供热系统中调节阀的研究与应用

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发布时间:2017年6月17日

    摘要: 依据调节阀流量特性的数学方程,导出了流量特性分别为直线型和等百分比型调节阀流通截面积的计算公式,指出了现有调节阀阀芯形状设计中存在的问题,分析了供热系统中调节阀的选用原则,认为应根据流通能力来计算机选择调节阀的口径,而不是由连接管的管径来确定,并认为调节阀的安装地点不同,其计算公式中的系数有差别。 

    关键词: 阀芯型线 流量特性 流通面积 流通能力 

    1 引言

    近年来,为解决供热、空调系统中的水力失调、冷热不均等问题,自动控制系统应用得越来越多,因而调节阀得到广泛的应用,同时对调节阀性能特别是其流量特性的要求也越来越高。

    调节阀的流量特性,即流量随阀门开度变化的关系,取决于阀芯的型线及其在系统中的位置。目前,在阀门设计时,即使流量特性为百分比型的调节阀,在实际工作中也会变成快开特性,使系统无法进行正常的调节。其原因是多方面的,但有个重要原因是现有调节阀阀芯型线设计中存在某些问题,使得调节阀的工作参数与设计参数不一致,在很多情况下满足不了运行调节的要求。为些,需要对阀芯的型线设计进行修正。

    此外,调节阀的规格或口径选择也非常重要,它直接影响到调节系统效果的好坏,因此需根据调节对象的特性、调节阀的使用场合和流通能力来正确选用调节阀。 

    2 阀芯型线的计算公式

    调节阀阀芯形状基本上可分为3类:柱塞式、开口式和套筒式。但无论何种阀芯,都可以具有相同的流量特性,每一种流量特性都有相同的数学模型和数学方程。目前应用最为广泛的有直线流量特性的直线方程和等百分比流量特性的对数方程。

    直线流量特性和等百分比流量特性均指调节阀的理想流量特性,理想流量特性是在阀前后压差恒定的情况下得到的。显然,在实际工况下阀前后的压差不是恒定的。因此研究调节阀最主要的是研究其工作特性,即实际工况下流量与阀门开度变化的关系。

    由文献[1]可知:直线流量特性的数学方程:

        (1)

    式中:G/Gmax--相对流量,即调节阀在某一开度下的流量与全开流量之比;

    L/Lmax--相对开度,即调节阀某一开度下的行程与全开时行程之比;

    k--常数,即调节阀的放大系数。

    进而可得:

        (2)

    式中R为可调比,即调节所能控制的最大流量与最小流量之比,R = Gmax/Gmin。

    由等百分比流量特性的数学方程

        (3)

    可得

        (4)

    式(2)、(4)只适用于计算机流量特性为直线型和等百分比型的调节阀各个开度下的流量,不能用于计算各个开度的流通截面积,而这正是现有调节阀阀芯设计的问题所在,文献[2]等即认为:G/Gmax=F/Fmax。

    为了计算各开度下的流通截面积,由文献[3]可得:

        (5)

    式中:G--流量,kg/s;

    α--流量系数;

    F--调节阀的流通截面积,m2;

    ρ--介质的密度,kg/m3;

    Δp--调节阀前后的压差,Pa。

    由式(5)可得:

        (6)

    下角标max是指调节阀最大行程时的各参数。

    分别联立式(2)、(6)和式(5)、(6)可得:

        (7)

        (8)

    式(7)、(8)分别为流量特性曲线是直线型和等百分比型调节阀的流通截面积计算公式。其中流量系数α可依据文献[3]查得近似值,亦可以据其所述原理进行标定。

    3 Δpmax、Δp值的确定

    3.1 为了更好地应用(7)、(8)两式,需确定Δpmax、Δp值。Δpmax为调节阀全开时阀上的压差,它与调节系统总压差的比值称为阀权度PV[1],亦称阀门能力。 

        (9)

    式中PV为调节阀的阀权度;Δpx为系统的阻力压降,Δpmax+Δpx=Δps。参见图1。

 


图1

    PV值的大小将关系到系统的调节质量,如图2[1]所示。在实际的工作中,理想的直线特性趋于快开特性,理想的等百分比特性趋向于直线特性,PV值越小,系统的调节质量越差。因此,在实际使用中,一般希望PV值最小不低于0.3[1]。

 


图2 调节阀的工作特性

    3.2 Δp的计算 

    Δp是指调节阀在某一开度下的压差。其值在Δpmax和Δpmin(Δpx为调节阀最小可调量流量时的压差,可取0.95Δps)之间的波动,可以采用内插法来进行估算,即视调节阀的压差随流量成比例变化,则有:

        (10) 

    综合以上公式可得:

        (11)

    式中Φ为与阀权度PV值有关的系数, 。

    当PV=0.3时,Φ=0.217; PV=0.5,Φ=0.9。

    将式(11)代入式(7)、(8)即可计算出各个开度下的流通截面积,从而可以进行阀芯型线设计。对于等百分比特性的柱塞式调节阀,假设PV=0.3,L/Lmax=0.5,R=30,则可得出Φ=2.17 ,G/Gmax=0.138,α/αmax=0.875,代入式(8)、(11)得:F/Fmax=1.4 G/Gmax。显然,F/Fmax≠G/Gmax,而且偏差很大(与阀权度PV值的大小有很大关系)。这表明:在理想情况下设计的等百分比型调节阀不是等百分比型,而是直线型,甚至是快开型(指相对开度从0到很小的一段范围内,相对流量就从0达到80%以上),何况在实际工作中呢?这是调节阀阀芯型线设计的"先天性"缺陷,更加导致了调节阀在实际工作中调节性能变差。

    4 供热系统中调节阀的选用

    4.1 选用原则 

    供热系统最终目的是热力工况的平衡,要求在流量改变的同时,散热器(或换热器)散热量适应负荷的变化。就是说,调节阀的开度变化与散热器散热量的变化成线性关系,这才是供热系统调节的最佳原则。亦即文献[1]所述在调节过程中,调节阀的放大系数和调节对象的放大系数乘积维持不变。

    从文献[4]可得出散热器的流量与散热量之间的关系,如图3所示。Q为相对散热量,指散热器某一流量下的散热量与额定流量(设计流量)下的散热量的比值,G为散热器相对流量,曲线1、2、3、4分别表示供回水温差为10、20、30、40℃时散热器流量与散热量之间的关系。从图中可以看出:流量小时流量变化对散热器的散热量影响大;流量大时影响小,即散热器的散热量随流量变化的放大系数逐渐减小。

 


图3

    分析图2、图3中得:

    为了得到散热器的相对散热量Q/Qmax和调节阀的相对开度L/Lmax的线性关系,必须选择等百分比性能的调节阀。这一点对于散热器和换热器,只要其介质为热水,都是如此,而直线型的调节阀将达不到线性关系的要求。

    对于不同的供回水温差,散热器放大系数(曲线的斜率)的变化率不一样;调节阀在不同的安装地点,阀权度PV值不同,放大系数的变化率不一样。为保证两个放大系数的乘积为一常数,在选用调节阀时使其阀门全开时的阻力应不一样。由此可得出:在目前供热系统中大流量、小温差运行方式下,调节系统调节质量变差。

    通过以上分析,笔者认为热水供暖系统应选用等百分比型调节阀,此外还应考虑阀门阻力,这一点对于调节阀用在不同场合非常重要。一般而言,系统的阻力数在热源的分、集水器(注:对于热源的分、集水器处的调节阀,其调节对象为整个供热系统,其散热量与流量的关系也类似图3的形状[5])、热力站处为最大,干线分支处和用户的热力入口次之。对于柱塞式、开口式和套筒式阀芯的调节阀,它们全都采用截止阀的阀体,阀芯呈流开状态。在相同的测试条件下,一般来说,套筒式调节阀阻力最大,开口式其次,柱塞式最小。因此,可认为在选择等百分比调节阀时,当调节对象的阻力较大时,宜选用套筒式或开口式调节阀;阻力较小时,这三种调节阀都可以用。

    当调节阀的调节对象为一供热系统时,如热源的分、集水器处,干线分支处和用户的热力入口处等,调节阀起分配流量的作用,即开度与流量的关系,没有涉及到阀开度与设备散热量的最终关系。由图2b可以得出当阀权度PV=0.1时,调节阀的工作特性相对开度与相对流量基本成线性关系,也能起到很好的分配流量的作用。在这种情况下如果还要求如前所述的阀权度PV≥0.3,那么所选择的调节阀的阻力过大 ,造成系统阻力过大,水泵耗电太大。如果调节阀的调节对象为换热器或散热器等,为了满足阀门调节与设备换热或散热关系,最终所要求的是散热器相对散热量或换热器的相对换热量与调节阀的相对开度成线性关系,这时就有必要要求所选阀门在工作中的阀权度PV≥0.3。

    此外,用户热力入口的调节阀是安装在供水管还是回水管上,应根据水压图来确定。如果在高层建筑中安装在供水管上,有可能造成阀后压力过小(阀门阻力大),部分管道处于负压区,产生倒空现象,此时应考虑把调节阀安装在回水管上;反之,对低层建筑就应安装在供水管上,还可以用阀门减压。

    如果热媒为蒸汽,一定压力下,汽化潜热为定值,散热量或换热量与蒸汽量成正比,为保证相对散热量或相对换热量与调节阀的相对开度成线性关系,仅需要求调节阀的工作特性成线性关系即可。因此当系统或设备阻力较小时,选用直线型调节阀;反之,选用等百分比型调节阀,但是,此时的阀权度PV应为0.1左右。还应注意:如果热媒为蒸汽,为防止汽压下降过大,所选择的调节阀的阻力应较小。 

    4.2 调节阀的口径选择计算 

    目前在供暖系统设计中有一部分人往往不进行调节阀口径的选择计算,一般认为多大的管径选择多大口径的阀门,这种观念是错误的。对于调节阀一定要按照其流通能力来选择口径。从前文已看出,调节阀的压降对于阀芯型线设计非常重要,对于口径的选择亦是如此。选择计算步骤如下:

    确定调节阀的压差Δp

        (12)

    式中η--系数,当调节阀用于热源的分、集水器处,干线分支处和用户热力入口等时,η=0.15~0.5;当用于调节散热器或换热器等时,η=0.5~0.7;

    pg--系统或设备供水压力,Pa;

    ph--系统或设备回水压力,Pa。

    计算调节阀的最大流通能力Gmax

    流通能力C是指在调节阀全开、阀两端压力为105Pa、流体密度ρ为1g/cm3时,每h流经调节阀的流量Gmax,以m3/h计为:

        (13)

    在调节阀产品规格中,根据Cmax值选取大于Cmax且最近一档的C值,选出调节阀的规格或口径。

    按照如上的步骤即可正确选择调节阀的口径。文献[4]也指出:按口径比管道直径小的方法选择用户热力入口调节阀,从流通能力方面考虑是可行的。具体的口径比管道直径应该缩小几号,需根据供热系统的设计条件或设计水压图而定。如果选择口径与管道直径一样的调节阀,按照上面的分析,就有可能造成流通能力过剩,调节范围减小,即实际可调比R减小,调节特性不好,有时会造成系统或设备无法进行正常的调节。

    5 结论

    无论是调节阀阀芯型线的设计,还是阀芯形状和阀门口径的选择,其目的都是为了使供热系统具有良好的可调性。但是,不同工况下散热器的散热特性是不同的(主要是指供回水温差的不同),其放大系数也不同;调节阀安装在不同的地点,其阀权度PV值不同,因而其放大系数也不同。因此要想使得两个放大系数的乘积保持不变,对于工业产品要求系列化来说是非常困难的,也只有希望散热器的散热量随调节阀的开度变化能基本保持线性关系即可。

    综合以上分析,可得出以下结论:

    调节阀的流通截面积计算公式应按照(7)、(8)两式进行计算,不应简单认为相对流通截面积等于相对流量;

    根据调节对象的不同选择不同阀芯形状的等百分比型调节阀,同时,如果调节阀的调节对象为一系统时,PV≥0.1,如果为一设备时,PV≥0.3;

    对调节阀的规格或口径应根据阀门的流通能力来选择计算,调节阀的安装地点不同,其计算公式中的系数有差别;

    用户入口的调节阀是否安装在供回水管上,应根据水压图而定。