电动调节阀在热力站中的应用

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)宝鸡市热力有限责任公司 作者:黄建春

  阀权度和流通能力是调节阀选择时要关注的主要参数。结合一个具体案例,介绍了电动调节阀的合理选择。针对热力站的分期建设特点,详细介绍了平衡阀的选型。总结了电动调节阀选型时应注意的问题。

1、热力站的运行现状及控制手段

  目前国内供热系统包括一次水系统和二次水系统,都普遍采用大流量小温差的运行方式,实际供水温度比设计供水温度低10~20℃,循环水量增加20%~50%。此种运行状态使循环水泵电耗急剧增加(50%以上)、管网输送能力严重下降、热力站内换热设备数量增加。其原因除受热源的限制不能提高供水温度外,主要是因为管网缺乏必要的控制设备,系统存在水力失调的问题,为保证不利用户供热而采取的措施。因此,应该在供热系统增加控制手段解决水力失调工况后,将供水温度提高到设计温度或接近设计温度,以提高供热系统的输送效率、节约能源,并为用户扩展打下良好基础。

  供热系统的一次系统因通过每个热力站的水量得不到有效控制而造成的水力失调和能源浪费现象很严重。因此应在热力站入口装设流量控制设备以解决一次水系统的水力失调问题。对于定流量质调节运行方式应装设自力式流量限制器,对于变流量调节的系统应装压差控制器或电动调节阀。为了提高热力站的自动化控制水平,越来越多地在热力站一次管网上采用电动调节阀进行供热系统的流量调节。

2、电动调节阀的合理选用

  目前热力站大多采用电动两通调节阀,该阀门具有对数特性。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。具体计算时,液体的Cv值按所选型厂家推荐图表,根据流通能力按调节阀样本选取该Cv值相对应的调节阀口径,初步确定调节阀的公称通径,再计算此时阀门的阀权度,经过校核计算,选择最接近β=0.5的阀门。

  举例如下。设计数据:系统流量80m3/h,系统压降55kPa,图1为调节阀的流量与压力关系图,图中水平线A-A表示流量为80m3/h,垂直线B-B表示压降为55kPa。

电动两通调节阀的流量与压力关系

图1 电动两通调节阀的流量与压力关系

  根据图1,A-A水平线与诸多的Cv斜线及垂直线B-B相交,找到与B-B线的相交点C,可以看到距C点最近的D,E两点,此两点分别是A-A线与Cv145线、Cv100线的交点,则对这两个Cv值进行验证,以进一步确定最优的选择。D,E点处所对应压降为此工况下使用该阀门时的压降,查图1可知,分别为26kPa和60kPa

  对于Cv=100m3/h的阀门,此时的压降为60kPa,计算可得,阀权度β=60kPa/(60kPa+55kPa)=0.522。

  对于Cv=145m3/h的阀门,压降为26kPa,计算可得阀权度β=26kPa/(26kPa+55kPa)=0.321。

  由上述计算可看出Cv=100m3/h阀门的阀权度最接近0.5的理想状态,因此,对于设计流量80m3/h,压降55kPa的管道来说,安装Cv=100m3/h的阀门较合理,再根据选型样本可以确定选用DN80的电动调节阀。

  根据不同的形式和规模,热力站大致可以分为以下几种情况:

  1)热力站的初期供热规模等于或接近设计容量,这种情况下电动调节阀比较容易选择,可以根据热力站运行设计流量、压降,通过上述计算方法进行计算选择。根据计算结果可推算出,设计流量为选定调节阀全开流量的70%~80%,则可直接将设计流量作为电动调节阀开度80%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。

  2)热力站的初期供热规模小于设计容量,但大于设计容量的50%,这种情况可以根据热力站的运行参数,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电动阀选型手册,以电动阀的最佳开度30%~80%为原则进行选型,如果最大和最小流量能够同时在1台电动阀的调节范围内,则可确定该电动阀适合该热力站的运行要求;如果最大和最小流量不同时在1台电动阀调节范围内,且偏差不大,则可以终期流量为准,选择稍大的电动阀,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)热力站的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台电动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,根据电动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,可另行选择电动调节阀,此时以最终的供热规模即设计容量为计算依据,选取适用的电动调节阀。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电动调节阀并联,各分担一部分流量的调节功能(如图2所示),这样既可满足初期的小流量调节要求,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。

电动调节阀并联安装示意图

图2 电动调节阀并联安装示意图1

  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电动调节阀最小经济流量的依据,选出适合的电动调节阀,再根据所选择电动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电动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,电动调节阀两侧的压差没有太大变化,即阀权度没有多少变化,此时的电动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热力站设计,由于大管径电动调节阀可选择性较小且价格比小管径电动调节阀有大幅提升,从经济性方面考虑,这种并联的方案可解决此类问题。

  举例说明:某热力站初期供热设计流量60m3/h,终期供热设计流量300m3/h,该站初期-终期设计流量差距很大,为了解决这种情况下的电动调节阀选型问题,可以先将初期设计流量60m3/h作为可选电动调节阀调节开度30%对应的流量,选出电动调节阀的Cv值,为180m3/h,再对比选型样本确定选用Cv=220m3/h的DN125电动调节阀,这样,选择的电动调节阀就可调节180m3/h的流量,其余120m3/h流量通过选择合适的平衡阀来进行调节,由于电动调节阀有可能发生故障,此时管道内流量全部需要通过平衡阀进行调节,因此平衡阀可比所选调节流量稍大。

  根据平衡阀的选型计算,求得全压降值Δp

Δp=0.5ζρυ2 (1)

  式中 ζ为平衡阀全开时的局部阻力系数,可取10~15;ρ为流体密度;υ为管道内的设计流速。

  设计流速υ≥0.7m/s,按式(1)可求得Δp=2.45kPa。当计算出的Δp≥2kPa时,说明此工况适合选择使用该阀门,再将确定的流量与选型样本对照即可得出选择DN125的平衡阀是合理经济的,这样就完成了两条并联线路阀门的选择。

  另外,从压差角度考量阀权度的变化:如图2所示,设主管网供回水设计压差为400kPa,所选电动调节阀在设计流量下的全开阀端压差为60kPa,单独使用该电动调节阀的情况下,阀权度β=60kPa/400kPa=0.15,显然过小,阀门的调节性能很差,此时可采用在并联前串联平衡阀的连接方式,来解决管路压差过高,调节阀调节性能变差的问题。如图3所示,在主管路上电动调节阀前端增加平衡阀,使其克服多余的资用压头,剩下的资用压头由电动调节阀克服,目的是使电动调节阀的阀端设计压差与工作压差之比尽量接近0.5,以改善调节阀的调节性能。若以上述为例,选同一口径的平衡阀与调节阀串联,关小该平衡阀,使其克服250kPa的资用压头,则剩下150kPa资用压头由电动调节阀克服,此时电动调节阀的阀权度β=60kPa/150kPa=0.4,调节性能明显得到了改善,且接近理想调节状态。通过此种串联安装方式,电动调节阀的调节性能提高了,但由于串联并关小了该平衡阀,则该管路的流量也相应减少了,那么并联线路中平衡阀的选择就要作相应调整,以适应调节流量的变化,方法同上。

电动调节阀并联安装示意图

图3 电动调节阀并联安装示意图2

  如图2所示,将电动调节阀和平衡阀两路并联,联合调节是目前常用的既经济又合理且方便使用的组合方式。该方法的调节方法和过程是这样的:在供热初期,将平衡阀一路关闭,打开电动调节阀一路,根据实际需要调节开度,随着供热规模的扩大,调节电动阀的开度以适应用热的发展,直至达到最大合理开度仍无法满足要求时,先关闭电动调节阀,将平衡阀一路开启,根据需要调节平衡阀的开度,由于平衡阀的调节功能有限,如果无法满足流量要求或精度要求,此时开启电动调节阀,对两路流量进行合理分配和调节,即可达到需要的流量和精度要求。调节是个精细的工作,既需要操作人员的技术水平和经验,又需要准确的供热数据作为调节的基础,因此要将此项工作做好,还需要做大量的准备和调节工作。

  此方法也可以推广至前两种情况下使用,可以大大减小电动调节阀的口径,节约初投资。由于此方法的诸多优点,已越来越多地应用在热力站的自动控制中,大大提高了热力站的自动控制水平和安全性。

3、选型应注意的问题

  由于不同换热站所处系统位置不同,对于整个系统来说,每个热力站一级管道进出口的压差也是有区别的(如图4所示),靠近热源前端A点的管道进出口的压差相对较大,安装的调节阀阀端压差Δpa也较大;系统末端B点的管道进出口压差就偏小,安装的调节阀阀端压差Δpb也小,管道内的不同压差对电动调节阀的选型有很大影响,因此初步选型确定电动调节阀型号后,应对整个系统进行相应的水力计算,尤其应对热力站一次管网进出口处的压差进行详细计算,以校核该选定电动调节阀的阀端压差。在电动调节阀的选型样本中,电动调节阀有一个出厂时设定的最佳阀端压差值,要将计算出的一次管网进出口处压差与阀门推荐压差进行对比,确保不超过阀门的最大关闭压差,以选择最适合的电动调节阀。电动调节阀有一个优点就是针对不同的压差条件可以选择不同驱动器来满足最大的管网压差要求。

调节阀工作压差与管道实际压力关系示意图

图4 调节阀工作压差与管道实际压力关系示意图

  在系统前端,热力站一次管网进出口压差较大时,为了减小该处的进出口压差,需采取一些相应的技术手段,比如安装压差控制器或节流孔板等设备,也可采用图3中串联平衡阀的方法来减小电动调节阀的压差,具体选型方法如前所述;在系统末端,由于前端一次管网管段过长,阻力消耗过大,且存在前端热力站流量分配不均,压降过大,造成一次网末端压差太小,也可考虑在适当位置增加中继泵站,以增加后端管道内流体压差,满足调节阀的压差需求。以上各种措施需要根据不同情况进行计算后装设。通过这些技术手段就可以避免由于近端电动调节阀失调,流量超量;系统末端热用户的供回水资用压头过小(不再依设计水压图运行),即使调节阀全开,也达不到设计流量,会产生冷热不均的现象。正确选择、安装电动调节阀,对于整个一次网系统的安全运行、精确调节都能起到较好的作用。

  另外,为了节约投资,在系统最末端的换热站可以不设置电动调节阀,只需将前端的调节阀进行合理设置和调节,给末端留有足够的压头和流量即可满足设计和使用要求。

  电动调节阀在实际应用当中还存在着诸多的不确定因素和不可控环节,制约着调节的精度,尤其是运行初期,整个系统还未稳定,不能着急调节电动调节阀,需等整体的流量、温度稳定后,注意进行调节并观测效果,要先根据经验进行粗调,再由系统前端至后端逐一微调,直至各换热站流量分配相对均匀、平衡。

4、结语

  在换热站安装电动调节阀,是非常必要且切实可行的调节手段,正确选型、合理布置并准确调节后,可基本解决一次网管道的水力失调问题,从而大量节约能源,改变目前的大流量小温差的浪费现象,节电和节能效果显著,值得推广应用。

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