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  • 进口平衡阀调节原理及应用
    发布日期:2017-5-16


    【摘 要】本文介绍了平衡阀的调节原理、选型及应用中常用的两种调试方法,同时介绍其在实际应用中的节能效果,以便更进一步地推动该项新产品在实际工程中的应用。
      【关键词】平衡阀;调节原理;调试方法;节能
      1、引言
      热水供暖系统水力设计中管网系统水力平衡计算至关重要,计算平衡程度直接影响各热负荷流量分配是否均匀,计算确定的管径大小、水泵型号及散热器面积又直接影响到工程投资。因此,系统平衡计算各并联环路之间的计算压力损失相对差额,国标规范(GB 50019-2003)第4.8.6条明确规定:热水采暖系统的各并联环路之间的计算压力损失相对差额,不应大于15%。[2]
      尽管在设计中设计人员作了仔细的设计计算及平衡计算,并达到了规定的要求,但在施工安装、初调试后,各用户的实际流量与设计要求任不符,而出现了水力不平衡,即水力失调现象。分析其原因有二个方面:一是缺乏消除环路剩余压头的定量装置。因为有利环路的剩余压头不可能只由变小管径来消除。国标规范(GB 50019-2003)中第4.8.7条规定“采暖系统供水、供汽干管的末端和回水干管始端的管径,不宜小于20mm”。[2]目前常用的截止阀及闸阀调节量甚小,同时又无定量显示,而节流孔板难以计算得比较精确;二是水泵实际运行点往往偏离设计运行点。设计水泵型号一般按二个参数选择:流量,扬程。流量为系统总流量(按总负荷求得),扬程则为最不利环路阻力损失加上一定的安全系数,由于实际阻力往往低于设计阻力,水泵工作点处于水泵特性曲线铭牌点的右下侧,使实际水量偏大,此外,对于要考虑供热面积逐年扩大的管网系统,想以一次性平衡计算或安装节流孔板是行不通的,因此,设计时留有较大的富余量,那么,大流量及水力失调就不可避免了。
      2、目前水系统状况
      2.1水系统处于大流量小温差工况
      1998年在生活区汽暖改水暖工程设计中我们首次采用了平衡阀。1999年2月1-3日,邀请平衡阀厂家同志来我厂对生活区供暖管网进行了一次测试。实测资料表明,实际供水量为555t/h,是设计供水量的1.85倍(设计供水量为297.8t/h),供水温度为80℃,回水温度为66℃,共回水温差为14℃。而设计供回水温差为25℃。
      2.2室温不均
      我厂后勤处于1998年12月底对全厂热水供暖住户进行了一次实测,其结果是:近环路的室温高达25℃,不利环路的室温仅13℃(测量时窗户打开)。
      3、平衡阀及其调节原理
      平衡阀属于调节阀,它的工作原理是通过改变阀芯及阀座的间隙(即开度)来改变流经阀门的流动阻力,达到调节流量的目的。从流体力学的观点来看,平衡阀相当于一个局部阻力可以改变的节流元件,当它用于供暖热水管网时,由流体方程式可得:
      △P=P1-P2=ξρV2/2= ξρ(Q/F)2/2 ……………………(1)
      那么Q=F(2△P/ξρ)1/2 …………………………………(2)
      式中
      Q——流经平衡阀的水流量,m3/s;
      ξ——平衡阀的阻力系数;
      P1、P2——平衡阀前后压力,Pa;
      F——平衡阀接管截面积,m2;
      ρ——流体的密度,Kg/m3;
      △P——阀前后的压差,Pa。
      由式(2)可以看出,当F一定(即对某一型号的平衡阀),阀前后的压差△P不变时,流量Q仅受平衡阀阻力系数影响而变化,ξ增大(即阀门关小时),Q减小;反之,ξ减小(即阀门开大时),Q增大。平衡阀就以改变阀芯的行程来改变阀门的阻力系数,达到调节流量的目的。
      令 KV= F(2/ξρ)1/2
      由(2)得 Q= KV(△P) 1/2…………………………………(3)
      KV为平衡阀的阀门系数,即当平衡阀前后压差为1MPa,流经平衡阀的流量值(m3/s)。平衡阀全开时的阀门系数相当于普通阀门的流通能力。
      若平衡阀的开度不变,则阀门系数KV不变,也就是说阀门系数KV由开度而定。这样平衡阀就可以作为定量调节流量的节流部件了。
      4、平衡阀在供热工程中的应用与节能
      4.1平衡阀的选型及安装
      平衡阀的选型一般根据管径尺寸配用同样口径的平衡阀,但是必须进行压降校核计算,以避免流经平衡阀时压降过小,引起调试时由于压降过小而造成较大误差。具体校核步骤如下:
      先算出通过平衡阀的设计流量,按管径求出设计时管内流速V(m/s),根据该平衡阀全开时的局部阻力系数ξ值,按公式△P=ξρV2/2(Pa)求得压降值△P(ρ为水的密度,ρ=1000Kg/m3),要求△P≥2KPa。如△P<2KPa,则需将管径减小一档,重新进行校核计算,直到达到要求为止。
      管网系统中所以需保证设计流量的环路中都应安装平衡阀,以消除近环路上的剩余压头,保证流量的合理分配。每个支环路上只需设一个平衡阀,为降低工作温度,便于调试,平衡阀宜安于回水线上,但总管上的平衡阀宜安设于供水总管的水泵后。为使流经阀门前后的水流稳定,保证平衡阀流量测量精度,阀前后均要有5D(D为管道直径)的直管段。安装时要注意平衡阀的方向不能反向,且不得将平衡阀的测压嘴碰坏。
      系统安装完毕,具备测试条件后,应用专用智能仪表对系统全部的平衡阀进行调试,并将各阀开度加以整定,使管网实现水力工况平衡,在热网正常运行过程中,不要随意变动平衡阀的开度,特别是不要变动锁定装置。
      4.2平衡阀的平衡调试
      在供暖管网的平衡调节中,平衡阀的调试方法有两种:简易法和比例法。
      4.2.1简易法
      简易法的调试步骤是:对任一被调整的平衡阀,将智能仪表与阀体上的两个测压小嘴相连,对该平衡阀做两次开度调节。由于智能仪表中储存了各种型号平衡阀的性能曲线,在向仪表输入两次开度值后,仪表即能获得两次开度下的流量值及流通系数值,进而求出其它部分的流通系数。当向仪表输入该平衡阀处要求流经的水量后,仪表即能显示出该平衡阀在系统水力平衡时的开度值(即圈数值)。   这种方法适用于较简单的管网系统的平衡调节,调节顺序是先调有利环路,再调不利环路,仅需一台智能仪表就能完成。
      4.2.2比例法
      对于大型、较复杂系统的平衡调试,最好采用比例法,需配置两台智能仪表,用步话机保持平衡调试时的联系。
      这种方法的调试步骤是:首先找出被调试管路中最不利(即最远)环路中的平衡阀,如图1中支管平衡阀1-1,将智能仪表与平衡阀1-1的两个测压小嘴连接,测出实际流量值(阀门全开),并由仪表计算出流量比(即实际流量与设计流量之比),保持其开度不变;然后用另一台智能仪表测量其上游的平衡阀的流量比(如图1中的1-2),调节此阀门使其流量比与1-1保持一致。按此方法再依次调整上游阀门1-3、1-4,并使它们流量比均与1-1相同,此时1-1、1-2、1-3、1-4均具有相同的流量比,最后调整干管平衡阀1,使其流量比达到1.0,这时,全部支管的平衡阀均获得相同的流量比1.0,也就是说所有用户流量都达到了设计值。
      比例法调试的顺序是先调不利环路,再调有利环路,最后调干管平衡阀。这种方法调试的优点是:平衡工作量小,每个平衡阀只需调整一次,调试方法的实质是迫使有利环路的水流向不利环路去。
      无论是那种方法调试,调整完后,可用锁定装置将其锁定,并做好调试记录,记下每个平衡阀平衡时的开度值,以备查考。
      4.3工程实例
      我厂生活区热水改造工程首次采用了平衡阀,设计时供水干管及每栋楼房的回水线上都安装有平衡阀。
      采用上述简易法测得数据汇总成表1(干管平衡阀调试记录表)和图2(三区供暖管网水量平衡图)。
      表1 干管平衡阀调试记录表
      设计总流量:297.8 t/h
      水泵参数: Q=280m3/h;H=72m;N=96KW;共两台(一开一备)
      编号 平衡阀口径 设计流量(m3/h) 阀开度 运行流量(m3/h) 总流量(m3/h) 泵扬程mH2O 动压头mH2O 水温差(℃)
      调试前 1-1 250 185.8 全开 285 555 44 20 14
      1-2 250 75.44 60° 182
      1-3 200 36.46 全开 88
      调试后 1-1 250 185.8 75° 242 446 47 24 17
      1-2 250 75.44 60° 134
      1-3 200 36.46 75° 70
      4.4平衡阀的节能
      4.4.1降低水泵能耗
      由表1可以看出,通过平衡阀调节,管网总流量下降了,而泵的扬程及管网动压头、水温差都有所升高。
      水泵的有效功率计算公式为:
      Nc=QHρ/102
      式中 Nc--泵的有效功率,Kw;
      Q--泵的流量,m3/s;
      ρ--水的密度,取ρ=1000kg/m3。
      调试前 Nc=555×44×1000/(102×3600)=66.1Kw
      调试后 Nc=446×47×1000/(102×3600)=57Kw
      这样经平衡阀调试后水泵的有效功率下降了(66.1-57)/57=16%,以采暖期100天来计算,每年可节约电能21840度,以0.3元/度电的价格计算,每年可节约人民币1.31万元。
      4.4.2减少供热量,提高供热品质
      对于一个水力失调系统,为了使不利环路室温有所改善,往往升高水温,即加大了供热量,但这会引起有利环路室温偏高,浪费能量。
      平衡阀调试前后,对我厂生活区热水供暖住户室内温度进行了一次测试,抽样统计结果见表2:
      表2 住户室温调试前后对照表
      室温(℃) 平均温度(℃) 不均匀度 住户平均率
      调试前 13-15 16-17.5 18 18.5
      -19 19.5-20.5 21-22 23-25 19.5 最大值 最小值 16.1%
      户数 7 18 20 24 30 15 10 39% -28%
      调试后 户数 22 78 16 6 2 18 22% -11% 62.9%
      注:不均匀度=(室温-设计室温)/设计室温
      住户均匀率=设计室温/总住户数
      由表2中的数值可看出,经平衡阀调试后,室温达设计室温的住户比率明显升高,平均室温也由原来的19.5℃下降到18℃。一般说来采暖系统平均温度每降低1℃可节能约5.6%。象以上采暖系统实现平衡后,平均室温降低了1.5℃,可节能约8.3%。
      由此看来,一个经平衡阀调试的水力平衡系统,不仅提高了供热品质,同时与水力失调系统相比,大大地节约能耗。
      另外,通过平衡阀的调试发现了下列问题:
      三区18、19、22栋供回水线反向;临街建筑水量大小无法测定,究其原因是底层室内回水线未与室外回水线相接。这是平衡阀与一般调节阀所不同之处,通过实测能及时发现施工错误及施工遗留问题。
      针对我厂具体情况,目前我厂热水供暖用户仅56栋住宅,还只能算是小区供暖,考虑到每年以1万平米住宅建筑速度递增,还有目前地丁区、北区、南区及公共设施94栋楼房的水暖改造,因而供暖系统管网将越来越复杂,不利环路将越来越长,管网系统的水力失调的可能性将越来越大。这种大型的、比较复杂的管网水系统,其平衡阀的实用价值将更进一步地体现出来。
      5、结论
      5.1平衡阀无疑起到了消除管网环路地剩余压力、限定环路水流量的作用,精心设计管网水力平衡计算后,尚需合理选取平衡阀,以作调整管网平衡之用。
      5.2对于采用风机盘管制冷的空调水系统,供回水温度较小,循环水量较大,水量的不平衡对系统的供冷品质影响很大,可通过平衡阀的调试来实现管网水系统的平衡。特别是对于要求较高的空调水系统,可在总管、干管、立管,甚至支管上均安装平衡阀,使所有的立管、支管都能达到设计流量。
      5.3对于既供暖又供冷的管网系统,其热水和冷水的设计流量当然不一致,因此,要对冬夏两次工况进行调整,做好开度记录,只要在开始供暖或供冷之前对系统各进行一次调试即可。
      5.4平衡阀根据其特有的性能更适用于逐年扩建的管网系统平衡,因为只要在逐年管网系统运行前对全部或部分平衡阀重作一次调整即可使管网重新实现水力平衡。
      由此看来,平衡阀在实际工程中的应用有一定的现实意义。
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