自力式調(diào)節(jié)閥適用工況分析

                          自力式調(diào)節(jié)閥適用工況分析


摘要  


    介紹了ZL47型自力式流量控制閥和ZY47型自力式壓差控制閥的結(jié)構(gòu)和工作原理。分析歸納了自力式流量控制閥與自力式壓差控制閥的適用條件，其中也涉及自力式調(diào)節(jié)閥與電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、平衡閥的配合使用問題。


1 引言      


  自力式調(diào)節(jié)閥是一個(gè)新的自力式調(diào)節(jié)閥種類。相對于手動(dòng)調(diào)節(jié)閥，它的優(yōu)點(diǎn)是能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)；相對于電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，它的優(yōu)點(diǎn)是不需要外部動(dòng)力。應(yīng)用實(shí)踐證明，在閉式水循環(huán)系統(tǒng)（如熱水供暖系統(tǒng)、空調(diào)冷凍水系統(tǒng)）中，正確使用這種閥門，可以很方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的流量分配；可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡；可以大大簡化系統(tǒng)的調(diào)試工作；可以穩(wěn)定泵的工作狀態(tài)等。因此，自力式調(diào)節(jié)閥在供熱空調(diào)工程中有著廣闊的應(yīng)用前景。由于這種閥門在我國出現(xiàn)時(shí)間不長，所以對其適用條件還研究不夠，本文試作一些分析，算作參加對這個(gè)問題的討論。    按照自力式調(diào)節(jié)閥的控制參量可以分為四類：①控制網(wǎng)路中某個(gè)部分的流量；②控制網(wǎng)路中某個(gè)部分的壓差；③控制熱交換裝置的出水溫度；④控制供暖或空調(diào)房間的溫度。本文以前兩種自力式調(diào)節(jié)閥為討論對象。    


2 驗(yàn)自力式調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)和工作原理      


2．1 自力式流量控制閥    


自力式流量控制閥的作用是在閥的進(jìn)出口壓差變化的情況下，維持通過閥門的流量恒定，從而維持與之串聯(lián)的被控對象（如一個(gè)環(huán)路、一個(gè)用戶、一臺設(shè)備等，下同）的流量恒定。自力式流量控制閥的名稱較多，如自力式流量平衡閥、定流量閥、自平衡閥、動(dòng)態(tài)流量簡稱閥等。
各種類型的自力式流量控制閥，結(jié)構(gòu)各有相異，但工作原理相似。這里以ZL47型自力式流量控制閥為例，介紹其結(jié)構(gòu)和工作原理。ZL47型自力式流量控制閥從結(jié)構(gòu)上說，是一個(gè)雙閥組合，即由一個(gè)手動(dòng)調(diào)節(jié)閥組和自動(dòng)平衡閥組組成，如圖1所示。手動(dòng)調(diào)節(jié)閥組的作用于設(shè)定流量，自動(dòng)平衡閥的作用是維持流量恒定。   對于手動(dòng)調(diào)節(jié)閥組來說，流量 ，式中KV為手動(dòng)調(diào)節(jié)閥閥口的流量系數(shù)，
P2-P3為手動(dòng)調(diào)節(jié)閥閥口兩側(cè)的壓差。KV的大小取決于開度，開度固定，KV即為常數(shù)，那么只要不變，則流量G不變。而P2-P3的恒定是由自動(dòng)平衡閥組控制的。比如進(jìn)出口壓差P1-P3增大，則通過感壓膜和彈簧的作用使自動(dòng)平衡閥組關(guān)小，使P1-P2增大，從而維持P2-P3的恒定；
反之P1-P3減小，則自動(dòng)平衡閥組開大，使P1-P2減小，維持P2-P3的恒定。 
  上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導(dǎo)式減壓閥,空氣減壓閥,氮?dú)鉁p壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調(diào)節(jié)閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動(dòng)閥門、電動(dòng)閥門、高壓閥門、中壓閥門、低壓閥門、水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。手動(dòng)調(diào)節(jié)閥組的每一個(gè)開度對應(yīng)一個(gè)流量，開度和流量的關(guān)系由試驗(yàn)臺試驗(yàn)標(biāo)定，并配有
開度的顯示和鎖定裝置。 
   
  2．2 自力式壓差控制閥 
  自力式壓差控制閥的作用是維持施加在被控對象上的壓差恒定。這里介紹ZY47型自力式
壓差控制閥的結(jié)構(gòu)和工作原理。 
  ZY47型自力式壓差控制閥按照安裝在供水管還是回水管上，分為供水式結(jié)構(gòu)和回水式結(jié)構(gòu)，二者不可互換使用。這種閥門由閥體、雙節(jié)流閥座、閥瓣、感壓膜、彈簧及壓差調(diào)整裝置
組成。圖2a為回水式結(jié)構(gòu)示意圖，圖2b為其安裝位置示意圖。當(dāng)網(wǎng)路的供回水壓差P1-P3增大，則感壓膜帶動(dòng)閥瓣下移，使得P2-P3增大，從而維持P1-P2（施加于被控環(huán)路的壓差）恒定；反之，P1-P3減小，則閥瓣上移，P2-P3減小，使P1-P2不變。   若P1-P3不變，而圖2b所示的環(huán)路內(nèi)部阻力發(fā)生變化，比如某一支路判斷，則環(huán)路的總阻力增大，在這個(gè)瞬間P2減小， P1-P2增大；但隨之感壓膜的受力平衡被打破，閥瓣下移，壓差控制閥的阻力增大，而使P2又回升到原來的大小，即P1-P2不 變。可見，無論是網(wǎng)路壓力出現(xiàn)波動(dòng)，還是被控對象內(nèi)部阻力發(fā)生變化，自力式壓差控制閥均可維持施加于被控對象的壓差恒定。


3 系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)方式與自力式調(diào)節(jié)閥的選擇    
  （1）當(dāng)系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)采用熱源主動(dòng)進(jìn)行的集中量調(diào)節(jié)（比如隨室外溫度的變化而改變流量）時(shí)，不能采用自力式調(diào)節(jié)閥。因?yàn)檫@種調(diào)節(jié)是通過改變水量實(shí)現(xiàn)的，因而調(diào)節(jié)時(shí)改變了系統(tǒng)的水力工況，所以若采用自力式調(diào)節(jié)閥，勢必造成有的閥能正常工作，但被控對象流量過大（超過此時(shí)的熱負(fù)荷所對應(yīng)的流量），有的閥全開仍達(dá)不到流量要求，有的閥因兩端壓差達(dá)不到啟動(dòng)壓差而不能正常工作，即再現(xiàn)流量分配的混亂。顯然，由于自力式調(diào)節(jié)閥的存在而造成了系統(tǒng)集中調(diào)節(jié)的不能實(shí)現(xiàn)。  這里若采用手動(dòng)調(diào)節(jié)閥（比如平衡閥），則系統(tǒng)總流量增減時(shí)，各支路、各用戶的流量可以同比例增減，即系統(tǒng)的集中調(diào)節(jié)可以傳達(dá)至每一個(gè)末端裝置。  


 （2）當(dāng)系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)為抽調(diào)節(jié)時(shí)，可以采用自力式流量控制代和自力式壓差控制閥，因?yàn)檫@種調(diào)節(jié)方式只改變供水溫度，而與系統(tǒng)的水力工況無關(guān)，即在不改變系統(tǒng)的水力工況的情況下，把調(diào)節(jié)傳達(dá)到每個(gè)用戶和設(shè)備，采用自力式流量控制閥，可以吸收網(wǎng)路的壓力波動(dòng)，維持被控負(fù)荷載的流量恒定。采用自力式壓差控制閥可以吸收網(wǎng)路的壓力波動(dòng)，以及克服內(nèi)擾（被控環(huán)路內(nèi)部的阻力變化），以維持施加于被控環(huán)路上的壓差恒定。  


 （3）當(dāng)系統(tǒng)采用分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)時(shí)，雖然每個(gè)階段流量不變，但若采用自力式調(diào)節(jié)閥，每個(gè)流量階段要對控制流量或控制壓差進(jìn)行設(shè)定，給運(yùn)行管理帶來很大不便，所以不宜采用。    


4 點(diǎn)被控對象的內(nèi)部調(diào)節(jié)與自力式調(diào)節(jié)閥的選擇      


4．1 有內(nèi)部調(diào)節(jié)  


 如圖3所示，在一個(gè)環(huán)路入口處裝設(shè)自力式流量控制閥，則環(huán)路流量恒定，那么環(huán)路中的一個(gè)支路進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)量必然全部轉(zhuǎn)移到其他支路上去。比如支路2關(guān)閉，則支路1和支路3的流量增大，兩支路的流量增量即原支路2的流量。顯然，裝設(shè)自力式流量控制閥使各支路間出現(xiàn)較大的調(diào)節(jié)干擾；環(huán)路的水力穩(wěn)定性很差。               
                       圖3 自力式壓差控制閥與電動(dòng)二通閥的配合使用  


 而若如圖2b所示，在環(huán)路入口處裝設(shè)自力式壓差控制閥，由于可以保持環(huán)路的壓差（即P1-P2）恒定，將大大減弱各支路間的調(diào)節(jié)干擾。如果環(huán)路中干管的阻力相對于支路的阻力可以略不計(jì)，則可把干管視為靜壓箱，各支路的調(diào)節(jié)互不干擾，即一個(gè)支路的流量調(diào)節(jié)對另外支路的流量不產(chǎn)生影響。實(shí)際上，由于干管阻力的存在，例得各支路間的調(diào)節(jié)干擾不可避免，比如一個(gè)支路關(guān)小，其它支路的流量均將程度不同的有所增加。但在設(shè)計(jì)合理的情況下一步，這種干擾是微弱的。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)對于被控環(huán)路的干管采用相對較大的管徑，且在干管上不再裝設(shè)其它閥門盡可能減小干管的阻力，可以使各支路間的調(diào)節(jié)干所降到低程度，使環(huán)路具有較好的水力穩(wěn)定性。    對于分戶熱計(jì)量的供暖系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)用熱調(diào)節(jié)的自主性，而又必須從設(shè)計(jì)上考慮盡可能減輕各用戶是的調(diào)節(jié)干擾，所以家采用自力式壓差控制閥。    


  4．2 無內(nèi)部調(diào)節(jié)  


 在被控制對象無內(nèi)部調(diào)節(jié)時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部阻力不變，所以壓差恒定必然流量恒定，因而裝設(shè)自力式壓差控制閥和裝設(shè)自力式流量控制閥，具有同樣的效果，都可以起到吸收網(wǎng)路的壓力波動(dòng)，保持被控對象流量恒定的作用。這種情況下，二者可以互換。對于采用集中質(zhì)調(diào)節(jié)的供暖系統(tǒng)，一個(gè)支路上連接多個(gè)用戶，無疑在支路入口處可以裝設(shè)
自力式壓差控制閥。但如果各用戶的調(diào)節(jié)是不經(jīng)常的、無規(guī)律的以及相對于支路的總流量來說調(diào)節(jié)所產(chǎn)生的影響是輕微的，則也可以把支路的流量視為恒定，采用自力式流量控制閥。   對于二者均可采用的場合，采用為自力式流量控制閥，因?yàn)榱髁靠刂崎y可以直接設(shè)定和顯示流量，且無需連接導(dǎo)壓 管。


5 自力式壓差控制閥與電動(dòng)二通調(diào)節(jié)閥的配合使用    
  電動(dòng)二通調(diào)節(jié)閥的選型應(yīng)遵循兩個(gè)原則：①系統(tǒng)為設(shè)計(jì)工況時(shí)，閥門全開的流量稍大于設(shè)計(jì)流量（有的文獻(xiàn)[1]認(rèn)為應(yīng)在開度90%時(shí)為設(shè)計(jì)流量）；②閥權(quán)度足夠大，文獻(xiàn)（1）認(rèn)為不能小于0.3，文獻(xiàn)（2）認(rèn)為不能小于0.5。對于第①個(gè)條件往往難以滿足，因?yàn)橥环N電動(dòng)閥相鄰兩種口徑的流通能力（即全開時(shí)的流量系數(shù)）大約相關(guān)60%，所以往往找不到流通能力恰好符合要求的口徑，而只好選偏大的口徑。那么對于口徑偏大的電動(dòng)閥，一是可能造成較多的時(shí)間閥在較小開度甚至接近于關(guān)閉的狀態(tài)下工作，使閥的控制不穩(wěn)定和不；二是全開狀態(tài)不可避免（比如系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，以及大的擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)），而全開將使被控環(huán)路出現(xiàn)過流，同時(shí)使其他環(huán)路流量不足。 
  對于這種情況，一個(gè)簡單的解決辦法是與電動(dòng)閥串聯(lián)一個(gè)平衡閥，消耗一部分壓差，從而使電動(dòng)閥在接近全開時(shí)流量為設(shè)計(jì)流量。但這樣處理又可能使閥權(quán)度過小，即不符合第②個(gè)要求。如圖4a所示，負(fù)載（可以是一個(gè)環(huán)路，一個(gè)用戶，一臺設(shè)備等）入口壓差為80Kpa，設(shè)計(jì)流量為8.5T/h，設(shè)計(jì)工況下負(fù)荷的阻力損失為40Kpa。則所選電動(dòng)閥在設(shè)計(jì)工況下的壓降應(yīng)為40 Kpa，流通能力應(yīng)為 
    
 
                  圖4 自力式壓差控制閥與電動(dòng)二通閥的配合使用    
             
   
  根據(jù)文獻(xiàn)[1]中給出的ZAP型電動(dòng)閥的參數(shù)表，ZAP-32B的流通能力為12，ZAP-40B的流通能力為20，所以只能選ZAP-40B，流量特性按線性考慮，則設(shè)計(jì)流量對應(yīng)的開度只有68%。如圖4b所示，串聯(lián)一個(gè)平衡閥，使二通電動(dòng)閥在全開時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)流量（為了分析和計(jì)算的方便，這里姑且以全開時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)流量考慮），則由 
可算得，此時(shí)電動(dòng)閥門壓降為ΔP=18Kpa，平衡閥的壓降為80-40-18=28 Kpa，電動(dòng)閥的閥權(quán)度為 顯然閥權(quán)度太小。閥權(quán)度過小將導(dǎo)致閥工作時(shí)的壓差變動(dòng)范圍較大，閥的工作特性嚴(yán)重偏離理論特性，使控制的度變差。此時(shí)可如圖4c所示，與電動(dòng)閥串聯(lián)裝設(shè)一個(gè)自力式壓差控制閥（此圖是ZY47型壓差控制閥供水式結(jié)構(gòu)的連接方法）。壓差控制閥既可以代替平衡閥的作用，使電動(dòng)閥在接近全開時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)流量，又可以保證電動(dòng)閥上的壓恒定，即閥權(quán)度接近于1，閥的工作特性與理論特性基本吻合，使電動(dòng)閥工作穩(wěn)定，控制。本例中仍按電動(dòng)閥全開達(dá)到設(shè)計(jì)流量考慮，電動(dòng)閥的設(shè)定壓差應(yīng)為18 Kpa。壓差控制閥可以保證電動(dòng)閥始終在這個(gè)壓差下工作，剩余壓差、網(wǎng)絡(luò)的壓力波動(dòng)及負(fù)載的壓和變化，均由壓差控制閥吸收。


6 平衡閥與自力式調(diào)節(jié)閥的配合使用      


一般而言，裝設(shè)了自力式調(diào)節(jié)閥的地方，不需再裝設(shè)手動(dòng)平衡閥，但在如下兩種情況可以考慮二者串聯(lián)裝設(shè)，配合使用。  


（1）每一種自力式調(diào)節(jié)閥都有其可以正常工作的壓差范圍，超出這個(gè)范圍，就不能很好發(fā)揮應(yīng)有的功能，甚至不能工作所以當(dāng)作用于自力式調(diào)節(jié)閥的壓差過大時(shí)，可串聯(lián)一個(gè)平衡閥，吸收一部分壓差，以保障自力式調(diào)節(jié)閥的正常工作。    


（2）手動(dòng)平衡閥一個(gè)很重要的功能就是可以進(jìn)行流量的測定（實(shí)際上是測壓差結(jié)合閥的特性算流量），所以手動(dòng)平衡閥可以說是一個(gè)"診斷"工具。因而對流量的程度要求較高的系統(tǒng)，為了監(jiān)測被控對象的流量，監(jiān)測自力式調(diào)節(jié)閥的工作是否正常，從而做出相應(yīng)的調(diào)整，可以與自力式調(diào)節(jié)閥串聯(lián)一個(gè)平衡閥。并且，平衡閥的判斷和泄水功能也是自力式調(diào)節(jié)閥所不具有的。  


 7 結(jié)論      


（1）對于質(zhì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)可根據(jù)恒定流量和恒定壓差的需要，選用自力式流量控制閥和自力式壓差控制閥。  


 （2）對于熱源處主動(dòng)進(jìn)行集中量調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，因運(yùn)行調(diào)節(jié)時(shí)改變了系統(tǒng)的水力式工況，所以不能采用自力式調(diào)節(jié)閥。這時(shí)，若采用手動(dòng)平衡閥，系統(tǒng)總流量變化時(shí)，各支路、各用戶、各末端裝置的流量同比例變化，即系統(tǒng)的集中調(diào)節(jié)可以傳達(dá)至每一個(gè)末端裝置。    


（3）當(dāng)被控對象有內(nèi)部調(diào)節(jié)時(shí)，裝設(shè)自力式流量控制閥，將使被控對象內(nèi)部的各支路間出現(xiàn)較大的調(diào)節(jié)干擾。而裝設(shè)自力式壓差控制閥，既可吸收網(wǎng)路的壓力波動(dòng)、又可以使被控對象內(nèi)部各支路音質(zhì)調(diào)節(jié)干擾大大減弱。因而被控對象有內(nèi)部調(diào)節(jié)時(shí)，可裝設(shè)自力式壓差控制閥，不可裝設(shè)自力式流量控制閥。對于分戶熱計(jì)量的持調(diào)節(jié)供暖系統(tǒng)，在一個(gè)向多戶供暖的支路入口處，宜裝設(shè)自力式壓差控制閥。    


（4）被控對象無內(nèi)部調(diào)節(jié)時(shí)，裝設(shè)自力式流量控制閥和自力式壓差控制閥，具有相同的效果，二者可以互換。當(dāng)二者均可采用時(shí)，采用自力式流量控制閥。    


（5）自力式壓差控制閥可與電動(dòng)閥配合使用，以維持電動(dòng)閥上的壓差恒定，從而使電動(dòng)閥工作穩(wěn)定，控制。  


 （6）有時(shí)平衡閥與自力式調(diào)節(jié)閥可串聯(lián)裝設(shè)，配合使用。  本文相關(guān)的論文有：中國閥門產(chǎn)值遞增      


參考文獻(xiàn)       1．施俊良，調(diào)節(jié)閥的選擇，中國建筑工業(yè)出版社，1986  


 2． Robert·Petitjean等著，郎四維，馮鐵栓譯，水力管網(wǎng)全面平衡技術(shù)，中國建筑工業(yè)出版社