正确选择流量调节阀是实现供热系统流量平衡的关键

1正确选择流量调节阀是实现供热系统流量平衡的关键清华大学石兆玉摘要：供热系统出现水力失调、冷热不均现象，其中一个重要原因是流量调节阀选择不当。本文就各种流量调节阀的调节特性、阀权度和流量调节阀的正确选择、应用进行了阐述并提出了相关建议。关键词：供热系统、流量调节阀、调节特性、阀权度0．前言改革、开放以来，在供热行业，应用进口的或国内仿制的、自制的各种流量调节阀，进行供热系统的水力平衡，已成共识，为提高管理运行水平，改善供热效果，发挥了重要作用。但在实际工程中，也出现了一些效果并不理想的案例。咎其原因，除产品质量不合格、系统水质差等因素外，还有一个重要原因，是对流量调节阀的选用不当。而对后一个原因，至今在国内，从设计部门、生产厂家到管理运行单位，都没有引起足够的重视。这一切，主要是因为对流量调节阀的调节特性，缺乏深入了解。在当前，为了大力促进建筑节能，克服粗放式经营，实现节约型的供热行业，非常有必要对各种流量调节阀的调节特性做深入分析，以期达到正确选用的目的。1．调节阀的调节特性1.1调节阀的理想调节特性调节阀的理想调节特性，是指阀门前后压差固定时，调节阀相对流量G与相对开度L之间的关系，用公式表示即：)(maxmaxLLfGGG（1）式中，G—相对流量；G，Gmax—任意开度下的流量，全开时的最大流量；L，Lmax—任意开度，全开时最大开度。阀门前后的固定压差一般取1bar（即105pa或10m水柱），此时（1）式即表示阀门的相对流量G只是阀门相对开度的单值函数，而不考虑压差的影响，这种调节特性能很好反映各种阀门固有的调节功能，因此，通常用阀门的理想调节特性来划分阀门调节功能的好坏。阀门的理想调节特性也称为阀门的固有调节特性。2根据理想调节特性，阀门主要可以分为三种类型：①线性特性，②等百分比特性③快开特性，如图1所示：曲线①为线性特性，表明相对流量G与相对开度L成线性（直线）关系，可由公式（2）表示[1]：])1(1[1maxmaxLLRRGGG（2）式中，R称为可调比，表示最大流量Gmax与最小调节流量Gmin之比，即minmaxGGR，其中Gmin值是阀门即将全关时的流量，一般为最大流量（全开时）的2~4%，而不是阀门全关时的泄露量，后者通常仅为最大流量的0.1~0.01%。从曲线①和公式（2）可知，具有线性特性的阀门，其特点是流量增加的百分比和阀门开度增加的百分比相同：当阀门开度从50%开大到60%时，流量也从50%增加到60%。这种阀门的调节特点，是在小开度下流量的变化量大；在大开度下，流量的变化量小。若以dG表示流量的变化量，则不同开度下的调节值不同：%100%1001010202010dG%20%1005050606050dG%5.12%1008080909080dG从中看出：在阀门开度调节量相同的情况下，阀门开度愈小时，流量变化量愈大；阀门开度愈大时，流量变化量愈小。对于换热设备，常常是在相对流量较小时，换热量变化大；大的相对流量时，换热量反而变化小。从供热效果考虑，理想的调节方案，应该是在较小的相对开度下，相对流量的变化量也小，此时供热量的调节灵敏度才高。因此，线性调节特性的阀门，其调节特性并不是最好的。曲线②称为等百分比调节特性，其相对流量G与相对开度L之间的关系，由公式（3）[1]表示：)1(maxmaxLLRGG（3）这种调节性能的调节阀，其特点是流量的变化量和相对开度的变化量成直线关系。调节阀开度从10%开到20%时，相对流量从2.96%增加到4.37%；开度从50%增大到60%时，相对流量从14.1%加大到20.9%；开度从80%变为90%，相对流量从45.7%变为67.6%……，不管调节阀在什么开度下，开度每增大10%时，流量的增加量都是调节前的47.9%左右。这种调节阀，在小开度下，流量绝对变化量小；在大开度下，流量的绝对变化量大，从而提高了换热设备换热量的调节灵敏度。因此，等百分比的调节特性优于线性调节特性。3%6.47%10096.296.237.42010dG%2.48%1001.141.149.206050dG%9.47%1007.457.456.679080dG曲线③为快开调节特性，该曲线为向上凸起的一条曲线。当阀门开度较小时（只开几圈），流量已接近最大值。这种阀门，由于调节特性差，一般只能做关断阀门，不能做调节阀。工程中常采用的闸阀、截止阀、球阀、锁闭阀，都属于快开特性，只能起关断作用。只有线性特性和等百分比特性的阀门，才能称为调节阀。工程中采用的蝶阀，接近线性特性，各种平衡阀，接近等百分比特性。100908070402060500103090相对流量G%20103040705060803相对开度L%12100图1调节阀理想调节特性曲线1.2工作调节特性研究阀门的理想调节特性，是为了判断阀门是否具有流量的调节功能。因此，厂家生产的调节阀，必须在标定的实验台上，进行理想调节特性曲线的标定，并如实在产品样本上，加以展示，以供设计人员和运行人员选择。但是理想调节特性，反映的是阀门固有的调节功能，是在阀门前后压差固定为1bar（10m水柱）的情况下测试的结果。在实际工程中，几乎所有的调节阀，都不可能只在压差为1bar的情况下运行。因此，除了研究调节阀的理想调节特性外，还必须研究调节阀的前后压差不为1bar时的调节性能，此时称为调节阀的工作调节特性。从某种意义上说，研究调节阀的工作调节特性，对指导工程实践，更具有实际意义。调节阀属于孔口节流装置。根据孔口节流原理，对于热媒为水的调节阀，流量G与压差ΔP可由公式（4）[2]表示：PAG（4）式中，A—调节阀的流通截面；—流量相关系数，为常数，主要决定于孔口节流的结构，由实验求出。写成相对流量G与相对流通截面A的形式，则有：1．线性特性2．等百分比特性3．快开特性400maxmaxPPAPPAAGGG（5）式中，maxA—调节阀全开时的流通截面；ΔP0—调节阀全开时阀前后压差。在理想流量调节特性下，调节阀任意开度下的阀端压差ΔP=ΔP0=1bar，此时有AG。根据（2）、（3）式，和AG的关系，可直接求出线性调节阀和等百分比调节阀中相对开度L（可视为相对圈数或相对阀杆行程）与相对流通面积A的关系，见表1所示：表1调节阀相对开度L与相对流量通截面A关系相对开度调节L（%）阀种类0.0010.020.00.040.050.060.070.080.090.0100.0相对流通截面A（%）线性特性0.00(3.3)13.022.732.342.051.761.371.080.690.4100等百分比特性0.0(2.0)2.964.376.59.614.120.930.945.767.6100在表1中，当相对开度L=0%时，给出了二个相对流通截面A的数值：数值为0%，表示调节阀全关死；数值不为0时，表示调节阀的最小相对流通截面maxminminAAA，即最小调节范围下的相对流通截面，此时调节阀处于将关将开的状态，流量处于最小调节流量值Gmin。对于线性调节特性阀门%3.3301maxminminAAA；对于等百分比特性阀门，%2501maxminminAAA。在一个简单的水系统中，假设系统阻力全部由调节阀承担，忽略系统中管道和其他设备的阻力；并设调节阀全开时，阀的前后压差为1bar（亦即循环水泵此时的扬程为1bar），逐渐关小调节阀，当调节阀全关时，阀前后压差为2bar（循环水泵此时扬程为2bar）；又近似认为阀门关小与压差增大呈线性反比关系，则可通过表1的数据，计算出当调节阀前后压差不为1bar时，相对开度L与相对流量G之间的关系，见表2、图2所示：5表2调节阀的工作调节特性调节阀相对开度L（%）0.010.020.030.040.050.060.070.080.090.0100.0调节阀前后压差(bar)2.01.91.81.71.61.51.41.31.21.11.0相对流量G（%）线性特性理想特性0.0(3.3)13.022.732.342.051.761.371.080.690.4100.0工作特性0.0(4.7)17.930.542.153.063.372.581.088.094.0100.0等百分比特性理想特性0.0(2.0)2.964.376.59.614.120.930.945.767.6100.0工作特性0.0(2.8)4.15.98.512.117.324.735.250.171.0100.0100908070402060500103090相对流量G%2010304070506080相对开度L%1210021图2调节阀工作调节特性从表2、图2可知：在调节阀全开时，阀前后压差为1bar，此时调节阀通过的流量与理想调节特性的数值相同；当调节阀逐渐关小时，由于系统阻力特性曲线的向左移动（阻力增大），循环水泵的工作点也向左漂移，调节阀前后压差逐渐增大（大于1bar），与理想调节特性曲线相比，在相同的相对开度下：流量都有所增大，从调节功能上考察，调节特性变坏了：线性调节特性趋向于快开特性；等百分比特性，趋向于线性特性。这是调节阀的工作调节特性与理想调节特性最大的区别。2．阀权度2.1基本定义为了更深入讨论在工作条件下调节阀调节特性变坏的情形，常引入阀权度的概念[3]、[4]。图3给出了系统支线中各设备的压降分布：ΔP0表示调节阀全开时，流量为设计流量下的两端压降，亦为调节过程最小压降；当调节阀全关时，流量变为0，此时系统支线中其他设备（含用热设备、其他阀门）管道的压降皆为0，系统支线压降达最大值ΔPmax，且全部由调节阀承担。定义调节阀在系统调节过程中的最小压降与最大压降的比值为阀权度，由公式（6）表示：1’线性特性在工作调节下的调节特性2’等百分比特性在工作调节下的调节特性6max0PP（6）引入阀权度的概念，公式（5）变为：AG（7）供水回水321P0Pmax1—调节阀2—其他阀3—用热设备图3调节阀在系统中的压降分布从（7）式可以看出：当阀权度β=1时，即当调节阀上的压降等于系统支线全部压降时，调节阀的相对流量等于理想调节特性下的数值，即调节阀此时的工作调节特性等于理想调节特性。当调节阀从全开状态逐渐关小时，其两端压降逐渐增大，在相同的相对开度下，此时通过调节阀的相对流量将大于理想调节特性下的相对流量，说明调节阀在工作状态下其调节特性与理想调节特性相比变坏了，或称为调节特性的失真。而且阀权度β值愈小，阀的调节特性失真愈严重。不难看出：阀权度β是衡量调节阀工作调节特性的重要指标，它能直接判断调节阀在工作状态下调节特性的失真程度，因此，在实际工程中，阀权度的确定，是正确选择、设计调节阀的重要依据。根据公式（6）、（7），表3、图4给出了阀权度分别为1,0.5,0.33,0.25,0.2,0.1等数值下调节阀的调节特性的失真情况。在相对开度为50%的条件下，比较工作调节特性与理想调节特性的失真程度：对于线性特性，β=0.5，失真（相对流量增大百分比）22%；β=0.33，失真42%；β=0.25，失真58%；β=0.2，失真73%；β=0.1，失真134%。对于等百分比特性：β=0.5，失真22.7%；β=0.33，失真41.1%；β=0.25，失真58.2%；β=0.2，失真75.6%；β=0.1，失真135%。在开度最小的情况下：无论线性特性，还是等百分比特性，β=0.5，失真42%；β=0.33，失真73.3%；β=0.25，失真100%；β=0.2，失真124%；β=0.1，失真215%。7表3不同阀权度β时的工作调节特性相对开度L（%）1009080706050403020100.0阀权度β相对流量G（%）线性1.00.9040.8060.710.6130.5170.420.3230.2270.130.0331.0等百分比1.00.6760.4570.3090.2090.1410.096