电动调节阀在热力站中的应用

 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。

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。

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。