供暖系统调节设备的合理选用.doc

供暖系统调节设备的合理选用清华大学 狄洪发 王智超 王威Selection of the regulator in heating systemsBy Di Hongfa, Wang Zhichao and Wang Wei提要每一个有效节能的供热系统都配有相应的调节控制设备，如自力式流量控制阀、压差控制阀等。随着供热计量收费体制的改革，室内供暖系统装配温控阀后热网如何正确配备控制设备是非常重要的。论述了装配温控阀前后系统的特性变化，指出了选择与温控阀正确配备的控制设备的方法，对供热系统设计和改造有参考意义。关键词：温控阀 自力式流量控制阀 自力式压差控制阀 平衡阀AbstractAn effective and energy-saving heating system needs many control devices, such as flow controllers and differential pressure controllers. As the reform of heat charging going on, it becomes more and more important how to cooperate the radiator thermostat with control devices correctly. lllustrates the difference in the characteristic of a heating system with or without the thermostat and indicates the regulators suitable to thermostat. It is very helpful for the new design and retrofit of existing heating systems.Keywords：radiator thermostat, flow controller, differential pressure controller, balancing valve0 引言为了提高热网的运行效率和保证供热质量，一般来说热网都装备了不同类型的调节控制设备。国内一些大型热网上装有计算机监控系统，它可以根据实际运行状况，有效调节热网的运行参数，使热网高效可靠地运行，但其一次性投资费用比较高。考虑到投资的因素，有些热网没有装计算机监控系统，而是在适当的位置装了平衡阀、自力式流量控制阀或自力式压差控制阀，在系统的实际调节控制中发挥了一定的作用。随着热量计量收费体制的改革，为了节省取暖费用，必须在每个散热器上装温控阀。温控阀在供暖运行中的不断调节使热网流量不断变化，这样热网不再是热流量而成为变流量运行，而且热力公司无法预知和控制流量的变化，流量调节的主动权掌握在用户手中。在这种装温控阀、变流量运行的情况下，上述调节装置的使用和定流量运行时有很大不同，必须正确装设才能发挥作用。否则，会使系统达不到调节要求，有时还会起负作用。1 调节装置1.1 自力式流量控制阀该阀的特点是不需要外接动力，而是依靠流体的流动特性，当上游和/或下游的阻力在一定范围内发生变化时，保持该管段的流量基本不变。其构造原理如图1。阀芯上端与隔膜相连，阀芯下端与一拉簧相连。隔膜上部空间与下游流体相通，隔膜下部空间与上游流体相通。这样，阀芯受到了3个作用力；隔膜向上的推力（p1-p2）A1;阀芯向下的推力（p1-p2）A2;弹簧向下的拉力F，通过调节弹簧底部的旋钮调整弹簧初始拉力F的大小，来确定阀门所要控制的流量。其中p1为上游流体压力，p2为下游流体压力，A1为安装隔膜圆管的内横截面面积，A2为阀芯在阀座高度处的横截面面积，其值大小随阀芯的高度（即阀的开度）不同而变化，如图2a开度比图2b大，则图2a中的横截面面积A2比图2b的横截面面积A2小。图1 自力式流量控制阀原理图图2 阀芯开度示意图当阀芯所受3个力满足（p1-p2）A1-（p1-p2）A2-F=0即达到平衡后，阀门开度就确定了。当调节弹簧使通过阀门的流量达到所要求的值后，锁定弹簧。这时，若下游由于某种原因阻力增大、造成流量暂下降，则p2提高，使（p1-p2）减小，因此（p1-p2）A1向上推力减而使阀芯下移即阀门开大；而阀芯下移使A2减小，则（p1-p2）A2减小；阀芯下移又会使弹簧向下的拉力F减小，这样作用在阀芯上、下侧面的力都在减小，阀芯在新的位置又达到平衡，使阀门达到新的开度。由于阀芯下移，阀门开大，流量必定增大，使下游阻力增加造成的流量下降得到补偿,而使该支路的流量基本保持不变.其它情况亦可推知.因此,这种阀门可以通过管道内压力的变化自行调节开度,从而使流量基本保持不变。 1.2 平衡阀从调节基本原理上看，平衡阀实际上就是一种手动调节阀。只不过它有开度指示，并在阀门的上游、下游端各装一个测压孔，用来测量流体通过阀门的压降。使用时，测得阀门压降的读出开度，即可算得通过阀门的流量。其作用相当于调节阀和等效孔板流量仪的组合，使各个支路的流量成等比例的变化，即各个支路的流量分配比例保持不变。1.3 自力式压差控制阀 自力式压差控制阀与自力式流量控制阀的调节原理基本相似（见图3），只不过自力式压差控制阀的压力反馈管是接在用户的回水管上，此时外网所提供的资用压头为（p1-p3）,用户的实际资用压头成为（p2-p3）。自力式压差控制阀也是共同作用在阀芯的3个力达到平衡后，即（p1-p3）A1-（p1-p2）A2-F=0后阀芯停留在某一位置。 图3 自力式压差控制阀原理图 若自力式压差控制阀的上游即用户外的工况变化，如V1关小，则压差（p1-p3）必然减小。如同在自力式流量控制阀调节原理中分析的一样，由于（p1-p3）的下降，导致向上推力减小，阀门开大阀芯向下移动；在阀芯向下移动的同时，（p1-p2）A2+F则减小，从而使阀门在新的位置达到平衡。与未关V1前相比，阀门是开大了。阀门开大意味着在阀芯上的压降（p1-p2）减小，从而使用户的资用压头（p2-p3）相应增大，即可以保持用户的资用压头基本不变。同理可分析下游阻力发生变化的情况。自力式压差、流量控制阀都是利用压差的作用来调节阀门开度，利用流体通过阀芯时压降的变化来弥补管路阻力的变化，从而在工况变化时能保持压差或流量基本不变。这里仅讨论上述三种调节设备，而且这些调节设备不是装在供暖立管上，而是装在楼的热力入口处。2 未装温控阀定流量运行系统的调节控制这里所说的定流量运行是指在整个供暖季内热网的流量都保持不变。2.1 直连网 一般来说，直连网以热力站为界分为主网和支网两面三刀部分，从热源到热力站为主网，从热力站到热用户为支网。2.1.1 主网调节主网的控制策略是调节热力站的供水阀开度，使所有热力站的回水温度趋于一致。主网应配备微机控制，这样可以保证供热质量，同时又降低运行费用。但当投资受限或热网较小、热网规模比较稳定时，也可不用微机控制，而采用比较简单的、下文所叙述的用于支网中的调节方法。2.1.2 支网调节由于热网微机控制投资高，因此一般只控制主网。对于支网，可以有多种调节方法。2.1.2.1 手动调节手动调节各支路的相关阀门，使各个用户的流量基本达到设计流量。但支路上一般没有流量测量装置，因此不能直接观测流量来判断调节是否达到要求。调节方法有两个：通过观测各个支路的回水温度，不断调节支路的阀门，使各支路的回水温度接近一致；或者用手提式超声波流量计观测每个支路的流量并对其加以调节，把各个支路的实际流量调到设计要求值。利用回水温度来调节调节周期比较长，因为建筑物的热惰性较大；利用手提式超声波流量计观测流量并进行调节简单易行，不过需要购置相应的设备。2.1.2.2 自力式流量控制阀 在各个支路上或热力入口处安装自力式流量控制阀，调整该控制阀的设定旋钮，使其流量指示达到设计流量的要求。这样，在运行时各支路的流量基本可以达到设计要求。2.1.2.3 平衡阀在各个支路上或热力入口处安装平衡阀，按照平衡阀的调节方法，根据各支路的设计流量，调节平衡阀的开度使其流量达到设计要求。2.1.2.4 自力式压差控制阀在各个支路上或热力入口处安装自力式压差控制阀，调整该压差控制阀的设定旋钮，使其压差指示值达到设计资用压头的要求。一般来说，设计者给出的设计流量与实际所要求的流量比较接近，因此前两种调节方法比较准确；而资用压头不仅与设计流量有关，而且与管路阻力系数有关，所以支路的实际阻力系数可能与设计值相关较大，这样即使把实际压差调节到了设计资用压头，也可能由于阻力系数的差异造成实际流量达不到设计流量，从而造成冷热不均匀。2.1.2.5 d调节方式的比较对于整个供暖季都采用一个固定流量的供热网而言，上述几种调节方式均可以使用。手动调节和平衡阀调节属于同一种类型的调节方法，实际上都是初调节，即在调节完成后保持各支路流量的分配比例不变，但当供热网增加新用户或原有用户工况发生变化后，流量分配比例发生变化，需要进行重新调整。同时，在调节过程中各个用户之间存在耦合关系，在调节用户B时，会使调整到设计要求值的用户A的流量发生变化，如耦合严重，还需要重新调整用户A。因此，利用这种调节方法，在各个用户耦合严重时一定要作好解耦处理自力式流量控制阀和自力式压差控制阀与上述两种调节方式不同，它的作用不是保证流量分配比例，而是保证该阀门所负责的支路上流量（压差）保持不变。因此当供热网增加新用户后，原有支路的流量受到影响后它可以自动调节来适应这种变化，从而保持该支路的流量不变，原有支路的自力式流量（压差）控制阀不需要重新进行调整。当然，所有调节方式均要对系统增加一定阻力，而且要求系统要有足够的调节余量。2.2 间连网与混连网从控制角度看，混连网和间连网的区别在于热力站对二次网供水温度的控制方法不同。对于间连网，调节热力站一次网的阀门来控制二次网的回水温度，调节二次网循环水泵的流量来控制二次网的供水温度；对于混连网，同样也是调节热力站一次网的阀门来控制二次网的回水温度，但二次网的供水温度是通过调节混水泵的流量来控制的。在间连网或混连网的一次网中，每一个热力站相当于一个热用户，因此一次网相当于一个直连网，则上述直连网的调节方法也适用；对于二次网，热力站相当于热源，二次网相当于一个直连网，则上述直连网的调节方法也完全适用。因此，直连网的调节方法可以推广到间连网和混连网。3 未装温控阀分阶段变流量运行系统的调节控制分阶段变流量是把整个供暖流季分为几个阶段，在每个阶段内保持流量不变，但从某阶段过渡到另一阶段时，流量发生改变。例如整个供暖季分为供暖流初期-严寒期-供暖末期三个阶段，热网流量为小流量-大流量-小流量三个流量值。从整个供暖季看，流量不再是完全固定不变。因此对于这种运行模式，上节所述调节方法就不一定全部适合。从上节所述可以看出，只要对直连网的调节论述清楚，间连网、混连网的调节就可以举一反三推知。因此，这里仅以直连网为例进行分析。 3.1 自力式控制阀 在这种运行模式下，自力式流量控制阀就不再适用。因为自力式流量控制阀的设定流量一般为系统的设计工况流量，适用于在整个供暖季热网流量都保持不变的运行模式。例如当运行工况不在设计工况流量时，自力式流量控制阀的自动调节功能就会发挥作用，使该管路的流量尽量接近设计工况流量。在供暖初期和末期小流量运行时，整个热网的流量变小，例如为设计流量的75%时。各个用户的流量也应变小到75%。在靠近热源的用户，其自力式流量控制阀感应到实际流量（75%）小于设定流量（100%），则会自动开大，使流量尽量接近设定流量。因此，近端用户的实际流量大于所需而过热，远端流量必然小于所需而过冷。当然，在严寒期流量为100%时，自力式流量控制阀保证各个用户的流量达到要求，从而使所有用户供热均匀。 自力式压差控制阀的调节特性与自力式流量控制阀相同，因此在这种运行模式下会发生同样的情况。也就是说，在这种运行模式下自力式压差控制阀也不适用。3.2 平衡阀平衡阀非常适合这种运行模式。因为当平衡阀调节时，其本身并不具有如自力式流量、压差控制阀根据工况变化进行自调节的功能。因此，当总流量发生变化时，平衡阀可以保持各个用户流量等比例的变化。例如，总流量为设计流量75%时，分配到各用户的流量也为75%。因此，在这种运行模式下平衡阀可以保证在每个阶段内流量分配都达到使用要求。 4 装温控阀后系统的调节控制在实施按热量计量收费后，室内系统可以分为两类：一类是有共用立管且户内为双管的系统，另一类是带跨越管的垂直单管系统或者是有共用立管且户内带跨越管的水平单管系统。温控制阀调节对这两类系统总流量的影响是不同的。图4表示了系统的控制原理。图中A，B，N用户热力入口的控制阀可以为自力式流量控制阀，也可以为自立式压差控制阀或平衡阀，温控阀表示对应热用户内部的全部或部分温控阀，未画出散热器。室内系统可以是上述两类系统中的任何一种。 图4 装有控制阀的热网4.1 有共用立管且户内为双管的系统随着室内负荷的变化，温控阀交随之而自动变化，通过散热器的流量也随之变化，这就意味着热网的流量随时都在变化。4.1.1 热力入口控制阀为自力式流量控制阀自力流量控制阀的功能是在工况发生变化时尽量保持该管路的流量不变。装温控阀后管睡流量不断变化，显然与自力式流量控制阀的作用相矛盾。如果在装温控阀的管路上再装腔作势自力式流量控制阀，对温控阀的调节作用有百害而无一利。如图4，当室内负荷减少时，温控阀自动关小，则相应管路流量减少；但如果该管路有自力式流量控制阀，则自力式流量控制阀感知流量减少后会自动开大，从而使管路流量增加达到其保持管路流量不变的目的。这时管路流量的相对增大（实际是保持流量不变），又导致温控阀的进一步关小，如此形成循环，最后导致温控制阀关到最小，而室内温度仍可能高于要求，反之亦然。因此，在装温控阀的管路上不能再装自力式流量控制阀。4.1.2 热力入口控制阀为平衡阀 平衡阀实际上起一种初调节的作用。平衡阀初始调节时，是根据设计工况下各个管路的流量来调节的。当全部平衡阀初始调节完成且在管路中阻力系数不再发生变化的情况下，各管路的流量分配比例保持不变。但当管路阻力系数变化后，流量分配比例也随之发生变化。在温控阀动作后，温控阀的阻力系数发生了变化，这时相应管路流量也就发生了变化。因此，温控阀和平衡阀的作用并不发生矛盾。 装温控阀后，温控阀的实际开度随着负荷的变化而变化。假如图4中B管路上的用户负荷增加，则该管路上对应的温控阀开大，导致该管路的流量增大。但若除B管路外的其它所有用户负荷都没有变化，按理说它们所对应的温控阀和其所要求的流量都不应变化。但是，由于B管路流量发生变化，必然要影响到总流量增大。即使主干网使用微机控制。这时也会导致其它管路，如A，N管路的流量发生变化。前面已假设B外的用户负荷都有没有变化，因此A，N管路上的温控阀本不应动作。但由于受B管路流量变化的影响，A，N管路上的温控阀也必须动作，进行必要的调节。也就是说，即使装了平衡阀，管路之间还存在着相互影响，促使平衡阀不断动作调整。 另一方面，如果除N 管睡外的用户都要求流量增大，将有可能总流量过大而导致在N用户处的资用压头不够，即使N管路上温控阀都开到最大，也有可能满足不了要求。 总之，装平衡阀进行初调节比盲目的手动初调节能更好地保证温控阀发挥作用。但是平衡阀不能消除支路之间的相互耦合影响，有时还不能满足温控的调节要求。4.1.3 热力入口控制阀为自力式压差控制阀自力式压差控制阀和温控阀相配合能够保证温控阀发挥作用。图4对应的用户A负荷减少时其温控阀关小，相对应的管路流量减少，因此造成总流量减少，系统水压图发生变化。图5中实线表示温控阀调整之前的水压分布，虚线表示温控阀调整之后的水压分布，p为用户所需要的资用压头。由于总流量减少，干管上压力损失也减少，外网给用户A处所提供的资用压头提高到p。如果用户A没有装自力式压差控制阀，则由于外网提供的资用压头增大，温控阀又会进一步关小，如此反复形成正反馈，使温控阀无法正常发挥其功能。但如果装自力式压差控制阀自力式压差控制阀可以根据压差的变化而自动关小，压差控制阀消耗掉2倍的p，使外网提供给用户的资用压头（p-2p）基本保持不变，仍等于p，这样就不会对温控阀形成正反馈的影响。42 带跨越的垂直单管系统或有共用立管且户内带跨越管的水平单管系统 带跨越管的垂直单管系统，由于温控阀的作用，使通过散热器的流量随室内负荷变化而变化，但跨越管的分流作用却使得立管的总流量保持基本不变。因此，此时热网基本上是在定流量工况下运行。这样，该系统对使用调节阀的要求，如同前面所述的定流量运行系统一样，使用自力式流量控制阀是最合适的。5 结论5.1 为了满足用户的供暖要求，热网应有正确的调节