供熱系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥的研究與應(yīng)用

1 引言

近年來(lái)，為解決供熱、空調(diào)系統(tǒng)中的水力失調(diào)、冷熱不均等問(wèn)題，自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用得越來(lái)越多，因而調(diào)節(jié)閥得到廣泛的應(yīng)用，同時(shí)對(duì)調(diào)節(jié)閥性能特別是其流量特性的要求也越來(lái)越高。

調(diào)節(jié)閥的流量特性，即流量隨閥門(mén)開(kāi)度變化的關(guān)系，取決于閥芯的型線及其在系統(tǒng)中的位置。目前，在閥門(mén)設(shè)計(jì)時(shí)，即使流量特性為百分比型的調(diào)節(jié)閥，在實(shí)際工作中也會(huì)變成快開(kāi)特性，使系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行正常的調(diào)節(jié)。其原因是多方面的，但有個(gè)重要原因是現(xiàn)有調(diào)節(jié)閥閥芯型線設(shè)計(jì)中存在某些問(wèn)題，使得調(diào)節(jié)閥的工作參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)不一致，在很多情況下滿足不了運(yùn)行調(diào)節(jié)的要求。為些，需要對(duì)閥芯的型線設(shè)計(jì)進(jìn)行修正。

此外，調(diào)節(jié)閥的規(guī)格或口徑選擇也非常重要，它直接影響到調(diào)節(jié)系統(tǒng)效果的好壞，因此需根據(jù)調(diào)節(jié)對(duì)象的特性、調(diào)節(jié)閥的使用場(chǎng)合和流通能力來(lái)正確選用調(diào)節(jié)閥。

2 閥芯型線的計(jì)算公式

調(diào)節(jié)閥閥芯形狀基本上可分為3類：柱塞式、開(kāi)口式和套筒式。但無(wú)論何種閥芯，都可以具有相同的流量特性，每一種流量特性都有相同的數(shù)學(xué)模型和???學(xué)方程。目前應(yīng)用*為廣泛的有直線流量特性的直線方程和等百分比流量特性的對(duì)數(shù)方程。

直線流量特性和等百分比流量特性均指調(diào)節(jié)閥的理想流量特性，理想流量特性是在閥前后壓差恒定的情況下得到的。顯然，在實(shí)際工況下閥前后的壓差不是恒定的。因此研究調(diào)節(jié)閥*主要的是研究其工作特性，即實(shí)際工況下流量與閥門(mén)開(kāi)度變化的關(guān)系。

由文獻(xiàn)[1]可知：直線流量特性的數(shù)學(xué)方程：

式中：G/Gmax--相對(duì)流量，即調(diào)節(jié)閥在某一開(kāi)度下的流量與全開(kāi)流量之比；

L/Lmax--相對(duì)開(kāi)度，即調(diào)節(jié)閥某一開(kāi)度下的行程與全開(kāi)時(shí)行程之比；

k--常數(shù)，即調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)。

進(jìn)而可得：

式中R為可調(diào)比，即調(diào)節(jié)所能控制的*大流量與*小流量之比，R = G_max/G_min。

由等百分比流量特性的數(shù)學(xué)方程

（2）、、（4）只適用于計(jì)算機(jī)流量特性為直線型和等百分比型的調(diào)節(jié)閥各個(gè)開(kāi)度下的流量，不能用于計(jì)算各個(gè)開(kāi)度的流通截面積，而這正是現(xiàn)有調(diào)節(jié)閥閥芯設(shè)計(jì)的問(wèn)題所在，文獻(xiàn)[2]等即認(rèn)為：G/G_max=F/F_max。

為了計(jì)算各開(kāi)度下的流通截面積，由文獻(xiàn)[3]可得：

式中：G--流量，kg/s；

α--流量系數(shù)；

F--調(diào)節(jié)閥的流通截面積，m²；

ρ--介質(zhì)的密度，kg/m³；

Δp--調(diào)節(jié)閥前后的壓差，Pa。

下角標(biāo)max是指調(diào)節(jié)閥*大行程時(shí)的各參數(shù)。

分別聯(lián)立式（2）、（6）和式（5）、（6）可得：

式（7）、（8）分別為流量特性曲線是直線型和等百分比型調(diào)節(jié)閥的流通截面積計(jì)算公式。其中流量系數(shù)α可依據(jù)文獻(xiàn)[3]查得近似值，亦可以據(jù)其所述原理進(jìn)行標(biāo)定。

3 Δp_max、Δp值的確定

3.1為了更好地應(yīng)用（7）、（8）兩式，需確定Δp_max、Δp值。Δp_max為調(diào)節(jié)閥全開(kāi)時(shí)閥上的壓差，它與調(diào)節(jié)系統(tǒng)總壓差的比值稱為閥權(quán)度P_V^[1]，亦稱閥門(mén)能力。

式中P_V為調(diào)節(jié)閥的閥權(quán)度；Δp_x為系統(tǒng)的阻力壓降，Δp_max+Δp_x=Δp_s。參見(jiàn)圖1。

P_V值的大小將關(guān)系到系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量，如圖2^[1]所示。在實(shí)際的工作中，理想的直線特性趨于快開(kāi)特性，理想的等百分比特性趨向于直線特性，P_V值越小，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量越差。因此，在實(shí)際使用中，一般希望P_V值*小不低于0.3^[1]。

圖2 調(diào)節(jié)閥的工作特性

3.2 Δp的計(jì)算

Δp是指調(diào)節(jié)閥在某一開(kāi)度下的壓差。其值在Δp_max和Δp_min（Δp_x為調(diào)節(jié)閥*小可調(diào)量流量時(shí)的壓差，可取0.95Δp_s）之間的波動(dòng)，可以采用內(nèi)插法來(lái)進(jìn)行估算，即視調(diào)節(jié)閥的壓差隨流量成比例變化，則有：

式中Φ為與閥權(quán)度P_V值有關(guān)的系數(shù)， 。

當(dāng)P_V=0.3時(shí)，Φ＝0.217； P_V=0.5，Φ＝0.9。

將式（11）代入式（7）、（8）即可計(jì)算出各個(gè)開(kāi)度下的流通截面積，從而可以進(jìn)行閥芯型線設(shè)計(jì)。對(duì)于等百分比特性的柱塞式調(diào)節(jié)閥，假設(shè)P_V=0.3，L/L_max=0.5，R=30，則可得出Φ＝2.17，G/G_max=0.138，α/α_max=0.875，代入式（8）、（11）得：F/F_max=1.4G/G_max。顯然，F(xiàn)/F_max≠G/G_max，而且偏差很大（與閥權(quán)度P_V值的大小有很大關(guān)系）。這表明：在理想情況下設(shè)計(jì)的等百分比型調(diào)節(jié)閥不是等百分比型，而是直線型，甚至是快開(kāi)型（指相對(duì)開(kāi)度從0到很小的一段范圍內(nèi)，相對(duì)流量就從0達(dá)到80%以上），何況在實(shí)際工作中呢？這是調(diào)節(jié)閥閥芯型線設(shè)計(jì)的"先天性"缺陷，更加導(dǎo)致了調(diào)節(jié)閥在實(shí)際工作中調(diào)節(jié)性能變差。

4 供熱系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥的選用

4.1 選用原則

供熱系統(tǒng)*終目的是熱力工況的平衡，要求在流量改變的同時(shí)，散熱器（或換熱器）散熱量適應(yīng)負(fù)荷的變化。就是說(shuō)，調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度變化與散熱器散熱量的變化成線性關(guān)系，這才是供熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)的*佳原則。亦即文獻(xiàn)[1]所述在調(diào)節(jié)過(guò)程中，調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)和調(diào)節(jié)對(duì)象的放大系數(shù)乘積維持不變。

從文獻(xiàn)[4]可得出散熱器的流量與散熱量之間的關(guān)系，如圖3所示。Q為相對(duì)散熱量，指散熱器某**量下的散熱量與額定流量（設(shè)計(jì)流量）下的散熱量的比值，G為散熱器相對(duì)流量，曲線1、2、3、4分別表示供回水溫差為10、20、30、40℃時(shí)散熱器流量與散熱量之間的關(guān)系。從圖中可以看出：流量小時(shí)流量變化對(duì)散熱器的散熱量影響大；流量大時(shí)影響小，即散熱器的散熱量隨流量變化的放大系數(shù)逐漸減小。

分析圖2、圖3中得：

為了得到散熱器的相對(duì)散熱量Q/Q_max和調(diào)節(jié)閥的相對(duì)開(kāi)度L/L_max的線性關(guān)系，必須選擇等百分比性能的調(diào)節(jié)閥。這一點(diǎn)對(duì)于散熱器和換熱器，只要其介質(zhì)為熱水，都是如此，而直線型的調(diào)節(jié)閥將達(dá)不到線性關(guān)系的要求。

對(duì)于不同的供回水溫差，散熱器放大系數(shù)（曲線的斜率）的變化率不一樣；調(diào)節(jié)閥在不同的安裝地點(diǎn)，閥權(quán)度P_V值不同，放大系數(shù)的變化率不一樣。為保證兩個(gè)放大系數(shù)的乘積為一常數(shù)，在選用調(diào)節(jié)閥時(shí)使其閥門(mén)全開(kāi)時(shí)的阻力應(yīng)不一樣。由此可得出：在目前供熱系統(tǒng)中大流量、小溫差運(yùn)行方式下，調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)質(zhì)量變差。

通過(guò)以上分析，筆者認(rèn)為熱水供暖系統(tǒng)應(yīng)選用等百分比型調(diào)節(jié)閥，此外還應(yīng)考慮閥門(mén)阻力，這一點(diǎn)對(duì)于調(diào)節(jié)閥用在不同場(chǎng)合非常重要。一般而言，系統(tǒng)的阻力數(shù)在熱源的分、集水器（注：對(duì)于熱源的分、集水器處的調(diào)節(jié)閥，其調(diào)節(jié)對(duì)象為整個(gè)供熱系統(tǒng)，其散熱量與流量的關(guān)系也類似圖3的形狀^[5]）、熱力站處為*大，干線分支處和用戶的熱力入口次之。對(duì)于柱塞式、開(kāi)口式和套筒式閥芯的調(diào)節(jié)閥，它們?nèi)疾捎媒刂归y的閥體，閥芯呈流開(kāi)狀態(tài)。在相同的測(cè)試條件下，一般來(lái)說(shuō)，套筒式調(diào)節(jié)閥阻力*大，開(kāi)口式其次，柱塞式*小。因此，可認(rèn)為在選擇等百分比調(diào)節(jié)閥時(shí)，當(dāng)調(diào)節(jié)對(duì)象的阻力較大時(shí)，宜選用套筒式或開(kāi)口式調(diào)節(jié)閥；阻力較小時(shí)，這三種調(diào)節(jié)閥都可以用。

當(dāng)調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)對(duì)象為一供熱系統(tǒng)時(shí)，如熱源的分、集水器處，干線分支處和用戶的熱力入口處等，調(diào)節(jié)閥起分配流量的作用，即開(kāi)度與流量的關(guān)系，沒(méi)有涉及到閥開(kāi)度與設(shè)備散熱量的*終關(guān)系。由圖2b可以得出當(dāng)閥權(quán)度P_V=0.1時(shí)，調(diào)節(jié)閥的工作特性相對(duì)開(kāi)度與相對(duì)流量基本成線性關(guān)系，也能起到很好的分配流量的作用。在這種情況下如果還要求如前所述的閥權(quán)度P_V≥0.3，那么所選擇的調(diào)節(jié)閥的阻力過(guò)大，造成系統(tǒng)阻力過(guò)大，水泵耗電太大。如果調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)對(duì)象為換熱器或散熱器等，為了滿足閥門(mén)調(diào)節(jié)與設(shè)備換熱或散熱關(guān)系，*終所要求的是散熱器相對(duì)散熱量或換熱器的相對(duì)換熱量與調(diào)節(jié)閥的相對(duì)開(kāi)度成線性關(guān)系，這時(shí)就有必要要求所選閥門(mén)在工作中的閥權(quán)度P_V≥0.3。

此外，用戶熱力入口的調(diào)節(jié)閥是安裝在供水管還是回水管上，應(yīng)根據(jù)水壓圖來(lái)確定。如果在高層建筑中安裝在供水管上，有可能造成閥后壓力過(guò)小（閥門(mén)阻力大），部分管道處于負(fù)壓區(qū)，產(chǎn)生倒空現(xiàn)象，此時(shí)應(yīng)考慮把調(diào)節(jié)閥安裝在回水管上；反之，對(duì)低層建筑就應(yīng)安裝在供水管上，還可以用閥門(mén)減壓。

如果熱媒為蒸汽，一定壓力下，汽化潛熱為定值，散熱量或換熱量與蒸汽量成正比，為保證相對(duì)散熱量或相對(duì)換熱量與調(diào)節(jié)閥的相對(duì)開(kāi)度成線性關(guān)系，僅需要求調(diào)節(jié)閥的工作特性成線性關(guān)系即可。因此當(dāng)系統(tǒng)或設(shè)備阻力較小時(shí)，選用直線型調(diào)節(jié)閥；反之，選用等百分比型調(diào)節(jié)閥，但是，此時(shí)的閥權(quán)度P_V應(yīng)為0.1左右。還應(yīng)注意：如果熱媒為蒸汽，為防止汽壓下降過(guò)大，所選擇的調(diào)節(jié)閥的阻力應(yīng)較小。

4.2 調(diào)節(jié)閥的口徑選擇計(jì)算

目前在供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)中有一部分人往往不進(jìn)行調(diào)節(jié)閥口徑的選擇計(jì)算，一般認(rèn)為多大的管徑選擇多大口徑的閥門(mén)，這種觀念是錯(cuò)誤的。對(duì)于調(diào)節(jié)閥一定要按照其流通能力來(lái)選擇口徑。從前文已看出，調(diào)節(jié)閥的壓降對(duì)于閥芯型線設(shè)計(jì)非常重要，對(duì)于口徑的選擇亦是如此。選擇計(jì)算步驟如下：

確定調(diào)節(jié)閥的壓差Δp

式中η--系數(shù)，當(dāng)調(diào)節(jié)閥用于熱源的分、集水器處，干線分支處和用戶熱力入口等時(shí)，η=0.15～0.5；當(dāng)用于調(diào)節(jié)散熱器或換熱器等時(shí)，η=0.5～0.7；

p_g--系統(tǒng)或設(shè)備供水壓力，Pa；

p_h--系統(tǒng)或設(shè)備回水壓力,Pa。

計(jì)算調(diào)節(jié)閥的*大流通能力G_max

流通能力C是指在調(diào)節(jié)閥全開(kāi)、閥兩端壓力為10⁵Pa、流體密度ρ為1g/cm³時(shí)，每h流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量G_max，以m³/h計(jì)為：

在調(diào)節(jié)閥產(chǎn)品規(guī)格中，根據(jù)C_max值選取大于C_max且*近一檔的C值，選出調(diào)節(jié)閥的規(guī)格或口徑。

按照如上的步驟即可正確選擇調(diào)節(jié)閥的口徑。文獻(xiàn)[4]也指出：按口徑比管道直徑小的方法選擇用戶熱力入口調(diào)節(jié)閥，從流通能力方面考慮是可行的。具體的口徑比管道直徑應(yīng)該縮小幾號(hào)，需根據(jù)供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)條件或設(shè)計(jì)水壓圖而定。如果選擇口徑與管道直徑一樣的調(diào)節(jié)閥，按照上面的分析，就有可能造成流通能力過(guò)剩，調(diào)節(jié)范圍減小，即實(shí)際可調(diào)比R減小，調(diào)節(jié)特性不好，有時(shí)會(huì)造成系統(tǒng)或設(shè)備無(wú)法進(jìn)行正常的調(diào)節(jié)。

5 結(jié)論

無(wú)論是調(diào)節(jié)閥閥芯型線的設(shè)計(jì)，還是閥芯形狀和閥門(mén)口徑的選擇，其目的都是為了使供熱系統(tǒng)具有良好的可調(diào)性。但是，不同工況下散熱器的散熱特性是不同的（主要是指供回水溫差的不同），其放大系數(shù)也不同；調(diào)節(jié)閥安裝在不同的地點(diǎn)，其閥權(quán)度P_V值不同，因而其放大系數(shù)也不同。因此要想使得兩個(gè)放大系數(shù)的乘積保持不變，對(duì)于工業(yè)產(chǎn)品要求系列化來(lái)說(shuō)是非常困難的，也只有希望散熱器的散熱量隨調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度變化能基本保持線性關(guān)系即可。

綜合以上分析，可得出以下結(jié)論：

調(diào)節(jié)閥的流通截面積計(jì)算公式應(yīng)按照（7）、（8）兩式進(jìn)行計(jì)算，不應(yīng)簡(jiǎn)單認(rèn)為相對(duì)流通截面積等于相對(duì)流量；

根據(jù)調(diào)節(jié)對(duì)象的不同選擇不同閥芯形狀的等百分比型調(diào)節(jié)閥，同時(shí)，如果調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)對(duì)象為一系統(tǒng)時(shí)，P_V≥0.1，如果為一設(shè)備時(shí)，P_V≥0.3；

對(duì)調(diào)節(jié)閥的規(guī)格或口徑應(yīng)根據(jù)閥門(mén)的流通能力來(lái)選擇計(jì)算，調(diào)節(jié)閥的安裝地點(diǎn)不同，其計(jì)算公式中的系數(shù)有差別；

用戶入口的調(diào)節(jié)閥是否安裝在供回水管上，應(yīng)根據(jù)水壓圖而定。

6 參考文獻(xiàn)

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