柱的工作扬程,所以应采取近端安装,远端不安的办法。用户离热源距离大于供热半径的80%时就不宜安装这种自力式流量控制阀。
   (4)用自力式压差控制阀直接控制流量
   户内阻力系数S,在平均供热的前提下是不变值,户内设计流量G,△P=SG2,通过控制户内供回水压差,一样可以控制循环流量,调节控制压差就可调节循环流量。用这种办法调控流量,只是必须借助便携式流量测试仪器如超声波流量计。这种方式对于远端用户,阀门不会增加消耗压头。
2.2自力式流量控制阀的适用性
   自力式流量控制阀在大型管网上应用可以使流量分配工作变得简单便捷。尤其多热源管网,热源切换运行时不会对用户流量产生影响。
但对于变流量运行的管网,不论是热源主导变流量还是末端主导变流量,都不可采用自力式流量控制阀。在热源主导变流量的情况下,近端回路维持流量不变,而远端回路流量会严重不足。在热用户主导变流量的情况下,用户主动调小流量时,自力式流量控制阀会开大阀门,尽量维护原流量,直到全开失效为止。用户主动调大流量时,自力式流量控制阀会关小阀门,直到全闭失效为止。亦即只有自力式流量控制阀失效,用户主动的流量要求才能实现。
  需要特别说明的是,大多数自力式流量控制阀由于流道复杂,大口径、大流量的自力式流量控制阀,阻力往往过大。因此,对口径大于150mm,流量大于50m3/h的产品选用应该慎重。不能用该产品作为水泵出口的限流阀使用;对于冷水机组有定流量运行要求时,可以用自力式压差控制阀取代;对于大口径、大流量,又有一定的流量调节需求时,可以用自力式压差控制阀和手动平衡阀组合替代。
3、自力式压差控制阀
  自力式压差控制阀是典型的动态水力工况控制用阀,它和温湿度控制的流量调节配合,能完整地解决末端主导变流量的水力工况问题。
3.1自力式压差控制阀的应用意义
   (1)自力式压差控制阀消耗系统的富裕压头。
   (2)自力式压差控制阀起到隔绝用户间流量变化互相干扰作用。
   这两项功能有的业内人士认为散热器上的温控阀可以起作用,实际上如果让温控制阀产生这样的作用必然导致温控阀在小开度下工作,甚至于在振动工况下工作。这对温控阀是十分不利的,温控阀最初希望的作用仅限于利用自由热量,我们很多业内人士对其寄予的希望过大了。与之相类似,温湿度闭环控制的电动调节阀也不能起到水力工况控制的作用。
(3)自力式压差控制阀在水泵调速时保持各用户“自主”流量,使水泵调速是变扬程调速,调速过程非往复搜索的单向完成。

图中:曲线1-原工作点
曲线2-用户主动调整流量后形成的工作点
曲线3-循环水泵变速——压差阀动作形成工作点
曲线4-循环水泵变速无压差阀作用的工作点


   (4)对于电动控制的自动控制系统,隔绝各并联支路间调节的干扰,避免自控系统的多余动作提高自控系统稳定性、可靠性。
   (5)起到特殊工况的限流作用。在起动供热和特殊严寒工况下用户的供热需求会超出热源的供热能力,自力式压差控制阀会有效的限制近端流量使远端用户达到预定的采暖效果。
3.2自力式压差控制阀选用参数
   (1)压差可调性
   对于供热工程,一般情况下设计上很难准确计算户内阻力,而户内阻力(在设计流量下)可能在0.01—0.05MPa间变化,自力式压差控制阀压差可调比至少应为1:5以上。空调末端装置设计流量的阻力在10kPa——100kPa ,如果计入电动调节阀的阻力,则最大控制压差可能达到160kPa ,自力式压差控制阀压差可调比至少应为1:16以上。
   (2)流量系数Kv的最大值和最小值
   最大流量系数是阀门全开的流量系数;最小流量系数为阀门全关位的漏过流量系数。这两阀门参数对阀门的应用选型是至关重要的,阀门供应商必须实测并公开这两个参数。
   最大流量系数应能保证最小富裕压头下达到设计流量;最小流量系数应能保证最大富裕压头下达到调节工况可能的最小流量值。
(3)压差控制精度,应达到10%以保证流量精度达到5%。
  这些技术性能要求,是我们国内业界人士的独立知识产权行为,由于我们突破靠弹簧调控制压差的技术瓶颈,国产的自力式压差控制阀在上述技术参数都远优于国外同类产品。
另外,国外的此类产品,是沿袭旁通压差控制阀构造制作的,这带来了一个错误:当控制压差增大时阀门的最小阻力也随之增大。从其样本表述上看,阀门的最小阻力是控制压差值的二分之一,可能高达50kPa以上。
3.3在分户控制未安装热量表的情况下,自力式压差控制阀同样会起到定流量分配作用。其调节方法只需调节控制压差流量达到设计流量。与自力式流量控制阀一样各分支流量调整互不干扰使流量调节可一次完成。
  因此,在大多数实施分户控制的准备计量收费的工程中,也应采用自力式压差控制阀。在未计量收费前压差阀同样可以平衡分配流量,避免在计量表安装时,重新换阀门。
  如果在未实际计量收费前,希望用热源主导变流量手段节能运行,一些压差阀生产企业可以在压差阀上增设限位装置。在流量初分配完成后,对压差阀设置限位,使其变成一个静态阻力元件,支持热源主导变流量时末端流量的一致等比变化。
4、减压阀
  一般地说供热、空调的管网都是闭路循环的管网,其流量、压差等水力工况参数是相关的:
由公式△P=SG2
   △P——压差或称阻力损失
   S——管段或系统的阻力系数
   G——管段或系统的流量
  可知,流量和压力是相关参数,流量和压力的调控互为手段和目的。减压手段是减少上游管路的流量;减少流量也必须是减少管路前点的压力或增加管路后点的压力。流量变化必然导致压力的变化;S值不变的系统,压差的变化必然起因于流量的改变。因此说没有一种不影响压力的流量控制阀,也没有一种不影响流量的压力控制阀。
  给水等开式系统,出水阀前压力的恒定就意味着出水量的恒定,减压阀多为阀后压恒压阀。这是现行市场供应“减压阀”。
  对供热、空调等闭式循环水系统,阀后压恒定意味着末端设备流量受压力波动而改变,阀后压恒定的“减压阀”会破坏系统水力工况的稳定。如果末端设备耐压等级低,使用自力式流量控制阀、自力式压差控制阀在保障流量的前提下,起到减压保护设备的作用。


 
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