电动调节阀在变流量供热系统中的应用

郑州市热力总公司 王二西 徐文红

【摘 要】实施供热计量的变流量系统中，电动调节阀被广泛应用在热力站进行供热量调节。但电动调节阀在实际使用中常出现运行效果不理想，甚至无法正常调节、调节阀损坏过快的情况。一个重要的原因就是电动调节阀的设计选型不当。本文介绍了电动调节阀常用的设计选型原则和计算步骤，并结合工程实例进行说明。针对资用压头过大的常见情况，介绍了串联手动调节阀和压差控制阀两种方式来改善其调节性能。
   【关键词】电动调节阀 变流量 供热系统

1.引言
    实施供热计量的变流量系统，处于动态的变流量运行状态。为解决变流量供热系统中水力失调、冷热不均等问题，提高管理运行水平，改善供热效果，计算机监控系统应用得越来越多，电动调节阀作为重要的调节手段，在热力站得到广泛的应用。热力站一次侧的电动调节阀由现场或远程监控系统控制，调节换热器一次侧的流量，进而改变提供给热用户的供热量。但在实际运行中，电动调节阀常出现运行效果不理想，甚至无法进行正常调节、调节阀损坏过快。其原因是多方面的，其中一个重要的原因就是电动调节阀的设计选型不当。由于热力站距离热源的远近不同，系统提供的资用压头不同、压力变化范围大，影响电动调节阀正常运行，所以工程应用中常采用串联手动调节阀或压差控制阀的方式来保证电动调节阀的工作压降，保证其调节性能。电动调节阀的设计选型很重要，直接影响系统调节效果的好坏。本文主要对变流量供热系统中热力站一次侧电动调节阀的设计选型进行探讨。
    2.电动调节阀的技术参数
电动调节阀由阀体和执行机构两部分组成。执行机构根据控制器的信号改变阀门的开度对流量进行调节，实现换热器换热量的调节控制。电动调节阀设计选型时涉及的技术参数主要有阀门口径、流通能力（Kv值）、流量特性曲线、阀权度、关闭压差等。
    2.1 电动调节阀的流通能力
电动调节阀的流通能力反映的是阀门的通过能力，其定义是阀两端的压差为1bar时通过阀门的流量，常用Kv来表示，Kv=Q/■，式中Q——流经调节阀的流量，m3/h；ΔP——调节阀前后的压差，bar。当阀门全开时获得最大的流通能力，此时的Kv值最大，称为Kvs；当阀门关闭时流通能力为0，其它开度位置的流通能力用Kv值表示，与阀门的开度相对应。
    2.2 流量特性曲线
    电动调节阀的流量特性曲线表示当额定行程从0变化到100%时，流经阀门的流量与百分比额定行程之间的关系，反映调节阀的相对流量与相对开度之间的关系。当经过阀门的压降恒定时所得到的流量特性，称为理想流量特性。当经过阀门的压降变化时所得到的流量特性，称为工作流量特性。常见阀门的理想流量特性有线性特性、等百分比特性、快开特性。
热力站水—水换热器的换热特性是一条上抛型曲线，为了达到调节阀的阀门开度与换热器的换热量形成线性关系的目的，需要采用理想流量特性为等百分比特性的调节阀进行调节，才能获得理想的控制效果。
阀门的理想流量特性是在阀门两端压差保持不变的情况下得出的。在实际工程中，几乎所有的调节阀都不可能在恒定的压降下运行（安装有压差控制器时除外），阀门从关闭到全开的过程中，两端的压差是在变化的，致使调节阀的流量特性发生变化，等百分比特性趋向于线性特性。不同的阀权度下，电动调节阀的工作流量特性不同，随着阀权度的减小，偏离的越严重。
    2.3 阀权度
    电动调节阀的阀权度指调节阀全开时两端的压降与调节阀全关时调节系统两端的压降之比。理论上，这个值越大越好，表明阀门能够对流量进行有效调节从而对换热器换热量进行有效控制。阀权度是衡量调节阀调节性能的重要指标。电动调节阀的阀权度大小，影响其工作流量特性，关系到系统的调节质量。阀权度越小，系统的调节质量越差。工程设计选型时，一般要求阀权度在0.25～0.3以上，以防因调节阀的调节特性变坏。
    2.4 可调比和关闭压差
    电动调节阀的可调比，即调节所能控制的最大流量与最小流量之比。供热系统在运行时流量变化应在调节阀的可控范围内。关闭压差或最大工作压差，为调节阀全关时阀门两端的最大压差，如果调节阀的关闭压差超过允许范围，应采取措施（如串联压差控制阀）来保证电动调节阀的关闭压差。
    3.供热系统中电动调节阀的设计选型
    3.1 设计选型参数
    电动调节阀设计选型时需要的参数主要有流量、阀前压力、压差或阀后压力、温度等。热力站供热范围内的供热面积、建筑的保温性能、散热器种类、房间的供暖温度等因素决定了热力站的供热负荷，再根据一次网的供回水温度就可以确定热力站的一次侧流量，进而确定调节阀的流量；调节阀的阀前压力、压差或阀后压力由供热系统一次网的水压图和热力站的阻力损失求得，根据供热系统的实际情况确定。
    3.2 设计选型原则
供热系统最终目的是热力工况的平衡，换热器的换热量适应供热负荷的变化。调节阀的开度变化与换热器换热量的变化成线性关系，是供热系统调节的最佳原则。热力站水-水换热器的换热特性是一条上抛型曲线，所以选择等百分比流量特性的调节阀。为了在实际工作中保证调节阀的调节性能，要求调节阀的阀权度不应小于0.25～0.3。电动调节阀的阀体口径按照流通能力Kvs选择，执行机构的选型需要满足最大关闭压差的要求。
    3.3 设计选型计算
    根据热力站供热负荷和一次侧的供回水温度计算电动调节阀的流量；
    根据一次网的水压图、热力站的阻力和阀权度确定电动调节阀的压降；
    计算所需Kv值；
    查选型样本，选取大于Kv值且最近一档的Kvs值，选择调节阀的口径；
    计算实际全开时的压降，再计算实际阀权度，不宜小于0.25～0.3，如果不满足要求，一般可缩小一号口径进行重新核算；
    查看选型样本中的允许压差、允许温度并选择阀型；
    根据选型样本选择与阀体匹配的执行机构，并满足关闭压差要求，确定控制信号类型。
    3.4 工程实例
    例1，某热力站一次侧供回水压差为120kPa，流量为18.6m3/h，二次侧流量为120m3/h。采用板式换热器，设计压降为50kPa，过滤器压降为20kPa。
电动调节阀的设计选型过程如下：流量为18.6m3/h；取调节阀的选型压降为50kPa；调节阀全关时的压降为120kPa；计算所需Kv值为26.3；取10%的安全系数，Kv'=28.9；查选型样本（以Samson3214型为例，下同），选取Kvs为32，调节阀口径为DN50；调节阀全开时压降为33.8kPa，实际阀权度为0.28。查选型样本允许压差超过10bar，选5824型执行机构。
    4.热力站资用压头过大时电动调节阀的设计选型
由于一次网存在沿程阻力和局部阻力，水压图为近似喇叭口状的曲线，在热源近端的供热管网提供的资用压头大，在热源远端的供热管网提供的资用压头小。以至于近端热力站的调节阀阀权度往往过小（小于0.25～0.3），常导致调节阀即使工作在很小的开度下仍然出现超流量的情况，使得调节阀的调节性能很差。
    例2，某热力站一次侧供回水压差为380kPa，流量69m3/h，二次侧供回水流量为179m3/h，采用两台板式换热器，设计压降为50kPa，过滤器压降为20kPa。电动调节阀的选型计算如下：流量为34.5m3/h；初选调节阀的选型压降为50kPa；调节阀全关时的压降为380kPa；计算Kv值为48.8；取10%的安全系数，Kv'=53.7；查选型样本选Kvs为80，口径为DN80；阀门全开的实际压降为18.6kPa，实际阀权度为0.05。若要使阀权度为0.3，则需要阀门全开时压降为114kPa，Kvs值为32.3，查选型样本阀门口径不大于DN50，设计流量时阀门出口的流速大于4.9m/s。
    例2中电动调节阀的阀端最大压差大，阀权度过小的情况，在实际工程中经常发生。虽然装有电动调节阀，换热器一次侧的流量仍然过高，二次侧无法达到期望的温度。电动调节阀的高流速可能引起气蚀或闪蒸而损坏到阀体本身。为改善近端热用户调节阀的调节性能，常采取措施使调节阀尽量工作在相对开度合适的范围内，以提高调节功能，常用的措施有串联手动调节阀或压差控制阀。
    4.1 串联手动调节阀
    手动调节阀为阻力元件，串联手动调节阀的作用是克服供热系统提供的多余资用压头，使电动调节阀在合适的压差下工作，保证调节阀的阀端压降与工作压差之比大于0.25～0.3，以改善调节性能。
    现重新对例2中的电动调节阀进行选型。如果通过手动调节阀克服260kPa的多余资用压头，调节阀的阀端压差为50kPa，流量为34.5m3/h，计算Kv值为48.8，取10%的安全系数，Kv'=53.4，查选型样本选取Kvs为80，选择调节阀的口径为DN80。此时调节阀的设计阀端压降与工作压差之比为50/（50+50）=0.5，设计工况下电动调节阀的调节性能明显得到改善。由文献［1］可知，串联手动调节阀，从严格意义上讲，没有改变调节阀的阀权度，改变的只是电动调节阀在调节过程的相对开度，使其在合适的开度范围内工作。当热力站一次侧流量变小时，电动调节阀的调节性能有变差的趋势，这时需要调节手动调节阀，以降低电动调节阀工作时阀端压降，使其阀门开度在允许的范围内。
    4.2 串联压差控制阀
    当热力站的资用压头过大还可以串联差压控制阀，为电动调节阀提供恒定压差。压差控制阀可以吸收额外的资用压头，保持电动调节阀在稳定工况下运行，使其不受供热系统提供的资用压头变化和其它热力站调节的影响，在所有负荷下都平稳工作。调节阀两端压差保持不变时，其始终处在阀权度接近1的最佳工作状态，并对电动调节阀的关闭压差要求降低。由于串联压差控制阀的诸多优点，推荐在热力站一次侧安装电动调节阀的同时串联压差控制阀。
    压差控制阀的两个取压点布置在电动调节阀两侧时，对例2中电动调节阀进行选型。电动调节阀在全开时压降一般取与换热器的压降相同进行计算，压差控制阀的设定值取50kPa；流量为34.5m3/h；计算Kv值为48.8；取10%的安全系数，Kv'=53.4；查选型样本选取Kvs为80，选择调节阀的口径为DN80。此时调节阀的阀权度为1，即电动调节阀的控制为全阀权控制。在运行时无论供热负荷和热力站的资用压头如何变化，压差调节阀的阀芯会自动调节，使电动调节阀的阀端压降始终保持为50kPa，保证调节阀的调节功能。
    5.结束语
    实施供热计量后，供热系统为变流量系统，电动调节阀被广泛应用在热力站的一次侧调节供热量。电动调节阀的实际使用情况，反映调节阀的设计选型很重要。针对供热系统中热力站的资用压头过大，导致调节阀即使在很小的开度下仍然出现超流量、调节阀损坏过快的现象，采用串联手动调节阀和压差控制阀两种方式，来改善电动调节阀的使用环境，提高供热系统的可调性。由于采用串联压差控制阀的诸多优点，推荐采用这种方式。