淺析多功能壓差控制閥在供暖管網(wǎng)中的應(yīng)用

供熱管網(wǎng)的作用就是以較低的能耗將熱源提供的熱量按要求輸配給熱用戶。管網(wǎng)的布置是否合理直接影響到系統(tǒng)的水力工況，近而影響末端的采暖效果。因此管網(wǎng)的水力平衡是獲得良好供熱效果的保障。對于既定的設(shè)計管網(wǎng)布局，其實際運行工況往往與設(shè)計工況相去甚遠，產(chǎn)生水力失調(diào)的現(xiàn)象，而作為熱量的載體，熱媒的水力失調(diào)勢必導(dǎo)致熱力失調(diào)。所以，對實際運行工況的調(diào)節(jié)是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。其中，實現(xiàn)管網(wǎng)水力平衡的一個重要手段就是安裝閥門，通過調(diào)節(jié)閥門改變管網(wǎng)阻力分布，從而達到流量的合理分配。

1.1手動平衡閥

手動平衡閥是供熱管網(wǎng)中一種普遍應(yīng)用的閥門，一般安裝在支路（熱用戶）的入口處，通過調(diào)節(jié)其開度實現(xiàn)支路流量的調(diào)節(jié)。其優(yōu)點在于一旦開度設(shè)定，各支路的阻抗比就隨之固定，所以支路間的流量比例恒定。當熱源處根據(jù)末端負荷變化進行量調(diào)節(jié)時，新工況的流量仍以之前各支路的流量比例進行分配，各支路流量呈現(xiàn)一致等比變化的特點，不會出現(xiàn)水力失調(diào)的情況。但其缺點也十分的明顯，首先，在進行管網(wǎng)水力初調(diào)節(jié)時，調(diào)節(jié)步驟繁瑣，操作過程不易控制，通常采用的方法（如比例調(diào)節(jié)法、補償法等）都需要至少兩組人員反復(fù)溝通，同時進行多個支路的調(diào)節(jié)。另外，當管網(wǎng)接入新的熱用戶時，整個管網(wǎng)的阻抗會發(fā)生新的變化，造成流量重新分配，這要求對之前所有的手動平衡閥進行重新設(shè)置，可想而知工作量非常大，耗時耗力。對于管網(wǎng)系統(tǒng)較小，支路較少且無新增支路的情況下，手動平衡閥是適用的，而且在進行量調(diào)節(jié)時，能夠保持水力的穩(wěn)定性。

1.2自力式流量控制閥

自力式流量控制閥克服了手動平衡閥反復(fù)調(diào)節(jié)的難題。它根據(jù)各支路（各用戶）的設(shè)計流量鎖定流量值，當干管中流量發(fā)生波動時，自力式流量調(diào)節(jié)閥通過自身調(diào)節(jié)使其通過流量維持恒定，即便引入新的熱用戶也不會對之前的用戶產(chǎn)生影響，只需適當加大總流量即可。而且，進行管網(wǎng)調(diào)節(jié)步驟簡單，只需根據(jù)各支路設(shè)計流量逐個設(shè)定，相互之間不會產(chǎn)生影響，當然不必反復(fù)調(diào)節(jié)。但它不支持量調(diào)節(jié)，當末端負荷減小，各用戶所需流量也相應(yīng)減小時，如果熱源處也相應(yīng)降低流量，就會行成“近端優(yōu)勢”現(xiàn)象，即靠近動力設(shè)備的部分自力式流量控制閥會不斷增加開度以維持原流量，而遠端的自力式流量控制閥即使處于全開狀態(tài)也無法滿足流量需求，發(fā)生水力失調(diào)。由此看來，自力式流量控制閥能夠恒定各支路（各用戶）的設(shè)計流量，避免相互間的干擾，實現(xiàn)水力平衡，但前提是系統(tǒng)中有足夠的總流量，因此，它在管網(wǎng)的輸送能耗方面的節(jié)能并不明顯。根據(jù)其工作特點，熱源處可以施行質(zhì)調(diào)節(jié)的方式，從而在根本上減少熱量的消耗。

1.3自力式壓差控制閥

隨著按建筑面積收費方式弊端的顯露，熱計量理念深入人心。用戶可根據(jù)自身需求自主調(diào)節(jié)流量，但同時管網(wǎng)的水力工況波動較大，會給管網(wǎng)的平穩(wěn)運行造成很大影響。通過在用戶端安裝自力式壓差控制閥可以在很大程度上維持管網(wǎng)水力工況穩(wěn)定。當用戶自主調(diào)節(jié)流量時，其散熱設(shè)備的局部阻力會產(chǎn)生相應(yīng)的變化，散熱設(shè)備進出口之間的壓差也會發(fā)生改變，自力式壓差控制閥可以改變閥門前后的壓差來抵消用戶的壓差波動，維持用戶端的壓差恒定。安裝在管網(wǎng)支路入口處，可以實現(xiàn)各支路間的自主調(diào)節(jié)而且避免相互干擾[1]。但這種閥門也不支持熱源處的量調(diào)節(jié)。

雖然按熱量計費的方式正在推行，但現(xiàn)實情況是有大量的供熱系統(tǒng)，按計量收費設(shè)計、施工，熱用戶未安裝熱量表，或安裝了熱量表未按熱計量收熱費，用戶沒有自主調(diào)節(jié)流量的需求，計量收費的系統(tǒng)方式中的變頻泵無法實現(xiàn)節(jié)能運行，因此我們有必要設(shè)計一種新型平衡閥：在完全計量收費時，該閥能完全支持用戶自主調(diào)節(jié)需求；而對當前大量未完全采取計量收費的供熱系統(tǒng)，該閥能像手動平衡閥一樣，支持熱源主導(dǎo)變流量，各分支（各用戶）的流量變化一致等比。這就是本文涉及的多功能壓差控制閥。

2.1基本結(jié)構(gòu)

多功能壓差控制閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由閥體、彈簧、閥桿、感壓膜、調(diào)壓裝置、限位裝置等組成。通過調(diào)壓閥和閥塞定位桿來設(shè)置被控管路的壓差。

圖1多功能壓差控制閥結(jié)構(gòu)圖

2.2工作原理 

圖2為多功能壓差控制閥回水安裝示意圖，其中A、B、C三個熱用戶為壓差控制對象，供水壓力為P1，閥前壓力為P2，回水壓力為P3，供回水壓差為△P1-3，控制壓差為△P1-2，閥門工作壓差為△P2-3。閥門通過導(dǎo)壓管與供水管連接。

圖2 多功能壓差控制閥回水安裝示意圖

由于熱水管網(wǎng)中，水的流動狀態(tài)處于阻力平方區(qū)，流體的壓力降與流量存在如下關(guān)系：

式中△P——網(wǎng)路計算管段的壓力降,  Pa；

S——網(wǎng)路計算管段的阻力數(shù),  Pa/(m3/h)2；

Q——網(wǎng)路計算管段的水流量，m3/h。

對于圖2管路而言，控制壓差△P1-2的變化直接影響A、B、C三用戶的流量大小。

當供水壓力P1增大時，供回水壓差△P1-3增大，感壓膜帶動閥桿下移，閥門開度減小，

△P2-3增大，從而維持控制壓差△P1-2不變；同樣，當其中某用戶（如A）流量調(diào)小或關(guān)斷時，被控制管段的總阻力變大，此時P2 減小, △P1-2瞬間增大，感壓膜帶動閥桿下移，閥門開度減小，△P2-3增大，△P1-2恢復(fù)原來大小。通過閥門的動態(tài)調(diào)節(jié)，維持△P1-2恒定，從而使得流量恒定。

當供水壓力P1減小時，供回水壓差△P1-3減小，但由于閥塞限位桿的限制，感壓膜無法帶動閥桿上移，閥門開度不能增加，此時控制壓差△P1-2減小，可以實現(xiàn)對被控管路流量的調(diào)節(jié)。

2.3調(diào)節(jié)過程

多功能壓差控制閥的調(diào)節(jié)過程比較簡單，首先，把閥門調(diào)節(jié)到最大開度值，然后，根據(jù)被控管路的設(shè)計流量調(diào)節(jié)至合適的控制壓差，最后，調(diào)節(jié)閥塞定位桿，將滿足設(shè)計流量時的開度設(shè)定為最大工作開度。

3.多功能壓差控制閥性能測試

本實驗以ZYD47自力式多功能壓差控制閥DN50mm型號進行性能測試，采用回水安裝方式，運用改變供水壓力的方式模擬熱源變流量調(diào)節(jié)工況，通過實測數(shù)據(jù)分析對其各項功能進行測試。

3.1實驗步驟

（1）按圖2方式安裝被測閥門；

（2）三用戶的設(shè)計流量均為2m3/h,則總流量Q為6 m3/h；

（3）供水壓力P1為280kpa時,調(diào)節(jié)壓差控制器至流量Q為6 m3/h，此時控制壓差△P1-2為20 kpa；

（4）調(diào)節(jié)閥塞定位桿，當流量顯示減小時，停止調(diào)節(jié)，此時閥塞定位桿即為設(shè)定位置。

（5）減小用戶A流量直至為零，被控壓差△P1-2為21.3 kpa，B、C用戶流量分別為2.1m3/h、2.05 m3/h。

（6）將用戶A流量恢復(fù)到2m3/h，此時系統(tǒng)恢復(fù)到步驟（4）的狀態(tài)；

（7）逐步增大供水壓力（本實驗增至320 kpa），被控壓差及各用戶流量均保持恒定。

（8）逐步減少供水壓力，分別記錄供水壓力P1，閥前壓力P2和總流量Q，見表一。

表一

3.2數(shù)據(jù)處理及分析

由表一數(shù)據(jù)計算各工況下控制壓差△P1-2。由公式（1—1）計算以上七種工況下，閥門的阻力數(shù)S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7分別為0.556、0.535、0.510、0.490、0.517、0.500、0.638，列入表二。

表二

3.2.1根據(jù)步驟5可知：多功能壓差控制閥支持用戶端自主調(diào)節(jié)，在誤差允許范圍內(nèi)，維持被控壓差恒定，避免對其他用戶的干擾。

3.2.2根據(jù)步驟7可知：當管網(wǎng)供水壓力增大時，被控管路的壓差和流量均無變化，保持水力平衡。

3.2.3根據(jù)步驟8中的數(shù)據(jù)顯示，當用戶端所需負荷較小時，熱源端可以通過較少水泵運行臺數(shù)，或者變頻來實現(xiàn)量調(diào)節(jié)，此時，由于閥桿限位裝置的作用，自力式多功能壓差控制閥相當于一個手動平衡閥，其流量成拋物線型較小，所以自力式多功能壓差控制閥完全支持熱源端的變流量調(diào)節(jié)。

4.1 多功能壓差控制閥具備自力式壓差控制閥的功能，在運行過程中，由于某些原因造成供回水壓力出現(xiàn)波動時，多功能壓差控制閥可以通過自身開度的變化消除壓力波動，保持被控管路的壓差不變，從而保證被控管路流量的穩(wěn)定，克服了管網(wǎng)壓力波動對被控管路的影響；在被控管路中，用戶可以在設(shè)計流量范圍內(nèi)進行自主調(diào)節(jié)，但又不影響其它用戶。因此多功能壓差控制閥可削弱被控環(huán)路內(nèi)部各支路間的調(diào)節(jié)干擾，保持被控環(huán)路的壓差恒定，從而滿足被控環(huán)路不同用戶的需求。

4.2當熱源端根據(jù)熱負荷降低相應(yīng)減小流量時，多功能壓差控制閥相當于流量系數(shù)恒定的手動平衡閥，使得各管路流量呈現(xiàn)一致等比變化，從而支持量調(diào)節(jié)，較少輸送能耗，達到節(jié)能的目的。

[1] 符永正，崔笑千,劉萬嶺.自力式自壓差控制閥在暖通工程中的應(yīng)用[J].

閥門.2003(06).

[2] 李德英，許文發(fā).供熱工程[M].中國建筑工業(yè)出版社.