调节阀在热力管网中的应用.docx

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1、调节阀在热力管网系统中的应用南京苏夏工程设计有限公司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

2、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

3、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

4、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。i调节阀在热力管网系统中的应用南京苏夏工程设计有限公司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、

5、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

6、特性在0100%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 %很小时，通过阀门的流量随着阀两端压差的增加而增加，X逐渐增大到一定数值

7、XT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。9W (1+0.00126TSH)C =(2-1)6.6Pl(3 - X / X T)/ X式中 W 蒸汽质量流量，kg/h ;T SH一蒸汽过热度，C；P i上游压力，bar (A)。一旦x t x ,可认为产生了阻塞流，用x t替代式中x来计算蒸汽G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 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 算噪声不应大于110dB (A)。Vs10m/s,而蝶阀小于7m/s。如果发生0.3vs,而间歇工况小于0.5 v so但计(2

8、-2)式中kMT等嫡指数；分子量；操作温度，K2.6 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

9、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VDMA2442浙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

10、流，在高压降比时问，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La= 14lgCv+ 18lgPi + 5lgT i -5lg pn + 201g1g (P1/P2) (2-3)+ 51 + Lp+A Lg+A Lp2式中 L A 噪声水平，dB(A);P 1上游压力，bar(A);P2 下游压力，bar(A);T1上游温度，K;pn 标态下的气体密度，kg/m3; Lp 管壁修正系数； Lg 气体噪声计算阀门修正系数； Lp2 下游压力修正因子，RP255

11、bar (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， 这才是供热系统调节的最佳原则。亦即在调节过程中，调节阀的放大系数和调节 对象的放大系数乘积维持不变。从图 2-1分析可知只有等百分比性能调节阀随着 流量变化的放大系数逐渐减小，因此我们选择等百分比性能调节阀作为调节装置。 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 B为0.5 时，阀门的工作状态比较理想，调节性

12、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B =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。3.1 工况3.1.1 初期供热规模等于或接近设计容量，这种情况下调节阀比较容易选择， 可以根据运行设计流量、压降，通过上述计算方法进行计算选择。根据式 2-1计 算结果可推算出，设计

13、流量与调节阀全开流量的相对关系，则可将设计流量作为 调节阀相对开度下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。3.1.2 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 比对调节阀选型手册，以调节阀的最佳开度 30%- 80她原则进行选型，如果最大 和最小流量能够同时在1台阀的调节范围内，则可确定该调节阀适合该工况的运 行要求；如果最大和最小流量不同时在 1台调节阀调节范围内，且偏差不大，则 可以终期流量为准，选择稍大的调节阀，随着供

14、热用户的不断增加，可进行精确 地调节，直至达到终期负荷。3.1.3 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调节阀并联， 各分担一部分流量的调节功能（如图 3-1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

15、调节要求，还能节约初投资，免去更换阀门 的费用和精力。1闸阀2主调节阀3调节阀（平衡阀）4排放阀图3-1 调节阀并联安装示意图选型时，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调节阀最小经济流量的依据，选出适合的调节阀，再根 据所选择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，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

16、。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供热系统设计，由于大管径调节阀可选择性较 小且价格比小管径调节阀有大幅提升，从经济性方面考虑，这种并联的方案可解 决此类问题。3.2 调节阀压降的系统考虑调节阀作为过程控制系统中的终端部件，是最常用的一种执行器。按过程控 制系统的要求，调节阀应具有在低能量消耗的状态下工作，且能充分与系统匹配 的工作特性。但是在调节阀的使用中这两个要求是不能同时满足的，甚至是互相 矛盾的。在要得到同样的流量 QmaX勺情况下，选择一只较小口径的调节阀，虽然其他 阻力不变而总的阻力必然比较大，形成大的系统总压降。假若物流的推动力是由 泵产生，就意味着必须

17、选功率大一些的泵和电机，这样必然带来大的能耗。当管道系统中介质的流速增加时，流体通过管道上的各种安装部件时产生的 流体压降也会发生一系列的动态变化，作为管道流体控制主要部件的调节阀所引起的流体压降是一个很重要而又容易被忽略的因素，我们在分析与调节阀有关的 系统问题时。不仅要考虑到调节阀本身的问题，而且也要考虑到调节阀的压降对 系统动态平衡的影响。3.3 调节阀的噪音分析在供热系统中，调节阀选型时，应注意它的噪音情况，分析好噪音的产生机 理，结合式2-3有效的控制调节阀的工作状态和运行时可能发生的问题，下面通 过举例说明。3.3.1 机械类振动一一如当阀芯在套筒内水平运动时，可以做到阀芯与套筒的

18、间隙尽量小或者使用硬质表面的套筒。3.3.2 有有频率振动一一如阀芯或者其它的组件，它们都有一个固有振动频 率，对此，可以通过专门的铸造或锻造处理来改变阀芯的特性，如有必要也可以 更换其他类型的阀芯。3.3.3 阀芯不稳定性一一如由于阀芯振荡性位移引起流体的压力波动而产生的噪音，这种情况一般是由于调节回路执行器等的阻尼因素引起的，对此可以重 新调节阻尼系数或者在阀芯位移方向上加上减振设施。3.3.4 介质的力学流动性一一介质在管道或者调节阀中流动时，也会发出噪 音，对于这种情况，可以通过增加管道壁厚及增加绝热保护层、阀后增加管道降 噪元件等方法降低整个管路的噪声。当然，有些噪音是无法消除的，只

19、能尽量采取防噪音保护措施，如戴耳塞等。3.4 调节阀布置要求3.4.1 调节阀的安装位置应满足工艺流程设计的要求，并应靠近与其有关的一次知识仪表，便于在旁路阀手动操作时能观察一次仪表3.4.2 调节阀应尽量布置在地面、楼面、操作平台上或通道两旁，易于接近的 地方，并尽量靠近与其操作有关的现场检测仪表等便于调试、检查、拆卸的地方。3.4.3 有热伸长管道上的调节阀支架，两个支架中应有一个是固定支架，另一 个是滑动支架。3.4.4 为避免调节阀鼓膜受热及便于就地取下膜头，膜头顶部上净距不小于 200mm调节阀与旁路阀上下布置时，应错开位置。3.4.5 调节阀组立面安装时，调节阀应安装在旁路阀的下方

20、。公称直径小于25 mm勺调节阀可安装在旁路阀的上方。3.4.6 调节阀应正立垂直安装于水平管道上，特殊情况下可水平或倾斜安装， 但须加支撑。3.4.7 调节阀典型布置如图3-2所示1闸阀2调节阀3排放阀图3-2 调节阀典型布置图结论在热网系统中安装调节阀，是非常必要且切实可行的调节手段，正确选型、合理布置并准确调节后，可基本解决对压降、温度、流量的控制及水力失调问题， 有效的保证了用户流量和温度，节电和节能效果显著，值得推广应用。参考文献【1】中国石化集团上海工程有限公司.化工工艺设计手册.北京：化学工业出版社，2009.6.【2】宋奇奇.压力管道设计及工程实例.北京：化学工业出版社，2012.10.【3】石兆玉.供热系统运行调节与控制.北京：清华大学出版社,1994.【4】 施俊良.调节阀的选择.北京：中国建筑工业出版社，1986.【5】上海工业自动化仪表研究所 .流量测量节流装置设计手册 .北京：机械工业出版社,1973.