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電動調節閥在熱力站中的應用
2013-11-21 9:55:06
1 熱力站的運行現狀及控制手段

    目前國內供熱系統包括一次水系統和二次水系統,都普遍采用大流量小溫差的運行方式,實際供水溫度比設計供水溫度低10~20℃,循環水量增加20%~50%。此種運行狀態使循環水泵電耗急劇增加(50%以上)、管網輸送能力嚴重下降、熱力站內換熱設備數量增加。其原因除受熱源的限制不能提高供水溫度外,主要是因為管網缺乏必要的控制設備,系統存在水力失調的問題,為保證不利用戶供熱而采取的措施。因此,應該在供熱系統增加控制手段解決水力失調工況后,將供水溫度提高到設計溫度或接近設計溫度,以提高供熱系統的輸送效率、節約能源,并為用戶擴展打下良好基礎。

    供熱系統的一次系統因通過每個熱力站的水量得不到有效控制而造成的水力失調和能源浪費現象很嚴重。因此應在熱力站入口裝設流量控制設備以解決一次水系統的水力失調問題。對于定流量質調節運行方式應裝設自力式流量限制器,對于變流量調節的系統應裝壓差控制器或電動調節閥。為了提高熱力站的自動化控制水平,越來越多地在熱力站一次管網上采用電動調節閥進行供熱系統的流量調節。

    2 電動調節閥的合理選用

    目前熱力站大多采用電動兩通調節閥,該閥門具有對數特性。它的優點是流量小時,流量變化小,流量大時,則流量變化大,也就是在不同開度上,具有相同的調節精度。

    根據經驗,閥門的理想壓降應等于系統壓降,也就是當閥門的閥權度β為0.5時,閥門的工作狀態比較理想,調節性能較穩定,調節較精確。在供熱系統中,絕大多數調節閥工作在變工況狀態,即使在設計工況下,也很難工作在β=1的條件下,選用閥權度接近0.5的閥門,會具有在較為理想的工作條件下的理想工作特性。

    流通能力Cv是選擇調節閥的主要參數之一,其定義為:當調節閥全開,閥兩端壓差為0.1MPa,流體密度為1g/cm3時,每h流經調節閥的流量,也稱流量系數。實踐中主要通過閥體的截面流量來確定和選擇,再通過閥權度進行校核計算。具體計算時,液體的Cv值按所選型廠家推薦圖表,根據流通能力按調節閥樣本選取該Cv值相對應的調節閥口徑,初步確定調節閥的公稱通徑,再計算此時閥門的閥權度,經過校核計算,選擇最接近β=0.5的閥門。

    舉例如下。設計數據:系統流量80m3/h,系統壓降55kPa,圖1為調節閥的流量與壓力關系圖,圖中水平線A-A表示流量為80m3/h,垂直線B-B表示壓降為55kPa。

調節閥的流量與壓力關系圖

圖1 電動兩通調節閥的流量與壓力關系

    根據圖1,A-A水平線與諸多的Cv斜線及垂直線B-B相交,找到與B-B線的相交點C,可以看到距C點最近的D,E兩點,此兩點分別是A-A線與Cv145線、Cv100線的交點,則對這兩個Cv值進行驗證,以進一步確定最優的選擇。D,E點處所對應壓降為此工況下使用該閥門時的壓降,查圖1可知,分別為26kPa和60kPa

    對于Cv=100m3/h的閥門,此時的壓降為60kPa,計算可得,閥權度β=60kPa/(60kPa+55kPa)=0.522。

    對于Cv=145m3/h的閥門,壓降為26kPa,計算可得閥權度β=26kPa/(26kPa+55kPa)=0.321。

    由上述計算可看出Cv=100m3/h閥門的閥權度最接近0.5的理想狀態,因此,對于設計流量80m3/h,壓降55kPa的管道來說,安裝Cv=100m3/h的閥門較合理,再根據選型樣本可以確定選用DN80的電動調節閥。

    根據不同的形式和規模,熱力站大致可以分為以下幾種情況:

    1)熱力站的初期供熱規模等于或接近設計容量,這種情況下電動調節閥比較容易選擇,可以根據熱力站運行設計流量、壓降,通過上述計算方法進行計算選擇。根據計算結果可推算出,設計流量為選定調節閥全開流量的70%~80%,則可直接將設計流量作為電動調節閥開度80%所對應的流量進行選型,通過計算驗證確定最終的選型結果,這樣既可滿足使用要求、保證調節的精度,又可節約初投資費用。

    2)熱力站的初期供熱規模小于設計容量,但大于設計容量的50%,這種情況可以根據熱力站的運行參數,分別計算出初期和終期規模所需的流量,根據這兩種狀態下的流量比對電動閥選型手冊,以電動閥的最佳開度30%~80%為原則進行選型,如果最大和最小流量能夠同時在1臺電動閥的調節范圍內,則可確定該電動閥適合該熱力站的運行要求;如果最大和最小流量不同時在1臺電動閥調節范圍內,且偏差不大,則可以終期流量為準,選擇稍大的電動閥,隨著供熱用戶的不斷增加,可進行精確地調節,直至達到終期負荷。

    3)熱力站的初期供熱規模遠遠小于設計容量,且短期不能達到最終規模,1臺電動調節閥不能同時滿足初期和終期的供熱調節需求,這時可以有兩種辦法解決。方法一:先根據初期和中期的供熱負荷及運行參數計算出所需的流量,根據電動調節閥的選型原則進行選型,待熱負荷發展到超出該閥的調節范圍后,可另行選擇電動調節閥,此時以最終的供熱規模即設計容量為計算依據,選取適用的電動調節閥。此方法費用相對較高,且實施起來較為煩瑣。方法二:用帶有調節功能的平衡閥與電動調節閥并聯,各分擔一部分流量的調節功能(如圖2所示),這樣既可滿足初期的小流量調節要求,也可同時滿足終期的大流量調節要求,還能節約初投資,免去更換閥門的費用和精力。

電動調節閥并聯安裝示意圖1

圖2 電動調節閥并聯安裝示意圖1

    選型時,先根據初期供熱規模和設計容量及運行參數,分別計算出所需流量,以初期供熱所需流量作為電動調節閥最小經濟流量的依據,選出適合的電動調節閥,再根據所選擇電動調節閥的最大合理調節流量,確定終期不可調節的流量,即用設計所需流量減去該電動調節閥的最大合理調節流量,作為依據來選擇合適調節精度的平衡閥。對于這種并聯連接方式,電動調節閥兩側的壓差沒有太大變化,即閥權度沒有多少變化,此時的電動調節閥可視為沒有增加并聯閥門時的調節特性,那么調節閥的并聯只實現了部分流量調節,從而節約了閥門的初投資。此方法適用于一次管網管徑偏大且初期-終期熱負荷變化較大的熱力站設計,由于大管徑電動調節閥可選擇性較小且價格比小管徑電動調節閥有大幅提升,從經濟性方面考慮,這種并聯的方案可解決此類問題。

    舉例說明:某熱力站初期供熱設計流量60m3/h,終期供熱設計流量300m3/h,該站初期-終期設計流量差距很大,為了解決這種情況下的電動調節閥選型問題,可以先將初期設計流量60m3/h作為可選電動調節閥調節開度30%對應的流量,選出電動調節閥的Cv值,為180m3/h,再對比選型樣本確定選用Cv=220m3/h的DN125電動調節閥,這樣,選擇的電動調節閥就可調節180m3/h的流量,其余120m3/h流量通過選擇合適的平衡閥來進行調節,由于電動調節閥有可能發生故障,此時管道內流量全部需要通過平衡閥進行調節,因此平衡閥可比所選調節流量稍大。

    根據平衡閥的選型計算,求得全壓降值Δp

    Δp=0.5ζρυ2     (1)

    式中 ζ為平衡閥全開時的局部阻力系數,可取10~15;ρ為流體密度;υ為管道內的設計流速。

    設計流速υ≥0.7m/s,按式(1)可求得Δp=2.45kPa。當計算出的Δp≥2kPa時,說明此工況適合選擇使用該閥門,再將確定的流量與選型樣本對照即可得出選擇DN125的平衡閥是合理經濟的,這樣就完成了兩條并聯線路閥門的選擇。    

    另外,從壓差角度考量閥權度的變化:如圖2所示,設主管網供回水設計壓差為400kPa,所選電動調節閥在設計流量下的全開閥端壓差為60kPa,單獨使用該電動調節閥的情況下,閥權度β=60kPa/400kPa=0.15,顯然過小,閥門的調節性能很差,此時可采用在并聯前串聯平衡閥的連接方式,來解決管路壓差過高,調節閥調節性能變差的問題。如圖3所示,在主管路上電動調節閥前端增加平衡閥,使其克服多余的資用壓頭,剩下的資用壓頭由電動調節閥克服,目的是使電動調節閥的閥端設計壓差與工作壓差之比盡量接近0.5,以改善調節閥的調節性能。若以上述為例,選同一口徑的平衡閥與調節閥串聯,關小該平衡閥,使其克服250kPa的資用壓頭,則剩下150kPa資用壓頭由電動調節閥克服,此時電動調節閥的閥權度β=60kPa/150kPa=0.4,調節性能明顯得到了改善,且接近理想調節狀態。通過此種串聯安裝方式,電動調節閥的調節性能提高了,但由于串聯并關小了該平衡閥,則該管路的流量也相應減少了,那么并聯線路中平衡閥的選擇就要作相應調整,以適應調節流量的變化,方法同上。

電動調節閥并聯安裝示意圖2

圖3 電動調節閥并聯安裝示意圖2

    如圖2所示,將電動調節閥和平衡閥兩路并聯,聯合調節是目前常用的既經濟又合理且方便使用的組合方式。該方法的調節方法和過程是這樣的:在供熱初期,將平衡閥一路關閉,打開電動調節閥一路,根據實際需要調節開度,隨著供熱規模的擴大,調節電動閥的開度以適應用熱的發展,直至達到最大合理開度仍無法滿足要求時,先關閉電動調節閥,將平衡閥一路開啟,根據需要調節平衡閥的開度,由于平衡閥的調節功能有限,如果無法滿足流量要求或精度要求,此時開啟電動調節閥,對兩路流量進行合理分配和調節,即可達到需要的流量和精度要求。調節是個精細的工作,既需要操作人員的技術水平和經驗,又需要準確的供熱數據作為調節的基礎,因此要將此項工作做好,還需要做大量的準備和調節工作。

    此方法也可以推廣至前兩種情況下使用,可以大大減小電動調節閥的口徑,節約初投資。由于此方法的諸多優點,已越來越多地應用在熱力站的自動控制中,大大提高了熱力站的自動控制水平和安全性。

    3 選型應注意的問題

    由于不同換熱站所處系統位置不同,對于整個系統來說,每個熱力站一級管道進出口的壓差也是有區別的(如圖4所示),靠近熱源前端A點的管道進出口的壓差相對較大,安裝的調節閥閥端壓差Δpa也較大;系統末端B點的管道進出口壓差就偏小,安裝的調節閥閥端壓差Δpb也小,管道內的不同壓差對電動調節閥的選型有很大影響,因此初步選型確定電動調節閥型號后,應對整個系統進行相應的水力計算,尤其應對熱力站一次管網進出口處的壓差進行詳細計算,以校核該選定電動調節閥的閥端壓差。在電動調節閥的選型樣本中,電動調節閥有一個出廠時設定的最佳閥端壓差值,要將計算出的一次管網進出口處壓差與閥門推薦壓差進行對比,確保不超過閥門的最大關閉壓差,以選擇最適合的電動調節閥。電動調節閥有一個優點就是針對不同的壓差條件可以選擇不同驅動器來滿足最大的管網壓差要求。

調節閥工作壓差與管道實際壓力關系示意圖

圖4 調節閥工作壓差與管道實際壓力關系示意圖

    在系統前端,熱力站一次管網進出口壓差較大時,為了減小該處的進出口壓差,需采取一些相應的技術手段,比如安裝壓差控制器或節流孔板等設備,也可采用圖3中串聯平衡閥的方法來減小電動調節閥的壓差,具體選型方法如前所述;在系統末端,由于前端一次管網管段過長,阻力消耗過大,且存在前端熱力站流量分配不均,壓降過大,造成一次網末端壓差太小,也可考慮在適當位置增加中繼泵站,以增加后端管道內流體壓差,滿足調節閥的壓差需求。以上各種措施需要根據不同情況進行計算后裝設。通過這些技術手段就可以避免由于近端電動調節閥失調,流量超量;系統末端熱用戶的供回水資用壓頭過小(不再依設計水壓圖運行),即使調節閥全開,也達不到設計流量,會產生冷熱不均的現象。正確選擇、安裝電動調節閥,對于整個一次網系統的安全運行、精確調節都能起到較好的作用。

    另外,為了節約投資,在系統最末端的換熱站可以不設置電動調節閥,只需將前端的調節閥進行合理設置和調節,給末端留有足夠的壓頭和流量即可滿足設計和使用要求。

    電動調節閥在實際應用當中還存在著諸多的不確定因素和不可控環節,制約著調節的精度,尤其是運行初期,整個系統還未穩定,不能著急調節電動調節閥,需等整體的流量、溫度穩定后,注意進行調節并觀測效果,要先根據經驗進行粗調,再由系統前端至后端逐一微調,直至各換熱站流量分配相對均勻、平衡。

    4 結語

    在換熱站安裝電動調節閥,是非常必要且切實可行的調節手段,正確選型、合理布置并準確調節后,可基本解決一次網管道的水力失調問題,從而大量節約能源,改變目前的大流量小溫差的浪費現象,節電和節能效果顯著,值得推廣應用。

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