電動調節閥在變流量供熱系統中的應用

      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中，電動調節閥被廣泛應用在熱力站進行供熱量調節。但電動調節閥在實際使用中常出現運行效果不理想，甚至無法正常調節、調節閥損壞過快的情況。一個重要的原因就是電動調節閥的設計選型不當。本文介紹了電動調節閥常用的設計選型原則和計算步驟，并結合工程實例進行說明。針對資用壓頭過大的常見情況，介紹了串聯手動調節閥和壓差控制閥兩種方式來改善其調節性能。
【關鍵詞】電動調節閥 變流量 供熱系統

1.引言
實施供熱計量的變流量系統，處于動態的變流量運行狀態。為解決變流量供熱系統中水力失調、冷熱不均等問題，提高管理運行水平，改善供熱效果，計算機監控系統應用得越來越多，電動調節閥作為重要的調節手段，在熱力站得到廣泛的應用。熱力站一次側的電動調節閥由現場或遠程監控系統控制，調節換熱器一次側的流量，進而改變提供給熱用戶的供熱量。但在實際運行中，電動調節閥常出現運行效果不理想，甚至無法進行正常調節、調節閥損壞過快。其原因是多方面的，其中一個重要的原因就是電動調節閥的設計選型不當。由于熱力站距離熱源的遠近不同，系統提供的資用壓頭不同、壓力變化范圍大，影響電動調節閥正常運行，所以工程應用中常采用串聯手動調節閥或壓差控制閥的方式來保證電動調節閥的工作壓降，保證其調節性能。電動調節閥的設計選型很重要，直接影響系統調節效果的好壞。本文主要對變流量供熱系統中熱力站一次側電動調節閥的設計選型進行探討。
2.電動調節閥的技術參數
電動調節閥由閥體和執行機構兩部分組成。執行機構根據控制器的信號改變閥門的開度對流量進行調節，實現換熱器換熱量的調節控制。電動調節閥設計選型時涉及的技術參數主要有閥門口徑、流通能力（Kv值）、流量特性曲線、閥權度、關閉壓差等。
2.1 電動調節閥的流通能力
電動調節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——流經調節閥的流量，m3/h；ΔP——調節閥前后的壓差，bar。當閥門全開時獲得最大的流通能力，此時的Kv值最大，稱為Kvs；當閥門關閉時流通能力為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。
2.2 流量特性曲線
電動調節閥的流量特性曲線表示當額定行程從0變化到100%時，流經閥門的流量與百分比額定行程之間的關系，反映調節閥的相對流量與相對開度之間的關系。當經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。當經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，為了達到調節閥的閥門開度與換熱器的換熱量形成線性關系的目的，需要采用理想流量特性為等百分比特性的調節閥進行調節，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，幾乎所有的調節閥都不可能在恒定的壓降下運行（安裝有壓差控制器時除外），閥門從關閉到全開的過程中，兩端的壓差是在變化的，致使調節閥的流量特性發生變化，等百分比特性趨向于線性特性。不同的閥權度下，電動調節閥的工作流量特性不同，隨著閥權度的減小，偏離的越嚴重。
2.3 閥權度
電動調節閥的閥權度指調節閥全開時兩端的壓降與調節閥全關時調節系統兩端的壓降之比。理論上，這個值越大越好，表明閥門能夠對流量進行有效調節從而對換熱器換熱量進行有效控制。閥權度是衡量調節閥調節性能的重要指標。電動調節閥的閥權度大小，影響其工作流量特性，關系到系統的調節質量。閥權度越小，系統的調節質量越差。工程設計選型時，一般要求閥權度在0.25～0.3以上，以防因調節閥的調節特性變壞。
2.4 可調比和關閉壓差
電動調節閥的可調比，即調節所能控制的最大流量與最小流量之比。供熱系統在運行時流量變化應在調節閥的可控范圍內。關閉壓差或最大工作壓差，為調節閥全關時閥門兩端的最大壓差，如果調節閥的關閉壓差超過允許范圍，應采取措施（如串聯壓差控制閥）來保證電動調節閥的關閉壓差。
3.供熱系統中電動調節閥的設計選型
3.1 設計選型參數
電動調節閥設計選型時需要的參數主要有流量、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荷，再根據一次網的供回水溫度就可以確定熱力站的一次側流量，進而確定調節閥的流量；調節閥的閥前壓力、壓差或閥后壓力由供熱系統一次網的水壓圖和熱力站的阻力損失求得，根據供熱系統的實際情況確定。
3.2 設計選型原則
供熱系統最終目的是熱力工況的平衡，換熱器的換熱量適應供熱負荷的變化。調節閥的開度變化與換熱器換熱量的變化成線性關系，是供熱系統調節的最佳原則。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節閥。為了在實際工作中保證調節閥的調節性能，要求調節閥的閥權度不應小于0.25～0.3。電動調節閥的閥體口徑按照流通能力Kvs選擇，執行機構的選型需要滿足最大關閉壓差的要求。
3.3 設計選型計算
根據熱力站供熱負荷和一次側的供回水溫度計算電動調節閥的流量；
根據一次網的水壓圖、熱力站的阻力和閥權度確定電動調節閥的壓降；
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，選擇調節閥的口徑；
計算實際全開時的壓降，再計算實際閥權度，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；
根據選型樣本選擇與閥體匹配的執行機構，并滿足關閉壓差要求，確定控制信號類型。
3.4 工程實例
例1，某熱力站一次側供回水壓差為120kPa，流量為18.6m3/h，二次側流量為120m3/h。采用板式換熱器，設計壓降為50kPa，過濾器壓降為20kPa。
電動調節閥的設計選型過程如下：流量為18.6m3/h；取調節閥的選型壓降為50kPa；調節閥全關時的壓降為120kPa；計算所需Kv值為26.3；取10%的安全系數，Kv'=28.9；查選型樣本（以Samson3214型為例，下同），選取Kvs為32，調節閥口徑為DN50；調節閥全開時壓降為33.8kPa，實際閥權度為0.28。查選型樣本允許壓差超過10bar，選5824型執行機構。
4.熱力站資用壓頭過大時電動調節閥的設計選型
由于一次網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提供的資用壓頭大，在熱源遠端的供熱管網提供的資用壓頭小。以至于近端熱力站的調節閥閥權度往往過小（小于0.25～0.3），常導致調節閥即使工作在很小的開度下仍然出現超流量的情況，使得調節閥的調節性能很差。
例2，某熱力站一次側供回水壓差為380kPa，流量69m3/h，二次側供回水流量為179m3/h，采用兩臺板式換熱器，設計壓降為50kPa，過濾器壓降為20kPa。電動調節閥的選型計算如下：流量為34.5m3/h；初選調節閥的選型壓降為50kPa；調節閥全關時的壓降為380kPa；計算Kv值為48.8；取10%的安全系數，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，實際閥權度為0.05。若要使閥權度為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，設計流量時閥門出口的流速大于4.9m/s。
例2中電動調節閥的閥端最大壓差大，閥權度過小的情況，在實際工程中經常發生。雖然裝有電動調節閥，換熱器一次側的流量仍然過高，二次側無法達到期望的溫度。電動調節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節閥的調節性能，常采取措施使調節閥盡量工作在相對開度合適的范圍內，以提高調節功能，常用的措施有串聯手動調節閥或壓差控制閥。
4.1 串聯手動調節閥
手動調節閥為阻力元件，串聯手動調節閥的作用是克服供熱系統提供的多余資用壓頭，使電動調節閥在合適的壓差下工作，保證調節閥的閥端壓降與工作壓差之比大于0.25～0.3，以改善調節性能。
現重新對例2中的電動調節閥進行選型。如果通過手動調節閥克服260kPa的多余資用壓頭，調節閥的閥端壓差為50kPa，流量為34.5m3/h，計算Kv值為48.8，取10%的安全系數，Kv'=53.4，查選型樣本選取Kvs為80，選擇調節閥的口徑為DN80。此時調節閥的設計閥端壓降與工作壓差之比為50/（50+50）=0.5，設計工況下電動調節閥的調節性能明顯得到改善。由文獻［1］可知，串聯手動調節閥，從嚴格意義上講，沒有改變調節閥的閥權度，改變的只是電動調節閥在調節過程的相對開度，使其在合適的開度范圍內工作。當熱力站一次側流量變小時，電動調節閥的調節性能有變差的趨勢，這時需要調節手動調節閥，以降低電動調節閥工作時閥端壓降，使其閥門開度在允許的范圍內。
4.2 串聯壓差控制閥
當熱力站的資用壓頭過大還可以串聯差壓控制閥，為電動調節閥提供恒定壓差。壓差控制閥可以吸收額外的資用壓頭，保持電動調節閥在穩定工況下運行，使其不受供熱系統提供的資用壓頭變化和其它熱力站調節的影響，在所有負荷下都平穩工作。調節閥兩端壓差保持不變時，其始終處在閥權度接近1的最佳工作狀態，并對電動調節閥的關閉壓差要求降低。由于串聯壓差控制閥的諸多優點，推薦在熱力站一次側安裝電動調節閥的同時串聯壓差控制閥。
壓差控制閥的兩個取壓點布置在電動調節閥兩側時，對例2中電動調節閥進行選型。電動調節閥在全開時壓降一般取與換熱器的壓降相同進行計算，壓差控制閥的設定值取50kPa；流量為34.5m3/h；計算Kv值為48.8；取10%的安全系數，Kv'=53.4；查選型樣本選取Kvs為80，選擇調節閥的口徑為DN80。此時調節閥的閥權度為1，即電動調節閥的控制為全閥權控制。在運行時無論供熱負荷和熱力站的資用壓頭如何變化，壓差調節閥的閥芯會自動調節，使電動調節閥的閥端壓降始終保持為50kPa，保證調節閥的調節功能。
5.結束語
實施供熱計量后，供熱系統為變流量系統，電動調節閥被廣泛應用在熱力站的一次側調節供熱量。電動調節閥的實際使用情況，反映調節閥的設計選型很重要。針對供熱系統中熱力站的資用壓頭過大，導致調節閥即使在很小的開度下仍然出現超流量、調節閥損壞過快的現象，采用串聯手動調節閥和壓差控制閥兩種方式，來改善電動調節閥的使用環境，提高供熱系統的可調性。由于采用串聯壓差控制閥的諸多優點，推薦采用這種方式。
參考文獻
［1］石兆玉,正確選擇流量調節閥是實現供系統流量平衡的關鍵.區域供熱，2009.