对平衡阀功能与技术特点及其应用等问题的探讨    

 
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对平衡阀功能与技术特点及其应用等问题的探讨

标签:自力式流量控制阀|自力式压差控制阀|数字锁定平衡阀|动态平衡电动调节阀
 

摘  要:本文对平衡阀的功能、技术特点及其分类进行了较为深入的探讨,为合理选择与应用平衡阀提供了参考依据;同时,通过对系统静态水力失调、动态水力失调的特性分析,提供了相关失调的解决方法,为提高采暖与空调系统的水力稳定性和节能性能,创造更加舒适的人工环境提供了一个全新的解决方案。
关键词:平衡阀静态水力失调 静态水力平衡 动态水力失调 动态水力平衡 

0引言
目前,集中供热和供冷的管网系统中水力失调(不平衡)的现象现在依然很严重,而水力失调是造成供热能耗浪费的主要原因之一,同时,水力平衡又是保证其他节能措施能够可靠实施的前提。因此,对系统节能而言,首先应该做到水力平衡,而且必须强制要求系统达到水力平衡。实践证明,平衡阀是实现系统水力平衡最基本的平衡元件,通过对平衡阀的正确设定与合理应用,不仅可以提高整个水系统的水力稳定性,包括控制末端的平衡、立管的平衡以及主回路的平衡,而且能使系统在最短时间、最少能耗下达到客户所要求的温度和舒适的人工环境,并且能大大降低系统的能耗;而合理应用平衡阀的前提,是要充分认识和了解平衡的阀功能、平衡阀的技术特点、系统的水力失调特性以及设计系统各环节需要平衡阀协助解决的问题,本文将就此进行较为深入的探讨,以供大家在工程设计选用时参考。
1. 平衡阀的功能
作为暖通空调工程技术人员,为达到设计和安装平衡稳定的集中式供热和供冷系统去创造舒适的人工环境,充分了解平衡阀的功能并在系统中正确应用是非常必要的。平衡阀应用于采暖与空调的水系统,能解决的主要问题有以下几个方面如:
1)解决采暖空调系统的循环水流量分配不均(等同于集中供暖中有的楼层或房间永远过热或过冷,有的房间永远不热或不冷现象)。
2)解决系统运行中因为使用时间的差异,致使部分用户采暖空调系统的循环水流量忽高忽低,导致房间温度忽高忽低,舒适度差(等同于集中供暖中,白天使用用户少,长期供暖房间温度偏高,晚上用户增多,房间供暖温度偏低),永远不能达到稳定舒适的环境;尤其是处于低等和中等负荷时,尽管终端设备具有精密的控制器。
3)解决系统运行中因使用用户数量波动的影响,制冷或制热主机反复开停机频率增大,系统耗能增大,且影响主机使用寿命。
4)解决某些房间永远也达不到所需设计温度的问题,尤其在负荷变化时。
5)虽然生产设备的额定功率是足够的,但所设计的功率不能传送,在周末或夜晚回设后的启动中尤其如此。
上述问题仅是不平衡的集中供热和供冷系统运行中我们能直接感受到的表面现象,而深层次隐含的系统耗能量上的增加和运行费用上的大幅提升是我们必须认真面对的问题;同时,系统的舒适度也会大大降低。
在中欧,超过摄氏20℃以上每增加1℃加热温度的成本会至少提高8%(在南欧会提高12%)。在欧洲,低于23℃以下每降低1℃制冷成本会增加15%。设计一个 HVAC 系统来供特定的最大负荷使用,如果循环系统或主机设备系统因为在设计条件下不能达到平衡,而不能将其全部容量传送给所有的回路时,就不能实现整个设备的投资价值。
对于一个集中式供热或供冷系统,在夜间回设之后的每个早晨,需要用全部的设备容量将系统尽可能恢复到舒适状态,一台经过良好平衡的设备会很快做到这一点。如果设备启动时间快于30分钟,那么每天可节约6%的能源消耗。
此外,如果对平衡阀的设计选型和应用不当,而使得它们不能提供高效平衡功能,或者说不能提供平衡调节的控制手段,反而会增加系统整体的水力失调度。因此,合理的流体循环系统的平衡不仅是提高系统舒适度的有效手段,更是系统节能降耗的有效措施。
2. 各类平衡阀的技术特点及水力失调分析
2.1静态水力平衡阀与静态水力失调  
(1)静态水力平衡阀 
静态水力平衡阀也称手动水力平衡阀,其作用相当于电网上的可调电阻,通过系统调试时的阻力值设定,用于平衡环路上的阻力均衡。即当许多环路并联,为解决远端环路的电流(水量)达到额定电流(流量),靠近电源(冷/热源)侧的环路必须增大电阻(即增大阻力设置静态水力平衡阀)阻碍电流(水量)增加。引起环路阻力不平衡的原因有两个方面,一方面是系统设计中对部分环路及设备不足以提供平衡分支管路的阻力值;另一方面是施工过程中因现场施工条件限制无法按照设计图纸进行施工,增加或减少了部分额外阻力,结果破坏原有的设计平衡。要解决由于这两个原因引起的不平衡问题,必须在系统适当的位置设置静态水力平衡阀进行阻力分配和流量分配。
(2)静态水力失调  
由于设计、施工、设备材料等原因导致的系统管道特性阻力数比值与设计要求管道特性阻力数比值不一致,从而使系统各用户的实际流量与设计要求流量不一致,引起的水力失调,叫做静态水力失调。
通过在管道系统中增设静态水力平衡阀,在水系统初调试时对系统管道特性阻力数比值进行调节,使其与设计要求管道特性阻力数比值一致,此时当系统总流量达到设计总流量时,各末端设备的流量能同时达到设计流量,也就解决了静态水力失调问题,实现了静态水力平衡。
2.2动态平衡阀与动态水力失调
(1)动态平衡阀
在采暖与空调水系统中,常用的动态平衡阀有以下几种:
1) 动态流量平衡阀  
动态流量平衡阀也叫做自力式流量控制阀,在工作压力范围之内,它能限制控制分支环路的最大流量值。因为没有动力,流量超了它能够自动关小,其作用类似于电网上的限流器、保险丝的功能。它是跟据系统工况(压差)变动而自动变化阻力系数,在一定的压差范围内,可以有效地控制通过的流量保持一个常值,即当阀门前后的压差增大时,通过阀门过流面积自动关小的动作能够保持流量不增大;反之,当压差减小时,阀门过流面积自动开大,流量仍照保持恒定。但是,当压差小于或大于阀门的正常工作范围时,它不能提供额外的压头,此时,阀门打到全开或全关的位置,流量不能控制,仍然比设定流量低或高。目前,市场上动态流量平衡阀有固定流量型和流量现场手动设定型两类,前者在出厂前已根据工程设计要求将工作流量一次设定完成,现场不能改变;后者在标定的流量范围内,可根据工程设计要求进行现场调整。
动态流量平衡阀一般是设置在水泵的出口,可稳定泵的运行工况点,提高泵的输送效率,避免系统流量调整时因水泵流量瞬间增加功率变动幅度过大而烧毁泵的电机;当采用并联泵系统且主机型号不一致时,应将动态流量平衡阀设置在主机冷冻水和冷却水的进口,可保证主机具备额定、稳定的冷冻水和冷却水供应,稳定主机运行制冷效率,降低主机运行故障率。
动态流量平衡阀由于自身技术特点决定,主要是用在定流量系统中,如定流量采暖系统的外网。在定流量采暖系统的外网中采用此类阀门,可将环状管网直接设计为支状管网,简化外网的水力计算,降低外网的施工工程量,增大采暖系统的输送半径,既能达到设计标准,又能方便了施工;此外,在水环热泵空调系统的冷却水流量分配中,由于末端水环热泵机组通常额定冷却水流量是定值,因此,末端设备采用动态流量平衡阀可以稳定冷却水流量供应,此类应用类似于主机前安装动态流量平衡阀
2) 压差调节器 
压差调节器也称动态压差控制阀,其作用类似于电网上的一个220V稳压器,只要220V不变,无论外界环路电压如何变化,里面的电器启停运转都正常。它的工作原理是在一定的工作压差范围内,当阀门两端压差超过预设定值时,阀塞自动打开并在感压元件压差作用下自动调节阀芯开度,利用阀芯的压降变化来弥补管路阻力的变化,从而在工况变化时能有效地控制被控系统两点之间的环路压差恒定,即当系统的压差增大时,通过阀门的自动关小动作来保证被控系统压差恒定;反之,当压差减小时,阀门自动开大,压差仍保持恒定。
3) 动态平衡电动调节阀 
动态平衡电动调节阀相当于压差调节器与电动调节阀的组合一体阀,主要设置在组合式空调器、新风机组的供回水管路上,用于恒定机组管路的压差,保证电动调节阀门的自动调节只受房间温度设定控制,不受外网压力波动的影响,从而提高系统舒适度及阀门的使用寿命。
动态平衡电动调节阀是一种新颖高效、调节性能极佳的电动调节阀,其工作原理如右图所示,当系统其它管路的特性发生变化时,由于动态平衡电动调节阀内置压差调节器的作用,使A、B二点的压差保持不变。如果电动调节阀VM开度不变,则通过空气处理机组的水流量保持不变。当空气处理机组回风温度T发生变化时,输入到调节计的测量回风温度与设定回风温度相比较,输出一个4-20mA的控制信号去控制电动调节阀的开度,以调节水流量,保证回风温度与设定温度一致。在电动调节阀动作时,由于压差调节器的作用,电动调节阀二端压差(A、B二点)保持不变,因此这种调节是灵敏高效的,且调节阀流量特性曲线与理想的流量特性曲线一致,没有变形。这种电动调节阀比普通的电动调节阀具有更好的调节特性。
(2)动态水力失调  
在采暖与空调水系统的实际运行过程中,当某些末端阀门开度改变引起水流量变化时,系统的压力会产生波动,其它末端的流量也随之发生改变而偏离其要求流量,由此原因引起的水力失调,叫做动态水力失调。
动态水力失调是动态的、变化的,它不是系统本身所固有的,是在系统运行过程中产生的。通过在管道系统中增设动态水力平衡阀,当其它用户阀门开度改变引起水流量变化时,通过动态水力平衡设备的屏蔽作用,自身的流量并不随之变化,末端设备流量不互相干扰,也就解决了动态水力失调问题,实现了动态水力平衡。
(3)动态水力平衡的实现
通过在相应部位安装动态水力平衡阀,使系统达到动态水力平衡包含以下两方面的内容:
1)当系统其它环路发生变化时,自身环路关键点压差并不随之发生变化,当自身的动态阀门(如温控阀、电动调节阀)开度不变时,流量保持不变。如图1所示,当C、D点压差变化时,通过动态水力平衡设备(压差调节器PV)的调节作用,使A、B二点压差并不发生变化,如果各支路电动二通阀VM1、VM2……开度保持不变,则流经风机盘管FP1、FP2的流量保持不变;
2)当外界环境负荷变化导致系统自身环路变化时,通过动态水力平衡设备的作用,使关键点压差并不发生变化,此时自身其它并联支路的流量也不发生变化。如右图,当风机盘管FP1所在房间负荷变化导致电动二通阀FM1由开启到关闭,由于压差调节器PV1的作用,A、B二点的压差并不随之发生变化,这样,风机盘管FP2的流量保持不变。
3. 平衡阀的合理应用
(1) 静态水力平衡阀 
一方面,用在机房集水器的回水立管,进行各分区管路的一次流量(阻力)分配,一次调节锁定,后期不用调整;另一方面,用在分层分支环路供/回水管,进行分层分支系统的阻力平衡和流量分配,一次调节锁定,后期不用调整。尤其对冬夏季使用一套管路的空调系统,通过静态水力平衡阀的合理调节使用,使管路系统阻力达到设计标准的均衡,后期稳定运行不需二次调试;
某些工程设计将可外设定的动态流量平衡阀替代静态水力平衡阀,认为通过冬、夏季分别的流量设定也可达到流量分配的作用,此类用法的前提是系统本身设计是经过充分水力计算后平衡的空调系统,安装施工完全按照设计施工并在全负荷运行时是一个水力平衡的系统,且是一个定流量系统,但此时用此类阀门就失去了平衡的意义。同样,如果是变流量系统,把动态水力平衡阀用于系统平衡,就相当于拿限流器当可调电阻使用,阻力不平衡的系统肯定存在运行安全隐患。
(2) 压差调节器   
压差调节器用在分层分支环路回水管上,用于恒定分支环路系统供回水管路之间的压差,屏蔽其他环路因运行流量变化引起压力变化产生的压力干扰,提高系统末端运行的温度稳定性和舒适性。受工作压力范围限制,此类阀门一般配合静态水力平衡阀使用,主要是用在酒店、宾馆等各房间同时使用率不高、水系统流量变化比较大(变流量系统)的项目。对于单位办公用房考虑各办公房间的同时使用率较高,系统正常运行时流量波动不大(定流量系统),此类阀门作用不是很明显,考虑到降低初投资的需要,不必采用。另外,工程设计选型中应避免用动态流量平衡阀(限流器)代替压差调节器(稳压器)。
(3) 动态流量平衡阀  
动态流量平衡阀用在水泵出口,稳定泵的出口水流量在额定流量下运行,避免流量过大时致使水泵电机过载烧毁电机。对并联泵的冷却水、冷冻水系统,如果主机型号不同,建议在主机冷却水、冷冻水进口安装此类阀门进行流量控制,避免因过流或欠流而影响主机稳定运行及主机使用寿命。此外,对定流量的集中供暖外网系统,用此类平衡阀门的较多,一般是设置在个建筑物的热力入口处。
尽管动态流量平衡阀具有在一定范围内自动稳定环路流量的特点,但是其水流阻力比较大,因此即使是针对定流量系统,对设计人员的要求也首先是通过管路和系统设计来实现各环路的水力平衡,即“设计平衡”;只有当设计认为系统可能出现由于运行管理原因(例如水泵运行台数的变化等等)有可能导致水量较大波动时,才宜采用阀权度要求较高、阻力较大的动态流量平衡阀。但是,对于变流量系统来说,除了某些需要特定定流量的场所(例如为了保护特定设备的正常运行或特殊要求)外,不应在系统中设置动态流量平衡阀,而应设置压差调节器。
4. 结论
  (1) 在采暖与空调水系统中合理地设置平衡阀,是一个解决系统水力失调、降低系统能、创造舒适人工环境的全新解决方案和有效的技术措施。
(2)对于定流量系统,设计人员应首先通过管路和系统设计来实现各环路的水力平衡,即“设计平衡”;当由于管径、流速等原因的确无法做到“设计平衡”时,应考虑采用静态(手动)水力平衡阀通过初调试来实现水力平衡的方式;当设计认为系统可能出现由于运行管理原因(例如水泵运行台数的变化等等)有可能导致水量较大波动时,宜采用阀权度要求较高、阻力较大的动态流量平衡阀
(3)对于变流量系统来说,除了某些需要特定定流量的场所(例如为了保护特定设备的正常运行或特殊要求)外,不应在系统中设置动态流量平衡阀,而应设置压差调节器(动态压差控制阀)。
(4)室外供热管线较长的供热系统,一般均应在建筑物的热力入口处设置静态水力平衡阀,并应根据建筑物内供暖系统所采用的调节方式,决定是否还要设置动态流量平衡阀(对定流量水系统而言)或压差调节器(对变流量水系统而言)。
(5)将动态平衡电动调节阀设置在组合式空调器、新风机组的供回水管路上,比采用普通的电动调节阀具有更好的调节特性能

 
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