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自力式平衡閥的原理及結構結合應用
 

闡述了供熱系統中水力失調情況下自力式平衡閥的合理應用,介紹了常見的自力式流量平衡閥和自力式壓差平衡閥的工作原理及其結構。

      1 問題的提出
 
      近年來,隨著我國經濟飛速發展,集中供熱事業發展迅速。現代化的大型住宅小區及大型商貿區的建設,擴網增容的現象十分普遍,使得供熱規模越來越大,供熱系統中的水力失調現象越來越明顯。即供熱系統在實際運行時,流經各幢建筑物,各用熱設備的水量與設計水量不符,近端熱用戶流量大,而遠端熱用戶的流量小,“近熱遠冷”的現象較為嚴重。現在設計或用熱單位往往采用加大換熱器和循環水泵流量的方法來緩解矛盾。結果導致工程投資增加,運行費用加大,靠增加電耗和熱損失來消除水力工況失調,造成了在熱源供熱量相同的情況下,供水溫度提不上去,回水溫度降不下來,熱量得不到充分利用,形成了“大熱源,大流量,小溫差”的惡性運行方法。

      在大型的供熱管網系統中,只有安裝具有自動調節功能,實現管網動態平衡的控制元件,才能徹底解決水力工況失調現象,確保全系統的供熱質量。

      2 自力式平衡閥的原理及結構

      自力式平衡閥就是一種具有自動調節功能,能使管網實現動態平衡的新型閥門。我們常用的有自力式流量平衡閥和自力式壓差平衡閥。現將它們的結構和工作原理介紹如下:

      (1)自力式流量平衡閥的作用是在閥的進出口壓差變化的情況下,維持通過閥門的流量恒定,從而維持與之串聯的被控對象(如一個環路、一個用戶、一臺設備等,下同)的流量恒定。

      自力式流量平衡閥從結構上說,是一個雙閥組合,即由一個手動調節閥組和自動平衡閥組組成(見圖1)。手動調節閥組的作用是設定流量,自動平衡閥組的作用是維持流量恒定。

      對于手動調節閥組來說,流量,式中Kv為手動調節閥口的流量系數,P2- P3為手動調節閥閥口兩側的壓差。Kv的大小取決于開度,開度固定,Kv即為常數,那么只要P2- P3不變,則流量G不變。而P2- P3的恒定是由自動平衡閥組控制的。比如進出口壓差P1- P3增大,則通過感壓膜和彈簧的作用使自動平衡閥組關小,使P1- P2增大,從而維持P2-P3的恒定;反之P1- P3減小,則自動平衡閥組開大,使P1- P2減小,維持P2-P3的恒定。

      手動調節闊組的每一個開度對應一個流量,開度和流量的關系由試驗臺試驗標定,并配有開度的顯示和鎖定裝置。

      (2)自力式壓差平衡閥的作用是維持施加在被控對象上的壓差恒定。自力式壓差平衡閥按照安裝在供水管還是回水管上,分為供水式結構和回水式結構,二者不可互換使用。這種閥門由閥體、雙節流閥座、閥瓣、感壓膜、彈簧及壓差調整裝置組成。圖2為回水式結構示意圖。圖3a為其安裝位置示意圖。

      當網路的供回水壓差P1- P3增大,則感壓膜帶動閥瓣下移,使得P2- P3增大,從而維持P1- P2(即施加于被控制環路的壓差)恒定;反之,P1- P3減小,則閥瓣上移,P2- P3減小,使P1- P2不變。

      若P1- P3不變,而圖3a所示的環路內部阻力發生變化,比如某一支路關斷,則環路的總阻力增大,在這個瞬間P2減小,P1- P2增大;但隨之感壓膜的受力平衡被打破,閥瓣下移,壓差平衡閥的阻力增大,從而使P2又回升到原來的大小,即只P1- P2不變??杉?,無論是網路壓力出現波動,還是被控對象內部的阻力發生變化,自力式壓差平衡閥均可維持施加于被控對象的壓差恒定。

      3 不同的運行調節方式與自力式平衡閥的結合應用

      (1)系統的運行調節采用集中量調節(比如水泵的變速調節等)時,不能采用自力式流量平衡閥和自力式壓差平衡閥。因為這種調節是通過改變水最實現的,因而調節時改變了系統的水力工況,所以若采用自力式平衡閥,勢必造成有的閥能正常工作,但系統流量過大(超過此時的熱負荷所對應的流量),有的閥全開仍達不到流量要求,有的閥因兩端壓差達不到啟動壓差而不能正常工作,即出現流量分配的混亂。顯然,由于自力式平衡閥的存在而造成了系統集中調節不能實現。

      這時若采用手動調節閥,則系統總流量增減時,各支路、各用戶的流量可以同比例增減,即系統的集中調節可以傳達至每一個末端裝置。

      (2)當系統的運行調節為質調節時,可以采用自力式流量平衡閥和自力式壓差平衡閥,因為這種調節方式只改變供水溫度,而與系統的水力工況無關,即在不改變系統的水力工況的情況下,把調節傳達到每個用戶和設備。采用自力式流量平衡閥,可以吸收網路的壓力波動,維持被控負載的流量恒定。采用自力式壓差平衡閥可以吸收網路的壓力波動,以及克服內擾(被控環路內部的阻力變化),以維持施加于被控環路上壓差恒定。

      (3)當系統采用分階段改變流量的質調節時,雖然每個階段流量不變。但若采用自力式平衡閥,每個流量階段要對控制流量或控制壓差進行設定,給運行管理帶來很大不便,所以不宜采用。

      4 自力式平衡閥在供熱系統內部調節方式下的應用

      (1)當被控對象有內部調節時(見圖3b),在一個環路入口處裝設自力式流量平衡閥,則環路流量恒定,那么環路中的一個支路進行流量調解,其調節量必然全部轉移到其他支路上去。比如支路2關閉,則支路l和支路3的流量增大,兩支路的流量增量即原支路2的流量。顯然,裝設自力式流量平衡閥使各支路間出現較大的調節干擾,環路的水力穩定性很差。而若如圖3a所示,在環路入口處裝設自力式壓差平衡閥,由于可以保持環路的壓差(即P1- P2)恒定,將大大減弱各支路間的調節干擾。如果環路中干管的阻力相對于支路的阻力可以忽略不計,則可把干管視為靜壓箱,各支路的調節互不干擾,即一個支路的流量調節對另外支路的流量不產生影響。實際上,由于干管阻力的存在,使得各支路間的調節干擾不可避免,比如一個支路關小。其他支路的流量均將程度不同地有所增加。但在設計合理的情況下,這種干擾是微弱的。系統設計時對于被控環路的干管采用相對較大的管徑,且在干管上不再裝設其他閥門。盡可能減小干管的阻力,可以使各支路間的調節干擾降到最低程度,使環路具有較好的水力穩定性。

      對于分戶熱計量的供暖系統,強調用熱調節的自主性,而又必須從設計上考慮盡可能減輕各用戶間的調節干擾,所以宜采用自力式壓差平衡閥。

      (2)當被控對象無內部調節時,因為內部阻力不變,所以壓差恒定必然流景恒定,因而裝設自力式壓差平衡閥和裝設自力式流量平衡閥,具有同樣的效果,都可以起到吸收網路的壓力波動,保持被控對象流量恒定的作用。這種情況下,二者可以互換。

      對于采用集中質調節的供熱系統,一個支路上連接多個用戶,無疑在支路入口處可以裝設自力式壓差平衡閥。但如果各用戶的調節是不經常的、無規律的以及相對于支路的總流量來說調節所產生的影響是輕微的,則也可以把支路的流量視為恒定,采用自力式流量平衡閥。

      對于二者均可采用的場合,推薦采用自力式流量平衡閥,因為流量平衡閥可以直接設定和顯示流量,且無需連接導管。

      5 自力式平衡閥在供熱系統中應用的總結

      (1)對于質調節系統可根據恒定流量和恒定壓差的需要,選用自力式流量平衡閥和自力式壓差平衡閥。

      (2)對于量調節系統,因運行調節時改變了系統的水力工況,所以不能采用自力式平衡閥和自力式壓差平衡閥。這時,若采用手動平衡閥,系統總流量變化時,各支路、各用戶、各末端裝置的流量同比例變化,即系統的集中調節可以傳達至每個末端裝置。

      (3)當被控對象有內部調節時,裝設自力式流量平衡閥。將使被控對象內部的各支路間出現較大的調節干擾。而裝設自力式壓差平衡閥,既可吸收網路的壓力波動、又可以使被控對象內部各支路間的調節干擾大大減弱。因而被控對象有內部調節時,可裝設自力式壓差平衡閥,不可裝設自力式流量平衡閥。對于分戶熱計量的質調節供暖系統,在一個向多戶供暖的支路入口處,宜裝設自力式壓差平衡閥。

      (4)被控對象無內部調節時,裝設自力式流量平衡閥和自力式壓差平衡閥,具有相同的效果,二者可以互換。當二者均可采用時,推薦采用自力式流量平衡閥。

      6 在供熱系統中使用自力式平衡閥的好處

      在目前我國供熱系統以質調為主的前提下,安裝使用自力式平衡閥是實現運行動態調節、降低運行成本、節約能源的有效措施,對推動集中供熱事業的發展必然產生深遠影響。

      (1)在管網系統中安裝自力式平衡閥,實現動態調節后,管網中的阻力能自動調整,確保設計的水泵G-H特性曲線在最佳工況下運行,從而達到節電的目的。

      (2)在管網系統中安裝自力式平衡閥實現管網運行動態調節,可以有效地克服系統中的“近熱遠冷”現象,真正達到熱量按需分配到熱用戶的目的,既提高了供熱質量,還能增加供熱面積。

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