调节阀在热力管网中的应用

调节阀在热力管网系统中的应用

徐国喜设计二室

摘要：集中供热不仅能为城市提供稳定、可靠的热源，而且与传统分散供热相比，能节约能源和减少城市污染，具有明显的经济效益和社会效益。所以集中供热是现代化城市中必不可缺的基础设施，也是城市公用事业的一个重要组成部分。集中供热管网设计、安装时否合理，调试运行维护是否规范，直接影响着城市品味的提升和广大热用户的利益，随着供热面积的不断增大和输送距离的不断延长，如何保证用户流量和温度是热网工程设计中一个很关键性的问题，除必要的保温外，调节装置的合理选择与安装显得尤为重要。本文将在分析调节阀特性及选用的基础上，探究其在热力管网上的应用。

关键词：调节阀流量特性压差

1 序言

随着科技进步，在生产过程自动化中，用来控制流体流量的调节阀已遍及各个行业。对于热力、化工过程控制系统，作业最终控制过程介质各项质量及安全生产指标的调节阀，它在稳定生产，优化控制，维护及检修成本控制等方面都起着举足轻重的作用。由于调节阀是通过改节流方式来控制流量的，所以它既是一种有效的调节手段，同时又是一个会产生节流能耗的部件。以电厂为例，随着装置高负荷的运行，调节阀的腐蚀、冲刷、磨损、振动、内漏等问题不断发生，从而导致调节阀的使用寿命缩短，工作可靠性下降，进而引起工艺系统和装置的生产效率大幅度下降，严重时可以导致全线停车。这在如今视质量和效益为生命的企业管理中尤为重要和紧迫。对此，如何选择和安装好调节阀，使调节阀在一个高水平状态下运行将是一个很关键的问题，选择调节阀时，首先要收集完整的工艺流体的物理特性参数与调节阀的工作条件，主要有流体的成份、温度、密度、粘度、正常流量、最大流量、最小流量，最大流量与最小流量下的进出压力、最大切断压差等。在对调节阀具体选型确定前，还必须充分掌握和确定调节阀体本身的结构、形式、材料等方面的特点。而技术方面主要考虑流量特性、压降、闪蒸、气蚀、噪音等问题。

2 调节阀的选用要点

2.1 调节阀的作用

调节阀作为最终执行元件，在控制系统中起着关键作用。合理的选型和正确的计算，是阀门长期稳定运行的基础。调节阀的作用是通过流通面积的变化来改变调节阀的管路阻力系数，从而达到调节流量、压力、温度等流体参数的目的。

2.2 调节阀的分类

调节阀按行程特点可分为：直行程和角行程。直行程包括：单座阀、双座阀、套筒阀、笼式阀、角形阀、三通阀、隔膜阀；角行程包括：蝶阀、球阀、偏心旋转阀、全功能超轻型调节阀。

调节阀按驱动方式可分为：手动调节阀、气动调节阀、电动调节阀和液动调节阀，即以压缩空气为动力源的气动调节阀，以电为动力源的电动调节阀，以液体介质（如油等）压力为动力的液动调节阀；

按调节形式可分为：调节型、切断型、调节切断型；

按流量特性可分为：线性、对数型（百分比）、抛物线、快开。

2.3 调节阀的固有流量特性

调节阀的固有流量特性是指当阀门两端差压恒定时，通过阀门的流量随开度的变化率。从物理意义上来说，阀门的固有流量特性表明了阀门的有效流通面积是如何随开度的变化而变化的，有快开、线性、等百分比及抛物线等几种（见图2-1），典型应用如下：

图2-1 调节阀特性曲线

2.3.1快开特性

在小开度范围内流量随开度的变化率最大，而随着开度的增大流量的变化率急剧减小。从图2-1看，在小开度时阀门的流通能力已经相当大，而在接近全开时，流通能力几乎无变化，所以快开阀门主要应用于开关切断场合。

2.3.2线性特性

在0～100％开度内，流量随开度的变化率为常数。也就是说，50％开度下阀门的流通能力是全开时的50％，依次类推。对于线性阀，正常流量时阀门的相对开度最好为50％～60％.线性特性的阀门主要适用于系统增益为常数的控制回路。

2.3.3等百分比特性

在小开度范围内流量随开度变化率增加得很少，但随着阀门开度的增加，其变化率急剧增加。对于等百分比的特性阀，正常流量时阀门开度最好为70％～80％。等百分比特性阀主要应用于压力、流量和温度的控制场合。

2.4 蒸汽流量系数计算

气体为可压缩流体，其产生阻塞流的机理与液体不同，当操作压差比χ很小时，通过阀门的流量随着阀两端压差的增加而增加，χ逐渐增大到一定数值χT 后，

阀后缩脉处达到声速，这时再增加压差流量也不会随着增加，产生了气体阻塞流。 蒸汽流量系数计算公式：

C V

（2-1） 式中 W ；

T SH 蒸汽过热度， ℃；

P 1 上游压力，bar （A ）。

一旦χT ＞χ，可认为产生了阻塞流，用χT 替代式中χ来计算蒸汽C V 值。

2.5 调节阀的流速

对于液体，一般调节阀入口流速应小于10m/s ，而蝶阀小于7m/s 。如果发生阻塞流则要求更小，以减少阀门内件磨损。

对于气体，连续工况的调节阀入口流速小于0.3v s ，而间歇工况小于0.5 v s 。但计

算噪声不应大于110dB （A ）。

v s （2-2）

式中 k 等熵指数；

M 分子量；

T 操作温度, K 。

2.6 调节阀口径的选择

首先调节阀应保证能通过工艺要求的最大流量，并保留一定富裕量。根据工艺操作的负荷变化，一般至少考虑15％。其次，根据所选调节阀流量特性，使阀门在正常流量时工作在适当的开度，这时的阀门工作特性较好。但最终选定阀门只有一台，如果要求阀门在最小/正常/最大流量下都保证适当开度，这是不符合

实际的。要求控制的流量范围较大，分程控制是最好的选择；对于放空调节阀，考虑最大流量能通过即可，不必考虑开度要求。所以口径选择要了解工艺特性，最好能提出最小/正常/最大流量下的操作参数和操作要求。值得注意的是，一些压力控制回路，正常流量和最大流量下阀上压降差别很大，有时达2倍以上，这时如果误认为压降不变，所选阀门可能偏小。

从静态角度看，调节阀能通过工艺最大流量即可，阀门口径越大越保险，但过大口径的阀门实际开度偏小，阀门动态特性不好，系统调节品质差。

调节阀通过的流量受制于管路阻力分布。随着流量增大，管路压力损失也急剧增加，阀门上相应分配的压差减少，所以全开时通过的阀门实际流量与理论值相差很多。

2.7 调节阀的噪声计算

调节阀的噪声受多方面因素影响，本节不涉及由于机械振动、反射/谐振、液体流体动力学而产生的噪声，只根据VDMA24422标准对气体空气动力学噪声作出分析。

对于气体，在低压降比时，阀门引起噪声的主要原因是湍流，在高压降比时间，冲击湍流成为主要的噪声源。而一旦形成阻塞流，噪声将超过95Db(A)。气体比液体更容易产生噪声是因为气体的操作流速一般比液体高，而高流速是产生噪声的主要因素。气体噪声计算参见公式

L A = 14lgC

v

+ 18lgP

1

+ 5lgT

1

-5lgρ

n

+ 20lg[lg（P

1

/P

2

）] （2-3）

+ 51 + △L

P

+△L

G

+△L

P2

式中 L

A

噪声水平，dB(A);

P

1

上游压力，bar(A);

P

2

下游压力，bar(A);

T

1

上游温度，K;

ρn标态下的气体密度，kg/m3 ;

△L

P

管壁修正系数;

△L

G

气体噪声计算阀门修正系数;

△L

P2 下游压力修正因子，P

2

＜30bar（A）,取0；

30bar（A）＞P

2

＜55bar（A）,取（30-P

2

）/2.5；

P

2

＞55bar（A）,取-10；

3 应用

供热系统最终目的是热力工况的平衡，要求在流量改变的同时，热能消耗量适应负荷的变化。就是说，调节阀的开度变化与热能消耗量的变化成线性关系，