供热系统中的水力失调与自力式流量调节阀的应用

      0 引言

     目前，在供热系统中普遍存在着水力失调问题，即系统在实际运行时，流经各热用户的水量与设计水量不符，结果出现了远近端水量分配失调即热力失调。其主要原因是因为设计者在进行水力工况计算时在各分支流量为设计值的假想情况下进行的。由于管材及热媒zui高流速的限制，设计上实现水力平衡几乎是不可能的。这样势必造成近端阻力系数不能达到设计理想状态，形成近端流量过大，远端流量不足的热力失调现象。随着集中供暖和区域锅炉房供暖的规模逐年扩大，各用热单位的供暖面积由几万平方米发展到十几万、几十万甚至百万平方米以上。供暖半径也由几百米延长到几千米、万米以上。由于供暖规模的迅速扩大，系统中的水力失调越来越明显。以某研究所为例，目前全所采暖建筑面积近十万平方米，为了缓解热力失调问题，使住户达到较满意的效果，在无法增加热源的情况下，采取“大流量、小温差”的办法，增大热网管径，增大循环泵流量，在系统末端加装增压泵。但近端住户热，远端住户室温不达标的问题依然存在，也就是说水力失调的问题仍然没有从根本上解决。实践证明，要彻底解决热网中的水力失调问题，必须在热网系统中安装动态的水力平衡单元，以实现供热系统的动态调节。

     1供暖系统中水力失调的解决途径

     zui早的流量调节是依靠普通阀门，后来使用节流孔板，近几年相继推出手动调节阀、平衡阀及模拟阻力等调节流量的硬件和软件。

      1.1 模拟分析初调节法

     使用SLGKMN分析软件，对热网水力工况进行模拟计算，采用调节阀和超声波流量计，通过现场测试实际工况，借助于计算机软件计算，zui后作现场调节测试。

      1.2 平衡阀法

     平衡阀是一种具有良好调节流量功能的阀门，在热网系统调节中借助于专用智能仪表，配合使用平衡阀构成定流量的调节装置。

      1.3 调节阀法

     由于调节阀具有线性特性，当阀门开度从小逐渐变大时，流量增加的百分比基本相同，具有较好的调节流量性能，再配以便携式超声波流量计，在热网系统不太大的情况下，可以粗略地完成水力工况的初调节^[1] 。

     以上三种调节法只有在热网系统压差稳定的前提下才能进行流量平衡调节，如遇压差波动大或负荷增减较大时，全系统又需要重新进行流量平衡调节。因为这三种流量调节法，使用的硬件和软件只能起到一个可调孔板的作用，没有自动消除系统剩余压头的功能，未能做到流量在压差变动时能自动控制流量使其达到恒定的目的。

      1.4 自力式流量调节阀法

     自力式流量调节阀是一种利用管道系统自身具有的压差，作用在自动调节的阀瓣上，不需要外加动力，即可以自动消除系统剩余压头，确保流量恒定的功能。它的调试只需根据设计流量值，使用专用工具旋转流量设定调节阀，调至流量刻度线与设计流量值相同即可，一经设定后，不受管道系统压差变化或负荷增减的影响，可以始终保持热网流量的恒定，调试极为方便。自力式流量调节阀在大型管网上应用可以使流量分配工作变得简单便捷。

     为此，作者重点阐述自力式流量调节阀的工作原理、安装使用及水力工况分析等。

      2 自力式流量调节阀的工作原理

     在当前主要依靠质调节的供热方式情况下，供热流量的分配是保证用户均衡用热和系统水力稳定的关键。运用孔板节流原理，仍是实现流量定量分配的基本理论。

     工作原理：自力式流量调节阀是一种动态平衡阀，它的作用是在阀的进出口压差变化的情况下，使通过阀的流量保持恒定。这里以ZL47F型自力式流量控制阀（见图1）为例，介绍自力式流量调节阀的工作原理和性能特点。

      自力式流量调节阀是1个双阀结构，即1个自动平衡阀组和1个手动调节阀组。图中P₁为进口压力，P₂为通过自动平衡阀组节流后的压力，P₃为出口压力。对于手动调节阀组来说，流量G=K_v×（P₂-P₃），K_v为手动调节阀阀口的流量系数，当手动调节阀的开度固定之后，K_v为常数，那么只要P₂-P₃不变，则流量G不变。而P₂-P₃的恒定是由自动平衡阀组控制的。当进口压差P₁-P₃增大，则通过感压膜和弹簧的作用，使自动平衡阀组关小，从而维持P₂-P₃恒定，反之亦然。

     从自力式流量调节阀的工作原理可以看出，除了有手动调节流量功能外，更重要的是有自动消除系统剩余压头的功能，从而可在一个复杂的水力系统网路中，实现按环路、按热用户或散热设备的热媒流量一次设定调好后保持恒定不变，即使在系统压差或热用户发生频繁变化时，也能保持调好的流量恒定，从根本上解决了管道系统中的水力失调问题。

      3 水力工况分析

     为了在系统各热用户间正确分配热量，解决各热用户间冷热不均的问题，必要的条件是流量必须按规定的数值进行分配。流量分配的过程是利用自力式流量调节阀使各热网分支达到合理的流量。近端资用压头大于热用户需用压头必然导致流量过大。必须用阀门消耗富裕压头（富裕压头=资用压头-需用压头）。图2示意热用户阀门及各压力点，如果热用户供水管安装自力式流量调节阀，则回水压力P₃近似等于P₄，供水压力P₂压力线（如图3所示）近乎平行P₄。如果热用户回水管安装自力式流量调节阀，则供水压力P₂近似等于P₁，回水压力P₃压力线近乎平行P₁。

     热用户内实际供水压力为P₂，回水压力为P₃。如果压力过低会导致管道倒空，压力过高导致耐压等级较低的元件（如散热器）的压力破坏。因此，对地形高差大的管网应按上述因素考虑自力式流量调节阀的安装位置，即在地形低洼处楼群。自力式流量调节阀宜安装于供水，以保证热用户内压力不升高；在地形较高位置宜安装于回水，以保证热用户管道不倒空。

      4 自力式流量调节阀的应用

     适用于需要进行流量控制的水系统中，尤其适合于供热、空调等非腐蚀性液体介质的流量控制。安装在水系统中，经运行前的一次调节，即可使系统流量自动恒定在要求的设定值。自动消除水系统中因各种因素引起的水力失调现象，保持用户所需流量，克服“冷热不均”提高供热、空调的室温，提高系统能效，实现节能。自力式流量调节阀是供热、空调系统实现“计量收费”的理想配套产品，可广泛应用于集中供热系统、小区锅炉房采暖系统、建筑内采暖系统、空调系统等。

     5自力式流量调节阀实现节能降耗的途径

     实现供暖运行中的量化管理，就是把热能、电能等能耗加以量化，把系统中的总流量和热用户的循环流量置于严格、的控制之下，将热量随流量按需分配到热用户，从而降低能耗。

      5.1 节电

     循环水泵是供暖系统中的重要设备之一，同时又是耗电的“大户”。因此，改造水泵或充分利用原有循环水泵，只要在zui佳工作点运行，即可节电25%~30%^[3]。由于系统的水力失调，系统的实际流量将大于计算流量，循环泵的工作点常处在不经济的工作条件下运行。又由于流量与水泵轴功率成三次方的关系，所以大流量的运行方式意味着电能消耗增大。采用自力式流量调节阀以后，由于系统的水力失调基本解决，泵的运行在效率zui高、轴功率消耗量小的zui佳状态，从而实现节电的目的。

      5.2节煤

     目前的供热系统中，为了提高末端用户的室温，通常采用增大循环流量的方法，在流量调节受限制的条件下，则采用提高系统供水温度和热源供热量的方法。这种运行方式是靠增加电耗、煤耗来消除热力工况的失调，掩盖水力失调的存在。采用自力式流量调节阀后，则基本上解决了水力失调问题，各热用户的流量均能按设计流量分配，经验证明，由此可节煤10%~15%^[3]。

      5.3 增加供热面积

     目前锅炉供热能力低是普遍现象，平均每蒸吨热量实际供采暖面积一般仅为5000~6000m²，达到7000~8000m²已算较好水平。主要原因是系统水力失调，热量未能合理使用，浪费现象比较严重。安装流量调节阀后，系统平衡稳定，热量得到“热尽其用”，平均每蒸吨热量实际供采暖面积可达到10000m²，平均增加供热面积约25%~30%，节能效果显著。

     近年来，中国建筑能耗呈逐年上升趋势，用于供暖空调的能耗已占建筑总能耗的55%以上^[4]。在供暖空调系统中采用自力式流量调节阀是解决水力失调的一种有效手段，同时具有可观的节能效果和节约价值。