蒹葭
城市供热调节热网初调节法与运行调节方式的关系 及自力式阻力平衡阀的原理及应用 刘兆军 摘要:总结介绍了集中供热热网调节所使用的各种调节阀、热网初调节方法、热网运行调节方式以及它们之间的相互关系,指出最佳的运行方式是“质量并调”、最佳的热网初调节方法和相应调节工具―――自力式阻力平衡阀,并介绍了自力式阻力平衡阀的原理和使用自力式阻力平衡阀进行热网调节的方法。 关键词:质调节、量调节、分阶段改变流量的质调节、质量并调、间歇调节、平衡阀、自力式流量控制阀、自力式差压控制阀、自力式阻力平衡阀、初调节、运行调节。 在集中供热系统中,虽然在工程设计阶段进行了水力平衡的设计,但是,由于供热工程设计阶段的供热面积、热用户的分布、管道的路由走向等等具体的设计情况,与实际运行情况相比往往会有所出入,再加上工程施工质量问题、管道管径的限制问题、管道中循环水的流速限制问题以及水力平衡设计本身的问题,造成了水利失调很难单靠设计来进行解决,所以,在热用户的入口处,安装具有可调性的水力平衡元件成为供热工程设计、施工、运行中的一项基本措施。目前,可调性的水力元件主要有平衡阀、自力式流量控制阀、自力式压差控制阀。在供热运行的初期,通过水力平衡元件对各个热用户实际所需循环流量的调整,达到各个热用户循环流量“按需分配”,即实现所谓的热网平衡。这种供热管网的调节叫做初调节。初调节的目的是使整个供热系统中各个热用户实现流量的平衡,进而达到热量的平衡,其目标是热用户室内温度的一致,但是并不能保证各个热用户在整个供热期间的不同室外温度情况下,都能满足室内温度18摄氏度的要求,要达到这个目标,还要在整体平衡的基础上,根据每一天室外温度的变化情况,在供热运行过程中进行整体的流量、热量的调节,这种调节叫做运行调节。 1、运行调节的方式如下: 1.1、质调节: 常用于热水网。在整个供热期内,热源和热用户的循环水流量保持不变,根据不同的室外温度只改变供水温度。适用于一、二级热网,多用于二级网,为目前国内普遍采用的运行调节方法。 缺点:在不同的室外温度情况下,只改变供水温度而不改变循环流量,浪费了水泵的电耗,不能节电;热网远、近端用户温度有明显的时间差。 优点:水力工况稳定,方便易行。 1.2、量调节: 常用于水热网。在整个供热期内,热源和热用户保持供水温度不变,根据不同的室外温度只改变循环水流量。实际中只适用于一级热网,且因目前热网平衡控制方面存在很大困难,所以国内应用实例鲜见。二级热网采用量调节在技术上更难实现,其一是因为二级热网也存在平衡控制方面的困难;其二是随着室外气温升高,如果网路水流量迅速地减少,常常会使室内供暖系统产生严重的垂直热力失调。 量调节的缺点:水力工况稳定性差,实用性差。 优点:与质调节方式相比,在供热面积相同的情况下既能节热,又能大量节电。 1.3、分阶段改变流量的质调节: 就是把整个供热期按室外温度的高低分几个阶段,在热负荷较大时采用设计流量,在热负荷较小时采用较小流量。大多地区分为三个阶段,而在每一个阶段内采用保持流量不变的质调节。适用于一、二级热网,应用情况在数量上仅次于质调节。 其优缺点介于质调节和量调节之间。即在每一个阶段内,水力工况稳定,热网远近端用户温度存在时间差。在热网平衡控制上较量调节稍易实现,比质调节稍难。流量变化不连续,只分几段,故节热同时只部分节电。 1.4、间歇调节: 间歇调节属于一种辅助的运行调节方式,它在供热期内,不改变网络的循环水量和供水温度,而只减少每天的供热时间。它只作为一种辅助调节措施,在室外气温较高的供暖初期和末期常常与其他几种运行方式配合运行。常见的方式是:在初末寒期,热源为单台锅炉的采用间断运行,热源为多台锅炉的在不同时段减少运行台数,而循环水泵连续运行的方式,即所谓的“停炉不停泵”方式。在严寒期,则采取24小时连续供暖的方式。 1.5、质量并调: 在运行调节的过程中,根据室外温度的变化,既改变循环流量又改变供水温度。这种运行调节叫做质量并调。众所周知,根据供热系统的特点,在保证供热质量最佳的前提下,对于一个既定的供热系统,在不同的室外温度下情况下,都有一个与其对应的最佳的流量和最佳温度(温差)。所以,最佳调节的运行工况是质和量的综合调节。这种质量的并调,一方面达到了最佳的供热效果,另一方面达到了最大限度的降低供热的热耗和电耗。 此种调节方法同量调节一样,也存在热网平衡控制上的困难,所以虽然近几年国内供热行业在一、二级热网实施循环泵变频调速变流量运行,进行质和量并调的工程实践项目也较多,但实际运行效果不理想。具体表现是:流量的变化幅度不大,降不下来,运行中的流量多数都是高于设计状态下的计算流量,远远没有达到最佳调节工况的参数状态,循环泵变频调速仅成为解决设备大马拉小车的手段,供热系统节能潜力没有真正挖掘出来。最根本的原因是因为缺乏简便、有效的调节热网平衡手段,导致热网循环泵变频调速变流量运行的节能潜力没有充分挖掘出来,阻碍了质量并调运行方法的推广应用。 2、初调节的方法: 供热管网的初调节方法很多,过去的几十年里出现过不下十几种初调节的方法,本人把这些供热初调节的方法分为以下几类: 2.1、近似阻力平衡调节: 以各个支线、用户的阻力平衡为目标,通过安装平衡阀、手动调节阀,并通过上述阀门进行支线调节、热用户调节,以达到各个热用户环路的阻力平衡,从而实现流量的平衡。实际调节时,每调节一个用户阀门,由于热网并联用户间的相互耦合作用,全网总流量、各用户流量及分配比例均发生改变,产生振荡。因此,其调节性能很差,对于大一些的热网很难达到平衡。这种调节方法通过与超声波流量仪配合使用,经过反复多次的调节,对于供热面积不大的小型热力系统,可以达到一定的平衡效果。 优点是:设备投资抵,无安装方面的限制,操作简单。 缺点是:调节过程需要反复多次,才能达到一定的平衡效果,而且,每一次调解过程需要很长的一段时间。仅仅适用于小规模的管网系统。 2.2、量化流量平衡调节: 以热用户(每个楼或每一个住户)的流量平衡为目标,通过安装使用自力式流量控制阀,根据热用户的供热面积或热负荷计算出实际需要的流量,并在自力式流量控制阀上设定好,自力式流量控制阀会根据管网的压力变动情况,自动保持所设定的流量恒定不变,从而实现各个热用户的流量平衡。自力式流量控制阀最大的特点是,在调解某一用户的过程中,其他的热用户流量不会产生变化,没有相互之间的耦合现象,既不会引起其他用户流量的振荡,所以,调节性能好,稳定性好。由于调节后各个热用户的流量都有一个具体的数量,并以流量为调整的目标,因此笔者将其称为量化流量平衡调节。 优点:调节过程简单,方便,平衡效果好,大网小网都能胜任。 缺点:由于属于流量的平衡,因此,流量调节平衡之后,热网必须在恒流量状态下运行,循环泵的流量不能再改变,否则会出现新的水利失调。 2.3、用户主动变流量调节: 这种供热系统是伴随热计量由欧洲引进的,以热计量为目标,在热用户的入口安装自力式差压控制阀,同时在热用户室内的每一组散热器前安装自动温控阀。由于自动温控阀对于进出口的压差有一定的要求,也是为了避免某些热用户温控阀自动调节时,引起其他热用户流量的变化,因此,与温控阀配套,在热用户的入口处加装自力式差压控制阀。这种方法具有调节一个热用户不引起其他热用户流量变化的性能。这种系统原理上不需要供热单位人为的调节,而由住户根据自己房间的温度,通过设定温控阀开度,由温控阀根据室内温度的变化进行自动的调节,又由于整个系统是变流量运行的,因此,笔者将其称为用户主动变流量系统。 优点:适应热计量,自动化程度高。 缺点:造价高昂,对设备、人员的技术水平要求高,适合产权单一的单位、别墅、私人建筑的热计量收费系统的供热,不适合我国国内大量的一栋建筑有几十、上百户产权人的民用住宅。 2.4、微机自控调节: 主要应用于一次网系统。主要元件是:电动调节阀、温度传感器、压力传感器、流量传感器、电动执行器、相应控制软件。 2.4.1、热网上各热力站单独控制: 换热站根据测出的室外温度,和设定的供水温度对比,与供水温度不符时,调整一次侧的电动调节阀门,以改变流过水一水热交换器的一次侧水流量。从而使二次侧热交换器出口水温达到设定值。从原理上讲,只要给出合理的室外温度与二次网供水温度之间的关系式,设计好电动调节阀门的调节算法,是能够使用户侧采暖建筑达到供暖要求的。但从整个热网看,由于各换热站与热网皆为并联连接,换热站之间存在相互的耦合作用,某一个站阀门有动作,其余的换热站的电动阀门都将随之动作,总热网及各热力站之间将产生较长时间振荡现象,尤其是当室外温度变化较大,热负荷变化较大,而热源调整又不及时的时候,这种振荡会非常严重甚至系统不能工作。 2.4.2、热网上各热力站采用质调节: 对各个热力站供水阀门的调节是以各个热力站彼此间流量平衡为目标,实行中央控制,即通过计算机网络将各热力站的现场控制机连在一起,测量出各热力站二次网侧供回水温度,计算全网调均匀后的供回水平均温度值,将此值送到各热力站作为设定值进行具体的调节。还有一种情况是,根据热源的总流量,按各个热力站所需热量的比例,进行热力站流量的分配。这种均匀调节一般不会导致系统大幅度振荡。随着室外气温的变化,各换热站热负荷同步升高或降低,各换热站之间热负荷分配比例及水流量分配比例基本不变。因此系统一旦调匀,就基本能够保持平衡状态。不需随室外温度变化进行流量调节,阀门动作不频繁。 优点:节省人力,各种运行数据可以实时采集,便于对供热状况进行分析。 缺点:投资昂贵,运行效果受多方面因素影响,从国内实际应用情况看,有成功的,也有不少不成功的。 2.4.3、量化的阻力平衡调节: 量化的阻力平衡调节也可以叫做热源主动变流量调节。和自力式流量控制阀一样,在每个热用户的入口,安装一种自力式阻力平衡阀(后面有专门的介绍),根据每个热用户的计算流量,先进行流量的平衡,在此基础上,再进行各个热用户的阻力平衡,阻力平衡完成之后,我们就能知道每一个热用户环路的阻力系数、压头是多少,富裕压头是多少,循环泵不同流量下每个热用户的实际流量是多少。这种方法吸取了近似阻力调节平衡法和量化流量平衡调节法的优点,弥补了近似阻力平衡调节法和量化流量平衡调节阀的缺点。因为这种方法平衡的目标是各个热用户循环环路的阻力,而热用户的阻力平衡是自动完成的,因此,笔者将其称为自力式阻力平衡调节。 优点:调节过程比近似阻力平衡调节法简单,可以和变速循环水泵实现无缝对接,进行变流量运行,实现最大限度的节能,可以比较准确地计算出热用户的流量、压降、阻力系数的具体数据,便于实现更细致的量化运行管理。 缺点:调节过程比量化流量平衡调节法复杂。 3、初调节方法与运行调节方法的匹配: 一定的水利调节元件可以服务于一定的初调节平衡方法,一定的初调节平衡方法可以应用一定的运行调节方式,这时一连串密切相关的问题,是集中供热工程中必须搞清的基本问题。 3.1、近似阻力平衡法: 近似阻力平衡法可以与运行调节方式中的质调节、量调节、分阶段改变流量的质调节、间歇调节、质量并调相匹配,进行供热系统的调节。适用于规模不大的一次网和二次网系统。 3.2、量化流量平衡调节: 量化流量调节可以与运行调节方式中的质调节、间歇调节相匹配,进行供热系统的调节,不适用于量调节、分阶段改变流量的质调节和质量并调。适用于各种规模的一次网和二次网系统。 3.3、用户主动变流量调节: 用户主动变流量调节属于热计量收费方式下的一种特殊的量调节,它和上述几种运行调节方式都不匹配,它属于用户主动、供热部门被动的变流量调节运行方式。适用于热计量的二次网系统。 3.4、微机自控调节: 微机自控调节可以进行质调节、量调节、分阶段改变流量的质调节、间歇调节、质量并调的运行调节方式,但仅仅适用于一次网系统。 3.5、量化阻力平衡调节: 量化阻力平衡调节可以与运行调节方式中的质调节、量调节、分阶段改变流量的质调节、间歇调节、质量并调相匹配,进行供热系统的调节。可以与变频循环水泵实现完美的配合。适用于各种规模的一次网和二次网系统。 4、自力式阻力平衡阀 近似阻力平衡调节法中采用的平衡阀、调节阀一类调节产品,虽然价格便宜,但对大一些的管网平衡效果很差;量化流量平衡调节法中使用的自力式流量控制阀价格适中,但只适用于定流量质调节运行,不能最大限度的节省循环泵的电能;适用于热计量供热的用户主动变流量调节法中使用的自力式差压控制阀和温控阀,投资过高,不适用于既有的供热建筑;微机自控调节系统,只适用于一次网,同时投资也很高。 在国家大力倡导节能减排的今天,非常需要一种投资不高、节能效果高、平衡效果好的水力调节产品。笔者经过反复研究,终于发明了一种自力式阻力平衡阀,自力式阻力平衡阀具有自力式流量控制阀平衡效果好的优点,同时吸取平衡阀之长补自力式流量控制阀之短,可以实现变流量运行。既适用于一次网,又适用于二次网。 要了解自力式阻力平衡阀,先要明确热网的水力特性。 4.1、热网水力特性公式: 供热系统中热网上各用户之间总体上来讲都是并联的。由并联网路的特性公式: △P=S•V2 △P=S1•V12=S2•V22=S3•V32=… 得并联网路V1:V2:V3…=1/ :1/ :1/ … 式中V1、V2、V3分别表示并联段管1、2、3的流量,m3/h; 式中S1、S2、S3分别表示并联段管1、2、3阻力系数,Pa/(m3/h)。 根据上面的基本公式得出以下结论: 1、对于一个水力元件、管段来讲,只要它的具体结构不发生变化,其所通过的流量的平方和两端的压差呈正比关系。 2、并联管段中各分支管的阻力状况(即阻力系数S值)不变时,即供热系统中各热用户的阻力系数不变时,网路总流量增加多少倍或减少多少倍,并联管段中各分支管段即供热系统中各热用户的流量也相应增加多少倍或减少多少倍。 3、当并联管段中任一分支管段的阻力状况(即阻力系数S值)发生变化时,网路总阻力系数必然随着变化,而且网路总流量在各分支管段中的分配比例也相应地发生变化。 根据上面的公式和结论,可以推导出以下结论: 当热网中某一点的阻力系数发生变化之后,这一点前面的管段(即热用户),流量将呈不等比例的变化;这一点后面的管段(即热用户),流量将呈等比例的变化。 根据供热管网的这些水力特性,当一个供热系统采用质量并调的运行调节方式时,循环水泵的变速运行相当于热网总出口的阻力状况(即阻力系数S值)发生了变化,循环泵出口后面的热用户即全部的热用户,其循环流量将等比例的变化。 热网经初调节达到阻力平衡之后,管网上各支线、各用户阀门不再操作,其开度固定不变(各个热用户环路阻力系数不变),热网总流量再增减变化多少,网上各用户流量也按相同的比例增减变化多少,而不会改变原来的平衡状态。 4.2、自力式阻力平衡阀的工作原理: 该产在保留了自力式流量控制阀的自动调节孔板、压差自动平衡机构、手动调节孔板、压力控制反馈管路、设定流量的刻度标尺等结构基础上,增加了锁定装置和压力检测孔。不使用锁定装置时本阀与自力式流量控制阀功能完全相同——具有恒定流量的功能。在热网初调节阶段,锁定装置完全打开,该阀按自力式流量控制阀的调节方法进行调节,热用户的流量很快达到平衡状态,发挥了自力式流量控制阀在热网平衡控制上的优势。然后启动锁定装置,该阀变成了一个具有变流量性能的平衡阀。由于各个热用户平衡了,循环泵再进行变速时,各用户流量将成等比例的变化,依然保持平衡状态。自力式流量控制阀的定流量和平衡法的变流量,两种功能可以根据具体需要进行转换。测压检测孔用来测量阀的进出口压力,并根据定流量状态下的实际流量,计算出相应状态下的阻力和阻力系数,这个性能对于设计人员进行水力平衡工程设计和运行人员分析运行中的压力、流量、阻力情况提供了简便准确的工具。 举例说明:如上图,在进行阻力平衡的初调节过程中,先关闭锁定机构,使用自力式阻力平衡阀中恒流量功能,将5个热用户的流量按设计流量调节好,此时,5个热用户的流量是平衡的,在此流量状态下的5个热用户环路的阻力(阻力系数S值)也是平衡的。此时,打开自力式阻力平衡阀的锁定装置进行锁定,也就是锁定了的5个热用户在此流量平衡状态下的阻力平衡状态(即5个热用户环路的阻力和阻力系数S值),由于各个热用户的阻力系数处于一个比较精确的平衡状态,那末,当我们改变热网循环泵流量的时候,5个热用户的流量将呈等比例的变化,依然保持平衡状态。 5、结论: 自力式阻力平衡阀既克服了以平衡阀为代表的近似阻力平衡调节法中各种水力调节元件在初调节中热网难于平衡这一劣势;又克服了量化流量平衡调节法中采用自力式流量控制阀调节的热网只能按定流量的质调节方式运行,热网循环泵不能充分节能的劣势。这种以自力式阻力平衡阀为调节工具,以热网的阻力平衡为目标,以既节热又节电的质量并调为运行方式的供热运行系统,在大力建设节能社会的今天,必将得到广泛的应用。