自力式調節閥適用工況分析

                          自力式調節閥適用工況分析


摘要  


    介紹了ZL47型自力式流量控制閥和ZY47型自力式壓差控制閥的結構和工作原理。分析歸納了自力式流量控制閥與自力式壓差控制閥的適用條件，其中也涉及自力式調節閥與電動調節閥、平衡閥的配合使用問題。


1 引言      


  自力式調節閥是一個新的自力式調節閥種類。相對于手動調節閥，它的優點是能夠自動調節；相對于電動調節閥，它的優點是不需要外部動力。應用實踐證明，在閉式水循環系統（如熱水供暖系統、空調冷凍水系統）中，正確使用這種閥門，可以很方便地實現系統的流量分配；可以實現系統的動態平衡；可以大大簡化系統的調試工作；可以穩定泵的工作狀態等。因此，自力式調節閥在供熱空調工程中有著廣闊的應用前景。由于這種閥門在我國出現時間不長，所以對其適用條件還研究不夠，本文試作一些分析，算作參加對這個問題的討論。    按照自力式調節閥的控制參量可以分為四類：①控制網路中某個部分的流量；②控制網路中某個部分的壓差；③控制熱交換裝置的出水溫度；④控制供暖或空調房間的溫度。本文以前兩種自力式調節閥為討論對象。    


2 驗自力式調節閥的結構和工作原理      


2．1 自力式流量控制閥    


自力式流量控制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。自力式流量控制閥的名稱較多，如自力式流量平衡閥、定流量閥、自平衡閥、動態流量簡稱閥等。
各種類型的自力式流量控制閥，結構各有相異，但工作原理相似。這里以ZL47型自力式流量控制閥為例，介紹其結構和工作原理。ZL47型自力式流量控制閥從結構上說，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，如圖1所示。手動調節閥組的作用于設定流量，自動平衡閥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。 
  上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導式減壓閥,空氣減壓閥,氮氣減壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調節閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動閥門、電動閥門、高壓閥門、中壓閥門、低壓閥門、水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。手動調節閥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。 
   
  2．2 自力式壓差控制閥 
  自力式壓差控制閥的作用是維持施加在被控對象上的壓差恒定。這里介紹ZY47型自力式
壓差控制閥的結構和工作原理。 
  ZY47型自力式壓差控制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2a為回水式結構示意圖，圖2b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（施加于被控環路的壓差）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2b所示的環路內部阻力發生變化，比如某一支路判斷，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，壓差控制閥的阻力增大，而使P2又回升到原來的大小，即P1-P2不 變?？梢?，無論是網路壓力出現波動，還是被控對象內部阻力發生變化，自力式壓差控制閥均可維持施加于被控對象的壓差恒定。


3 系統的運行調節方式與自力式調節閥的選擇    
  （1）當系統的運行調節采用熱源主動進行的集中量調節（比如隨室外溫度的變化而改變流量）時，不能采用自力式調節閥。因為這種調節是通過改變水量實現的，因而調節時改變了系統的水力工況，所以若采用自力式調節閥，勢必造成有的閥能正常工作，但被控對象流量過大（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，即再現流量分配的混亂。顯然，由于自力式調節閥的存在而造成了系統集中調節的不能實現。  這里若采用手動調節閥（比如平衡閥），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抽調節時，可以采用自力式流量控制代和自力式壓差控制閥，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，采用自力式流量控制閥，可以吸收網路的壓力波動，維持被控負荷載的流量恒定。采用自力式壓差控制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的壓差恒定。  


 （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，但若采用自力式調節閥，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 點被控對象的內部調節與自力式調節閥的選擇      


4．1 有內部調節  


 如圖3所示，在一個環路入口處裝設自力式流量控制閥，則環路流量恒定，那么環路中的一個支路進行流量調節，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1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，裝設自力式流量控制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。               
                       圖3 自力式壓差控制閥與電動二通閥的配合使用  


 而若如圖2b所示，在環路入口處裝設自力式壓差控制閥，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，例得各支路間的調節干擾不可避免，比如一個支路關小，其它支路的流量均將程度不同的有所增加。但在設計合理的情況下一步，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它閥門盡可能減小干管的阻力，可以使各支路間的調節干所降到低程度，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是的調節干擾，所以家采用自力式壓差控制閥。    


  4．2 無內部調節  


 在被控制對象無內部調節時，因為內部阻力不變，所以壓差恒定必然流量恒定，因而裝設自力式壓差控制閥和裝設自力式流量控制閥，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暖系統，一個支路上連接多個用戶，無疑在支路入口處可以裝設
自力式壓差控制閥。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，采用自力式流量控制閥。   對于二者均可采用的場合，采用為自力式流量控制閥，因為流量控制閥可以直接設定和顯示流量，且無需連接導壓 管。


5 自力式壓差控制閥與電動二通調節閥的配合使用    
  電動二通調節閥的選型應遵循兩個原則：①系統為設計工況時，閥門全開的流量稍大于設計流量（有的文獻[1]認為應在開度90%時為設計流量）；②閥權度足夠大，文獻（1）認為不能小于0.3，文獻（2）認為不能小于0.5。對于第①個條件往往難以滿足，因為同一種電動閥相鄰兩種口徑的流通能力（即全開時的流量系數）大約相關60%，所以往往找不到流通能力恰好符合要求的口徑，而只好選偏大的口徑。那么對于口徑偏大的電動閥，一是可能造成較多的時間閥在較小開度甚至接近于關閉的狀態下工作，使閥的控制不穩定和不；二是全開狀態不可避免（比如系統啟動時，以及大的擾動出現時），而全開將使被控環路出現過流，同時使其他環路流量不足。 
  對于這種情況，一個簡單的解決辦法是與電動閥串聯一個平衡閥，消耗一部分壓差，從而使電動閥在接近全開時流量為設計流量。但這樣處理又可能使閥權度過小，即不符合第②個要求。如圖4a所示，負載（可以是一個環路，一個用戶，一臺設備等）入口壓差為80Kpa，設計流量為8.5T/h，設計工況下負荷的阻力損失為40Kpa。則所選電動閥在設計工況下的壓降應為40 Kpa，流通能力應為 
    
 
                  圖4 自力式壓差控制閥與電動二通閥的配合使用    
             
   
  根據文獻[1]中給出的ZAP型電動閥的參數表，ZAP-32B的流通能力為12，ZAP-40B的流通能力為20，所以只能選ZAP-40B，流量特性按線性考慮，則設計流量對應的開度只有68%。如圖4b所示，串聯一個平衡閥，使二通電動閥在全開時達到設計流量（為了分析和計算的方便，這里姑且以全開時達到設計流量考慮），則由 
可算得，此時電動閥門壓降為ΔP=18Kpa，平衡閥的壓降為80-40-18=28 Kpa，電動閥的閥權度為 顯然閥權度太小。閥權度過小將導致閥工作時的壓差變動范圍較大，閥的工作特性嚴重偏離理論特性，使控制的度變差。此時可如圖4c所示，與電動閥串聯裝設一個自力式壓差控制閥（此圖是ZY47型壓差控制閥供水式結構的連接方法）。壓差控制閥既可以代替平衡閥的作用，使電動閥在接近全開時達到設計流量，又可以保證電動閥上的壓恒定，即閥權度接近于1，閥的工作特性與理論特性基本吻合，使電動閥工作穩定，控制。本例中仍按電動閥全開達到設計流量考慮，電動閥的設定壓差應為18 Kpa。壓差控制閥可以保證電動閥始終在這個壓差下工作，剩余壓差、網絡的壓力波動及負載的壓和變化，均由壓差控制閥吸收。


6 平衡閥與自力式調節閥的配合使用      


一般而言，裝設了自力式調節閥的地方，不需再裝設手動平衡閥，但在如下兩種情況可以考慮二者串聯裝設，配合使用。  


（1）每一種自力式調節閥都有其可以正常工作的壓差范圍，超出這個范圍，就不能很好發揮應有的功能，甚至不能工作所以當作用于自力式調節閥的壓差過大時，可串聯一個平衡閥，吸收一部分壓差，以保障自力式調節閥的正常工作。    


（2）手動平衡閥一個很重要的功能就是可以進行流量的測定（實際上是測壓差結合閥的特性算流量），所以手動平衡閥可以說是一個"診斷"工具。因而對流量的程度要求較高的系統，為了監測被控對象的流量，監測自力式調節閥的工作是否正常，從而做出相應的調整，可以與自力式調節閥串聯一個平衡閥。并且，平衡閥的判斷和泄水功能也是自力式調節閥所不具有的。  


 7 結論      


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


 （2）對于熱源處主動進行集中量調節的系統，因運行調節時改變了系統的水力式工況，所以不能采用自力式調節閥。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一個末端裝置。    


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


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


（5）自力式壓差控制閥可與電動閥配合使用，以維持電動閥上的壓差恒定，從而使電動閥工作穩定，控制。  


 （6）有時平衡閥與自力式調節閥可串聯裝設，配合使用。  本文相關的論文有：中國閥門產值遞增      


參考文獻       1．施俊良，調節閥的選擇，中國建筑工業出版社，1986  


 2． Robert·Petitjean等著，郎四維，馮鐵栓譯，水力管網全面平衡技術，中國建筑工業出版社