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调节阀在热力管网系统中的应用南京苏夏工程设计有限公司1调节阀在热力管网系统中的应用徐国喜设计二室摘要：集中供热不仅能为城市提供稳定、可靠的热源，而且与传统分散供热相比，能节约能源和减少城市污染，具有明显的经济效益和社会效益。所以集中供热是现代化城市中必不可缺的基础设施，也是城市公用事业的一个重要组成部分。集中供热管网设计、安装时否合理，调试运行维护是否规范，直接影响着城市品味的提升和广大热用户的利益，随着供热面积的不断增大和输送距离的不断延长，如何保证用户流量和温度是热网工程设计中一个很关键性的问题，除必要的保温外，调节装置的合理选择与安装显得尤为重要。本文将在分析调节阀特性及选用的基础上，探究其在热力管网上的应用。关键词：调节阀流量特性压差1序言随着科技进步，在生产过程自动化中，用来控制流体流量的调节阀已遍及各个行业。对于热力、化工过程控制系统，作业最终控制过程介质各项质量及安全生产指标的调节阀，它在稳定生产，优化控制，维护及检修成本控制等方面都起着举足轻重的作用。由于调节阀是通过改节流方式来控制流量的，所以它既是一种有效的调节手段，同时又是一个会产生节流能耗的部件。以电厂为例，随着装置高负荷的运行，调节阀的腐蚀、冲刷、磨损、振动、内漏等问题不断发生，从而导致调节阀的使用寿命缩短，工作可靠性下降，进而引起工艺系统和装置的生产效率大幅度下降，严重时可以导致全线停车。这在如今视质量和效益为生命的企业管理中尤为重要和紧迫。对此，如何选择和安装好调节阀，使调节阀在一个高水平状态下运行将是一个很关键的问题，选择调节阀时，首先要收集完整的工艺流体的物理特性参数与调节阀的工作条件，主要有流体的成份、温度、密度、粘度、正常流量、最大流量、最小流量，最大流量与最小流量下的进出压力、最大切断压差等。在对调节阀具体选型确定前，还必须充分掌握和确定调节阀体本身的结构、形式、材料等方面的特点。而技术方面主要考虑流量特性、压降、闪蒸、气蚀、噪音等问题。2调节阀的选用要点2.1调节阀的作用调节阀作为最终执行元件，在控制系统中起着关键作用。合理的选型和正确的计算，是阀门长期稳定运行的基础。调节阀的作用是通过流通面积的变化来改变调节阀的管路阻力系数，从而达到调节流量、压力、温度等流体参数的目的。调节阀在热力管网系统中的应用南京苏夏工程设计有限公司22.2调节阀的分类调节阀按行程特点可分为：直行程和角行程。直行程包括：单座阀、双座阀、套筒阀、笼式阀、角形阀、三通阀、隔膜阀；角行程包括：蝶阀、球阀、偏心旋转阀、全功能超轻型调节阀。调节阀按驱动方式可分为：手动调节阀、气动调节阀、电动调节阀和液动调节阀，即以压缩空气为动力源的气动调节阀，以电为动力源的电动调节阀，以液体介质（如油等）压力为动力的液动调节阀；按调节形式可分为：调节型、切断型、调节切断型；按流量特性可分为：线性、对数型（百分比）、抛物线、快开。2.3调节阀的固有流量特性调节阀的固有流量特性是指当阀门两端差压恒定时，通过阀门的流量随开度的变化率。从物理意义上来说，阀门的固有流量特性表明了阀门的有效流通面积是如何随开度的变化而变化的，有快开、线性、等百分比及抛物线等几种（见图2-1），典型应用如下：图2-1调节阀特性曲线2.3.1快开特性在小开度范围内流量随开度的变化率最大，而随着开度的增大流量的变化率急剧减小。从图2-1看，在小开度时阀门的流通能力已经相当大，而在接近全开时，流通能力几乎无变化，所以快开阀门主要应用于开关切断场合。2.3.2线性特性在0～100％开度内，流量随开度的变化率为常数。也就是说，50％开度下阀门的流通能力是全开时的50％，依次类推。对于线性阀，正常流量时阀门的相对开度最好为50％～60％.线性特性的阀门主要适用于系统增益为常数的控制回路。调节阀在热力管网系统中的应用南京苏夏工程设计有限公司32.3.3等百分比特性在小开度范围内流量随开度变化率增加得很少，但随着阀门开度的增加，其变化率急剧增加。对于等百分比的特性阀，正常流量时阀门开度最好为70％～80％。等百分比特性阀主要应用于压力、流量和温度的控制场合。2.4蒸汽流量系数计算气体为可压缩流体，其产生阻塞流的机理与液体不同，当操作压差比χ很小时，通过阀门的流量随着阀两端压差的增加而增加，χ逐渐增大到一定数值χT后，阀后缩脉处达到声速，这时再增加压差流量也不会随着增加，产生了气体阻塞流。蒸汽流量系数计算公式：CV=（2-1）式中W蒸汽质量流量，kg/h；TSH蒸汽过热度，℃；P1上游压力，bar（A）。一旦χT＞χ，可认为产生了阻塞流，用χT替代式中χ来计算蒸汽CV值。2.5调节阀的流速对于液体，一般调节阀入口流速应小于10m/s，而蝶阀小于7m/s。如果发生阻塞流则要求更小，以减少阀门内件磨损。对于气体，连续工况的调节阀入口流速小于0.3vs，而间歇工况小于0.5vs。但计算噪声不应大于110dB（A）。vs=91（2-2）式中k等熵指数；M分子量；T操作温度,K。2.6调节阀口径的选择首先调节阀应保证能通过工艺要求的最大流量，并保留一定富裕量。根据工艺操作的负荷变化，一般至少考虑15％。其次，根据所选调节阀流量特性，使阀门在正常流量时工作在适当的开度，这时的阀门工作特性较好。但最终选定阀门只有一台，如果要求阀门在最小/正常/最大流量下都保证适当开度，这是不符合W（1+0.00126TSH）6.6P1(3–χ/χT)χkTM调节阀在热力管网系统中的应用南京苏夏工程设计有限公司4实际的。要求控制的流量范围较大，分程控制是最好的选择；对于放空调节阀，考虑最大流量能通过即可，不必考虑开度要求。所以口径选择要了解工艺特性，最好能提出最小/正常/最大流量下的操作参数和操作要求。值得注意的是，一些压力控制回路，正常流量和最大流量下阀上压降差别很大，有时达2倍以上，这时如果误认为压降不变，所选阀门可能偏小。从静态角度看，调节阀能通过工艺最大流量即可，阀门口径越大越保险，但过大口径的阀门实际开度偏小，阀门动态特性不好，系统调节品质差。调节阀通过的流量受制于管路阻力分布。随着流量增大，管路压力损失也急剧增加，阀门上相应分配的压差减少，所以全开时通过的阀门实际流量与理论值相差很多。2.7调节阀的噪声计算调节阀的噪声受多方面因素影响，本节不涉及由于机械振动、反射/谐振、液体流体动力学而产生的噪声，只根据VDMA24422标准对气体空气动力学噪声作出分析。对于气体，在低压降比时，阀门引起噪声的主要原因是湍流，在高压降比时间，冲击湍流成为主要的噪声源。而一旦形成阻塞流，噪声将超过95Db(A)。气体比液体更容易产生噪声是因为气体的操作流速一般比液体高，而高流速是产生噪声的主要因素。气体噪声计算参见公式LA=14lgCv+18lgP1+5lgT1-5lgρn+20lg[lg（P1/P2）]（2-3）+51+△LP+△LG+△LP2式中LA噪声水平，dB(A);P1上游压力，bar(A);P2下游压力，bar(A);T1上游温度，K;ρn标态下的气体密度，kg/m3;△LP管壁修正系数;△LG气体噪声计算阀门修正系数;△LP2下游压力修正因子，P2＜30bar（A）,取0；30bar（A）＞P2＜55bar（A）,取（30-P2）/2.5；P2＞55bar（A）,取-10；3应用供热系统最终目的是热力工况的平衡，要求在流量改变的同时，热能消耗量适应负荷的变化。就是说，调节阀的开度变化与热能消耗量的变化成线性关系，调节阀在热力管网系统中的应用南京苏夏工程设计有限公司5这才是供热系统调节的最佳原则。亦即在调节过程中，调节阀的放大系数和调节对象的放大系数乘积维持不变。从图2-1分析可知只有等百分比性能调节阀随着流量变化的放大系数逐渐减小，因此我们选择等百分比性能调节阀作为调节装置。它的优点是流量小时，流量变化小，流量大时，则流量变化大，也就是在不同开度上，具有相同的调节精度。根据经验，阀门的理想压降应等于系统压降，也就是当阀门的阀权度β为0.5时，阀门的工作状态比较理想，调节性能较稳定，调节较精确。在供热系统中，绝大多数调节阀工作在变工况状态，即使在设计工况下，也很难工作在β＝1的条件下，选用阀权度接近0.5的阀门，会具有在较为理想的工作条件下的理想工作特性。流通能力Cv是选择调节阀的主要参数之一，其定义为：当调节阀全开，阀两端压差为0.1MPa，流体密度为1g/cm3时，每h流经调节阀的流量，也称流量系数。实践中主要通过阀体的截面流量来确定和选择，再通过阀权度进行校核计算。3.1工况3.1.1初期供热规模等于或接近设计容量，这种情况下调节阀比较容易选择，可以根据运行设计流量、压降，通过上述计算方法进行计算选择。根据式2-1计算结果可推算出，设计流量与调节阀全开流量的相对关系，则可将设计流量作为调节阀相对开度下所对应的流量进行选型，通过计算验证确定最终的选型结果，这样既可满足使用要求、保证调节的精度，又可节约初投资费用。3.1.2初期供热规模小于设计容量，但大于设计容量的50%，这种情况可以根据运行参数，分别计算出初期和终期规模所需的流量，根据这两种状态下的流量比对调节阀选型手册，以调节阀的最佳开度30%～80%为原则进行选型，如果最大和最小流量能够同时在1台阀的调节范围内，则可确定该调节阀适合该工况的运行要求；如果最大和最小流量不同时在1台调节阀调节范围内，且偏差不大，则可以终期流量为准，选择稍大的调节阀，随着供热用户的不断增加，可进行精确地调节，直至达到终期负荷。3.1.3初期供热规模远远小于设计容量，且短期不能达到最终规模，1台调节阀不能同时满足初期和终期的供热调节需求，这时可以有两种办法解决。方法一：先根据初期和中期的供热负荷及运行参数计算出所需的流量，根据调节阀的选型原则进行选型，待热负荷发展到超出该阀的调节范围后，可另行选择调节阀，此时以最终的供热规模即设计容量为计算依据，选取适用的调节阀。此方法费用相对较高，且实施起来较为烦琐。方法二：用带有调节功能的平衡阀与调节阀并联，各分担一部分流量的调节功能（如图3-1所示），这样既可满足初期的小流量调调节阀在热力管网系统中的应用南京苏夏工程设计有限公司6节要求，也可同时满足终期的大流量调节要求，还能节约初投资，免去更换阀门的费用和精力。1闸阀2主调节阀3调节阀（平衡阀）4排放阀图3-1调节阀并联安装示意图选型时，先根据初期供热规模和设计容量及运行参数，分别计算出所需流量，以初期供热所需流量作为调节阀最小经济流量的依据，选出适合的调节阀，再根据所选择调节阀的最大合理调节流量，确定终期不可调节的流量，即用设计所需流量减去该调节阀的最大合理调节流量，作为依据来选择合适调节精度的平衡阀。对于这种并联连接方式，调节阀两侧的压差没有太大变化，即阀权度没有多少变化，此时的调节阀可视为没有增加并联阀门时的调节特性，那么调节阀的并联只实现了部分流量调节，从而节约了阀门的初投资。此方法适用于一次管网管径偏大且初期－终期热负荷变化较大的供热系统设计，由于大管径调节阀可选择性较小且价格比小管径调节阀有大幅提升，从经济性方面考虑，这种并联的方案可解决此类问题。3.2调节阀压降的系统考虑调节阀作为过程控制系统中的终端部件，是最常用的一种执行器。按过程控制系统的要求，调节阀应具有在低能量消耗的状态下工作，且能充分与系统匹配的工作特性。但是在调节阀的使用中这两个要求是不能同时满足的，甚至是互相矛盾的。在要得到同样的流量Qmax的情况下，选择一只较小口径的调节阀，虽然其他阻力不变而总的阻力必然比较大，形成大的系统总压降。假若物流的推动力是由泵产生，就意味着必须选功率大一些的泵和电机，这样必然带来大的能耗。当管道系统中介质的流速增加时，流体通过管道上的各种安装部件时产生的流体压降也会发生一系列的动态变化，作为管道流体控制主要部件的调节阀所引调节阀在热力管网系统中的应用南京苏夏工程设计有限公司7起的流体压降是一个很重要而又容易被忽略的因素，我们在分析与调节阀有关的系统问题时。不仅要考虑到调节阀本身的问题，而且也要考虑到调节阀的压降