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電動調(diào)節(jié)閥在變流量供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用

鄭州市熱力總公司 王二西 徐文紅

【摘 要】實施供熱計量的變流量系統(tǒng)中，電動調(diào)節(jié)閥被廣泛應(yīng)用在熱力站進(jìn)行供熱量調(diào)節(jié)。但電動調(diào)節(jié)閥在實際使用中常出現(xiàn)運(yùn)行效果不理想，甚至無法正常調(diào)節(jié)、調(diào)節(jié)閥損壞過快的情況。一個重要的原因就是電動調(diào)節(jié)閥的設(shè)計選型不當(dāng)。本文介紹了電動調(diào)節(jié)閥常用的設(shè)計選型原則和計算步驟，并結(jié)合工程實例進(jìn)行說明。針對資用壓頭過大的常見情況，介紹了串聯(lián)手動調(diào)節(jié)閥和壓差控制閥兩種方式來改善其調(diào)節(jié)性能。
【關(guān)鍵詞】電動調(diào)節(jié)閥 變流量 供熱系統(tǒng)

1.引言
實施供熱計量的變流量系統(tǒng)，處于動態(tài)的變流量運(yùn)行狀態(tài)。為解決變流量供熱系統(tǒng)中水力失調(diào)、冷熱不均等問題，提高管理運(yùn)行水平，改善供熱效果，計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用得越來越多，電動調(diào)節(jié)閥作為重要的調(diào)節(jié)手段，在熱力站得到廣泛的應(yīng)用。熱力站一次側(cè)的電動調(diào)節(jié)閥由現(xiàn)場或遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)控制，調(diào)節(jié)換熱器一次側(cè)的流量，進(jìn)而改變提供給熱用戶的供熱量。但在實際運(yùn)行中，電動調(diào)節(jié)閥常出現(xiàn)運(yùn)行效果不理想，甚至無法進(jìn)行正常調(diào)節(jié)、調(diào)節(jié)閥損壞過快。其原因是多方面的，其中一個重要的原因就是電動調(diào)節(jié)閥的設(shè)計選型不當(dāng)。由于熱力站距離熱源的遠(yuǎn)近不同，系統(tǒng)提供的資用壓頭不同、壓力變化范圍大，影響電動調(diào)節(jié)閥正常運(yùn)行，所以工程應(yīng)用中常采用串聯(lián)手動調(diào)節(jié)閥或壓差控制閥的方式來保證電動調(diào)節(jié)閥的工作壓降，保證其調(diào)節(jié)性能。電動調(diào)節(jié)閥的設(shè)計選型很重要，直接影響系統(tǒng)調(diào)節(jié)效果的好壞。本文主要對變流量供熱系統(tǒng)中熱力站一次側(cè)電動調(diào)節(jié)閥的設(shè)計選型進(jìn)行探討。
2.電動調(diào)節(jié)閥的技術(shù)參數(shù)
電動調(diào)節(jié)閥由閥體和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩部分組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)控制器的信號改變閥門的開度對流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)換熱器換熱量的調(diào)節(jié)控制。電動調(diào)節(jié)閥設(shè)計選型時涉及的技術(shù)參數(shù)主要有閥門口徑、流通能力（Kv值）、流量特性曲線、閥權(quán)度、關(guān)閉壓差等。
2.1 電動調(diào)節(jié)閥的流通能力
電動調(diào)節(jié)閥的流通能力反映的是閥門的通過能力，其定義是閥兩端的壓差為1bar時通過閥門的流量，常用Kv來表示，Kv=Q/■，式中Q——流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量，m3/h；ΔP——調(diào)節(jié)閥前后的壓差，bar。當(dāng)閥門全開時獲得最大的流通能力，此時的Kv值最大，稱為Kvs；當(dāng)閥門關(guān)閉時流通能力為0，其它開度位置的流通能力用Kv值表示，與閥門的開度相對應(yīng)。
2.2 流量特性曲線
電動調(diào)節(jié)閥的流量特性曲線表示當(dāng)額定行程從0變化到100%時，流經(jīng)閥門的流量與百分比額定行程之間的關(guān)系，反映調(diào)節(jié)閥的相對流量與相對開度之間的關(guān)系。當(dāng)經(jīng)過閥門的壓降恒定時所得到的流量特性，稱為理想流量特性。當(dāng)經(jīng)過閥門的壓降變化時所得到的流量特性，稱為工作流量特性。常見閥門的理想流量特性有線性特性、等百分比特性、快開特性。
熱力站水—水換熱器的換熱特性是一條上拋型曲線，為了達(dá)到調(diào)節(jié)閥的閥門開度與換熱器的換熱量形成線性關(guān)系的目的，需要采用理想流量特性為等百分比特性的調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，才能獲得理想的控制效果。
閥門的理想流量特性是在閥門兩端壓差保持不變的情況下得出的。在實際工程中，幾乎所有的調(diào)節(jié)閥都不可能在恒定的壓降下運(yùn)行（安裝有壓差控制器時除外），閥門從關(guān)閉到全開的過程中，兩端的壓差是在變化的，致使調(diào)節(jié)閥的流量特性發(fā)生變化，等百分比特性趨向于線性特性。不同的閥權(quán)度下，電動調(diào)節(jié)閥的工作流量特性不同，隨著閥權(quán)度的減小，偏離的越嚴(yán)重。
2.3 閥權(quán)度
電動調(diào)節(jié)閥的閥權(quán)度指調(diào)節(jié)閥全開時兩端的壓降與調(diào)節(jié)閥全關(guān)時調(diào)節(jié)系統(tǒng)兩端的壓降之比。理論上，這個值越大越好，表明閥門能夠?qū)α髁窟M(jìn)行有效調(diào)節(jié)從而對換熱器換熱量進(jìn)行有效控制。閥權(quán)度是衡量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)性能的重要指標(biāo)。電動調(diào)節(jié)閥的閥權(quán)度大小，影響其工作流量特性，關(guān)系到系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量。閥權(quán)度越小，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量越差。工程設(shè)計選型時，一般要求閥權(quán)度在0.25～0.3以上，以防因調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)特性變壞。
2.4 可調(diào)比和關(guān)閉壓差
電動調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比，即調(diào)節(jié)所能控制的最大流量與最小流量之比。供熱系統(tǒng)在運(yùn)行時流量變化應(yīng)在調(diào)節(jié)閥的可控范圍內(nèi)。關(guān)閉壓差或最大工作壓差，為調(diào)節(jié)閥全關(guān)時閥門兩端的最大壓差，如果調(diào)節(jié)閥的關(guān)閉壓差超過允許范圍，應(yīng)采取措施（如串聯(lián)壓差控制閥）來保證電動調(diào)節(jié)閥的關(guān)閉壓差。
3.供熱系統(tǒng)中電動調(diào)節(jié)閥的設(shè)計選型
3.1 設(shè)計選型參數(shù)
電動調(diào)節(jié)閥設(shè)計選型時需要的參數(shù)主要有流量、閥前壓力、壓差或閥后壓力、溫度等。熱力站供熱范圍內(nèi)的供熱面積、建筑的保溫性能、散熱器種類、房間的供暖溫度等因素決定了熱力站的供熱負(fù)荷，再根據(jù)一次網(wǎng)的供回水溫度就可以確定熱力站的一次側(cè)流量，進(jìn)而確定調(diào)節(jié)閥的流量；調(diào)節(jié)閥的閥前壓力、壓差或閥后壓力由供熱系統(tǒng)一次網(wǎng)的水壓圖和熱力站的阻力損失求得，根據(jù)供熱系統(tǒng)的實際情況確定。
3.2 設(shè)計選型原則
供熱系統(tǒng)最終目的是熱力工況的平衡，換熱器的換熱量適應(yīng)供熱負(fù)荷的變化。調(diào)節(jié)閥的開度變化與換熱器換熱量的變化成線性關(guān)系，是供熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)的最佳原則。熱力站水-水換熱器的換熱特性是一條上拋型曲線，所以選擇等百分比流量特性的調(diào)節(jié)閥。為了在實際工作中保證調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)性能，要求調(diào)節(jié)閥的閥權(quán)度不應(yīng)小于0.25～0.3。電動調(diào)節(jié)閥的閥體口徑按照流通能力Kvs選擇，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選型需要滿足最大關(guān)閉壓差的要求。
3.3 設(shè)計選型計算
根據(jù)熱力站供熱負(fù)荷和一次側(cè)的供回水溫度計算電動調(diào)節(jié)閥的流量；
根據(jù)一次網(wǎng)的水壓圖、熱力站的阻力和閥權(quán)度確定電動調(diào)節(jié)閥的壓降；
計算所需Kv值；
查選型樣本，選取大于Kv值且最近一檔的Kvs值，選擇調(diào)節(jié)閥的口徑；
計算實際全開時的壓降，再計算實際閥權(quán)度，不宜小于0.25～0.3，如果不滿足要求，一般可縮小一號口徑進(jìn)行重新核算；
查看選型樣本中的允許壓差、允許溫度并選擇閥型；
根據(jù)選型樣本選擇與閥體匹配的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并滿足關(guān)閉壓差要求，確定控制信號類型。
3.4 工程實例
 例1，某熱力站一次側(cè)供回水壓差為120kPa，流量為18.6m3/h，二次側(cè)流量為120m3/h。采用板式換熱器，設(shè)計壓降為50kPa，過濾器壓降為20kPa。 
電動調(diào)節(jié)閥的設(shè)計選型過程如下：流量為18.6m3/h；取調(diào)節(jié)閥的選型壓降為50kPa；調(diào)節(jié)閥全關(guān)時的壓降為120kPa；計算所需Kv值為26.3；取10%的安全系數(shù)，Kv'=28.9；查選型樣本（以Samson3214型為例，下同），選取Kvs為32，調(diào)節(jié)閥口徑為DN50；調(diào)節(jié)閥全開時壓降為33.8kPa，實際閥權(quán)度為0.28。查選型樣本允許壓差超過10bar，選5824型執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
4.熱力站資用壓頭過大時電動調(diào)節(jié)閥的設(shè)計選型
由于一次網(wǎng)存在沿程阻力和局部阻力，水壓圖為近似喇叭口狀的曲線，在熱源近端的供熱管網(wǎng)提供的資用壓頭大，在熱源遠(yuǎn)端的供熱管網(wǎng)提供的資用壓頭小。以至于近端熱力站的調(diào)節(jié)閥閥權(quán)度往往過小（小于0.25～0.3），常導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥即使工作在很小的開度下仍然出現(xiàn)超流量的情況，使得調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)性能很差。
例2，某熱力站一次側(cè)供回水壓差為380kPa，流量69m3/h，二次側(cè)供回水流量為179m3/h，采用兩臺板式換熱器，設(shè)計壓降為50kPa，過濾器壓降為20kPa。電動調(diào)節(jié)閥的選型計算如下：流量為34.5m3/h；初選調(diào)節(jié)閥的選型壓降為50kPa；調(diào)節(jié)閥全關(guān)時的壓降為380kPa；計算Kv值為48.8；取10%的安全系數(shù)，Kv'=53.7；查選型樣本選Kvs為80，口徑為DN80；閥門全開的實際壓降為18.6kPa，實際閥權(quán)度為0.05。若要使閥權(quán)度為0.3，則需要閥門全開時壓降為114kPa，Kvs值為32.3，查選型樣本閥門口徑不大于DN50，設(shè)計流量時閥門出口的流速大于4.9m/s。
例2中電動調(diào)節(jié)閥的閥端最大壓差大，閥權(quán)度過小的情況，在實際工程中經(jīng)常發(fā)生。雖然裝有電動調(diào)節(jié)閥，換熱器一次側(cè)的流量仍然過高，二次側(cè)無法達(dá)到期望的溫度。電動調(diào)節(jié)閥的高流速可能引起氣蝕或閃蒸而損壞到閥體本身。為改善近端熱用戶調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)性能，常采取措施使調(diào)節(jié)閥盡量工作在相對開度合適的范圍內(nèi)，以提高調(diào)節(jié)功能，常用的措施有串聯(lián)手動調(diào)節(jié)閥或壓差控制閥。
4.1 串聯(lián)手動調(diào)節(jié)閥
手動調(diào)節(jié)閥為阻力元件，串聯(lián)手動調(diào)節(jié)閥的作用是克服供熱系統(tǒng)提供的多余資用壓頭，使電動調(diào)節(jié)閥在合適的壓差下工作，保證調(diào)節(jié)閥的閥端壓降與工作壓差之比大于0.25～0.3，以改善調(diào)節(jié)性能。
 現(xiàn)重新對例2中的電動調(diào)節(jié)閥進(jìn)行選型。如果通過手動調(diào)節(jié)閥克服260kPa的多余資用壓頭，調(diào)節(jié)閥的閥端壓差為50kPa，流量為34.5m3/h，計算Kv值為48.8，取10%的安全系數(shù)，Kv'=53.4，查選型樣本選取Kvs為80，選擇調(diào)節(jié)閥的口徑為DN80。此時調(diào)節(jié)閥的設(shè)計閥端壓降與工作壓差之比為50/（50+50）=0.5，設(shè)計工況下電動調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)性能明顯得到改善。由文獻(xiàn)［1］可知，串聯(lián)手動調(diào)節(jié)閥，從嚴(yán)格意義上講，沒有改變調(diào)節(jié)閥的閥權(quán)度，改變的只是電動調(diào)節(jié)閥在調(diào)節(jié)過程的相對開度，使其在合適的開度范圍內(nèi)工作。當(dāng)熱力站一次側(cè)流量變小時，電動調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)性能有變差的趨勢，這時需要調(diào)節(jié)手動調(diào)節(jié)閥，以降低電動調(diào)節(jié)閥工作時閥端壓降，使其閥門開度在允許的范圍內(nèi)。
4.2 串聯(lián)壓差控制閥
當(dāng)熱力站的資用壓頭過大還可以串聯(lián)差壓控制閥，為電動調(diào)節(jié)閥提供恒定壓差。壓差控制閥可以吸收額外的資用壓頭，保持電動調(diào)節(jié)閥在穩(wěn)定工況下運(yùn)行，使其不受供熱系統(tǒng)提供的資用壓頭變化和其它熱力站調(diào)節(jié)的影響，在所有負(fù)荷下都平穩(wěn)工作。調(diào)節(jié)閥兩端壓差保持不變時，其始終處在閥權(quán)度接近1的最佳工作狀態(tài)，并對電動調(diào)節(jié)閥的關(guān)閉壓差要求降低。由于串聯(lián)壓差控制閥的諸多優(yōu)點(diǎn)，推薦在熱力站一次側(cè)安裝電動調(diào)節(jié)閥的同時串聯(lián)壓差控制閥。
壓差控制閥的兩個取壓點(diǎn)布置在電動調(diào)節(jié)閥兩側(cè)時，對例2中電動調(diào)節(jié)閥進(jìn)行選型。電動調(diào)節(jié)閥在全開時壓降一般取與換熱器的壓降相同進(jìn)行計算，壓差控制閥的設(shè)定值取50kPa；流量為34.5m3/h；計算Kv值為48.8；取10%的安全系數(shù)，Kv'=53.4；查選型樣本選取Kvs為80，選擇調(diào)節(jié)閥的口徑為DN80。此時調(diào)節(jié)閥的閥權(quán)度為1，即電動調(diào)節(jié)閥的控制為全閥權(quán)控制。在運(yùn)行時無論供熱負(fù)荷和熱力站的資用壓頭如何變化，壓差調(diào)節(jié)閥的閥芯會自動調(diào)節(jié)，使電動調(diào)節(jié)閥的閥端壓降始終保持為50kPa，保證調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)功能。
5.結(jié)束語
 實施供熱計量后，供熱系統(tǒng)為變流量系統(tǒng)，電動調(diào)節(jié)閥被廣泛應(yīng)用在熱力站的一次側(cè)調(diào)節(jié)供熱量。電動調(diào)節(jié)閥的實際使用情況，反映調(diào)節(jié)閥的設(shè)計選型很重要。針對供熱系統(tǒng)中熱力站的資用壓頭過大，導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥即使在很小的開度下仍然出現(xiàn)超流量、調(diào)節(jié)閥損壞過快的現(xiàn)象，采用串聯(lián)手動調(diào)節(jié)閥和壓差控制閥兩種方式，來改善電動調(diào)節(jié)閥的使用環(huán)境，提高供熱系統(tǒng)的可調(diào)性。由于采用串聯(lián)壓差控制閥的諸多優(yōu)點(diǎn)，推薦采用這種方式。
參考文獻(xiàn)
［1］石兆玉,正確選擇流量調(diào)節(jié)閥是實現(xiàn)供系統(tǒng)流量平衡的關(guān)鍵.區(qū)域供熱，2009，（1）.