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除塵降溫變速風機和變速泵應用舉例淺析流量調節閥的選型設計
水泵和風機能耗約占供熱空調工程總能耗的40？這些能耗中的1/3左右被各種調節閥門所消耗，但這樣大的代價并沒有換來好的調節效果，反而導致工程中許多問題發生。采用變速風機和變速泵充當調節手段，可節省這部分能耗，并可解決許多調節中的困難。
關鍵詞：變頻調節水工程風工程變速水泵變速風機
1、引言
在暖通空調工程中，使用大量的風閥水閥對工程中的風量水量進行調整，使其滿足所要求的工況。它們的調節原理是增加工程的阻力，以消耗泵或風機提供的多余的壓頭，達到減少流量的目的。因此這些調節閥的調節作用是以消耗風機或水泵運行能耗為代價的。目前暖通空調工程中愈來愈多地使用自動控制工程。為實現自控，許多風閥水閥還要使用電動執行機構。
目前質量好的電動水閥價格為幾千甚至上萬元。電動風閥亦需要幾千元。電動風閥水閥的費用常常占到自控工程總費用的40%以上。能否改變工程的構成方式，減少使用這些既耗能、又昂貴的閥門，用其它方式實現對流量的調節？風機水泵與風閥水閥是一一對應的兩類調節流量的設備。
風機水泵為流體提供動力，而風閥水閥則消耗流體多余的動力。因此，若用風機水泵代替風閥水閥，不是在能量多余處加裝閥門，而是在能量不足處增裝水泵或風機，通過調節風機水泵的轉速，同樣可以實現對工程的流量調節。
此時由于減少了調節閥，也就減少了閥門所消耗的能量，因此會減小運行能耗。同時，目前可變轉速的風機、水泵價格與相同流量的電動風閥、水閥價格接近，甚至更低，因此初投資也不會提高。從這一思路出發，本文先給出幾個用泵代閥的例子，然后進一步討論這一方案對暖能空調工程的意義及要注意的問題，以期引起大家的討論。
2、實例分析
2.1簡單工程的流量控制
一個簡單的控制循環流量的工程，泵P提供動力以實現水通過閥V、管道及用戶U間的循環。圖2給出當閥全開、泵的轉速n=n0時工程的工作點。此時，流量為G0，水泵工作效率為η0，即效率最高點。要使流量減小一半，一種方式是將閥門關小，使管網等效阻力特性曲線向左偏移，此時泵的效率降低至η1，壓力升至p1。
由于壓力升高，效率降低，因此盡管流量減少至一半，泵耗僅減少20%～30%，此時除閥門以外的管網部分由于其阻力特性不變，因此僅消耗壓降p0/4，剩余部分3(p0+(p1-p0))/4均消耗在閥門上，它消耗了此時泵耗的80%，這就是為什么說調節閥消耗了大部分水泵能耗的依據。此外，水泵工作點偏移造成的不穩定、閥關小后大的節流和壓降引起的噪聲，都對工程有不良影響。
若保持不變，但將泵的轉速降至50%，圖2同時給出此時的工作狀況，這時管網的阻力特性曲線不變，泵的工作曲線下移，泵的工作效率仍將為η0，壓力p2為p0/4。這樣，減少流量后泵耗僅為原來的1/8，具有極顯著的節能效果。同時，由于泵的工作點及閥的位置均未變，因此工程工作穩定，且不會有節流噪聲。此簡單例子說明：
(1)當調節閥產生調節作用時，將消耗其所在支路的大部分流體動力。并且由于改變了管網阻力特性，使管網中的動力機械工作點偏移，在多數情況下這將導致效率下降。
(2)當采用變速方式調節流量時，泵或風機能耗可與流量變化的三次方成正比。并且由于工程阻力特性不變，泵或風機的工作點不變，因此效率不變，泵、風機及工程均可穩定地工作。
(3)以調整泵或風機的轉速來調整流量應該是流量調節的最好手段。
2.2供熱水網
若工程設計合理，泵選擇適當，則最遠端用戶處的余壓恰好為它所需要的壓頭，閥V5全開，不多消耗能量。此時，若各用戶流量相等，彼此距離相等，主干管上比摩阻相同且忽略閥門全開時的阻力，對于n個用戶，閥門V1消耗的能量與用戶外管網所消耗的總能量的百分比EV1為：
EV1＝(1/n)×((n-1)/n)
第k個閥門所消耗能量與用戶外管網總能耗的百分比EVk
EV1＝(1/n)×((n-1)/n)
前n-1個閥門共消耗的能量為：
當熱用戶個數足夠多時，(n-1)／(2n)約等于50%，也就是消耗在外網的能耗約有一半被各支路的調節閥所消耗。一般用戶側真正需要的揚程僅為循環泵揚程的20%～30%，即外網消耗70%～80%。因此，總泵耗的35%～40%的能量被調節閥消耗掉。有時為安全起見，循環泵的揚程還要選大些，然后再通過圖3中的閥門V0將多余部分消耗掉。由此使一般供暖用熱水網中調節閥消耗一半以上的泵耗。
若改用圖5方式連接熱水管網，在各用戶處安裝用戶回水加壓泵，代替調節閥，減小主循環泵的揚程，使其只承擔熱源及一部分干管的壓降，用戶的壓降及另一部分干管壓降由各用戶內的回水加壓泵提供，則其水壓圖見圖6。
此時無調節閥，因此也無調節閥損失的泵耗，用戶處各個回水加壓泵的揚程應仔細選擇。若選擇過大，再用閥門降低同樣會消耗能量。但如果安裝變速泵則可以通過調整轉速來實現各個用戶所要求的流量，因此不再靠調節閥消耗泵耗，這樣，盡管多裝了許多泵，但運行電耗將降低50%以上。
在這種情況下，若各用戶要求的流量變化頻繁，整個工程的總流量亦在較大范圍內變化，總循環泵也可用變頻泵，并根據干管中部供回水壓差(見圖5、6中點A)來控制其轉速，使該點壓差維持為零，則工程具有非常好的調節性能與節能效果。分析表明，當采用如圖3常規的管網方式時，若由于某種原因，一半用戶關閉，不需要供水時，未關的用戶水量會增加，最大的流量可增加50%以上，而同樣的管網采用圖5的方式，并且對主循環泵的轉速進行上述方式的控制，則同樣情況下未關閉的用戶的水量增加最大的不超8%，工程的水力穩定性大為改善。
此方面的進一步詳細分析見文獻[1]，這一方案準備在已開始施工的杭州熱電廠冷熱聯供熱網中使用，各用戶為吸收式制冷機、生活熱水用換熱器，冬季則為建筑供暖及生活熱水。分析表明，對于這種負荷大范圍變化的工程，采用這種方式，比常規方式節省泵的電耗62%，并改善了工程的水力穩定性。同時還使整個工程壓力變化范圍減小，從而可降低管網承壓要求，處長管網壽命。在各用戶處安裝調速泵所增加的費用基本上可以從各用戶省掉的電動調節閥及節省的用電增容費中補齊，因此總投資可以不增加甚至有所降低。
2.3空調水工程
為減少水泵電耗，便于工程調節，許多工程采用兩級泵方式，如圖7。泵組P1可根據要求的制冷機的運行臺數而啟停，其揚程僅克服蒸發器阻力及冷凍站內部分管路的壓降，泵組P2則克服干管及冷水用戶的壓降。為了節能，P2有時還采用變速泵，根據用戶要求的流量調節泵的轉速，調節規則是維持最遠端用戶處的供回水壓差為額定的資用壓頭。文獻[2]中指出，P2采用變速泵后，其能耗并非如廠商所宣傳的那樣“與流量的三次方成正比”。
假設冷水用戶所要求的最大壓降與干管最大流量下的壓降各占50%，例如均為5m，則泵組P2的轉速就要按照使最末端壓差恒定為5m來控制。假設各用戶要求的流量均為最大流量的50%，則各用戶本身的調節閥都紛紛關小，此時末端壓差仍為5m，干管流量降低一斗，故壓降變為1.25m，泵組P2所要求的壓降從原來的10m降至6.25m，流量雖降至一半，但泵的工作點左偏，效率降低，因此泵耗約為最大流量時的45%左右，而并非按照三次方規律所預測的12.5%。造成這種現象是由于現象是由于各用戶調節閥關小，消耗了多余的這部分能量。
此外，如果干管壓降占P2揚程的一半，則如同上一例所分析，由于各用戶遠近不同，這部分泵耗的一半也被各用戶的調節閥所消耗。并且空調工程為了改善其調節性能，還希望調節閥兩側壓差占所在支路資用壓頭的一半以上。這樣，平均估計，即使采用變速泵，泵組P2的能量中也有60%以上被各個調節閥消耗掉。
再分析這種工程的穩定性。當由于某種原因，一些用戶關閉，一些用戶調小，總流量降低50%時，干管壓降減少，泵的轉速未變化的用戶的流量最大增加幅度約為10%～20%，與泵的性能曲線形狀有關。這時只要將轉速相應地減少，即可維持原流量。采用這種方式，用各個小變頻泵代替一組大變頻泵，由于總功率降低20%～30%，因此價格不會增加。采用新方案后，還省掉各個空調機的電動調節閥，因此初投資將降低。
一對連接件組成，其中恒溫控制器的核心部件是傳感器單元，即溫包。溫包可以感應周圍環境溫度的變化而產生體積變化，帶動調節閥閥芯產生位移，進而調節排熱器的水量來改變排熱器的排熱量。恒溫閥設定溫度可以人為調節，恒溫閥會按設定要求自動控制和調節排熱器的水量，從而來達到控制室內溫度的目的。
溫控閥一般是裝在排熱器前，通過自動調節流量，實現居民需要的室溫。溫控閥有二通溫控閥和三通溫控閥之分。三通溫控閥主要用于帶有跨越管的單管工程，其分流系數可以在0～100％的范圍內變動，流量調節余地大，但價格比較貴，結構較復雜。二通溫控閥有的用于雙管工程，有的用于單管工程。用于雙管工程的二通溫控閥阻力較大；用于單管工程的阻力較小。溫控閥的感溫包與閥體一般組裝成一個整體，感溫包本身即是現場室內溫度傳感器。如果需要，可以采用遠程溫度傳感器；遠程溫度傳感器置于要求控溫的房間，閥體置于供暖工程上的某一部位。
2、溫控閥的選型設計
溫控閥是供暖工程流量調節的最主要的調節設備，其他調節閥都是輔助設備，因此溫控閥是必備的。一個供暖工程如果不設置溫控閥就不能稱之謂熱計量收費工程。
在溫控閥的設計中，正確選型十分重要。溫控閥的選型目的，是根據設計流量（已知熱負荷下），允許阻力降確定KV值（流量系數）；然后由KV值確定溫控閥的直徑（型號）。因此，設計圖冊或廠家樣本一定要給出KV值與直徑的關系，否則不便于設計人員使用。
在溫控閥的選型設計中，絕不是簡單挑選與管道同口徑的溫控閥即完事大吉。而是要在選型的過程中，給選定的溫控閥造成一個理想的壓差工作條件。一個溫控閥通常的工作壓差在2～3mH2O之間，最大不超過6～10 mH2O。為此，一定要給出溫控閥的預設定值的范圍，以防止產生噪音，影響溫控閥正常工作。當在同一KV值下，有二種以上口徑的選擇時，應優先選擇口徑小的溫控閥，其目的是為了提高溫控閥的調節性能。
二、電動調節閥
電動調節閥是適用于計算機監控工程中進行流量調節的設備。一般多在無人值守的熱力站中采用。電動調節閥由閥體、驅動機構和變送器組成。溫控閥是通過感溫包進行自力式流量調節的設備，不需要外接電源；而電動調節閥一般需要單相220V電源，通常作為計算機監控工程的執行機構（調節流量）。電動調節閥或溫控閥都是供熱工程中流量調節的最主要的設備，其它都是其輔助設備。
三、平衡閥
平衡閥分手動平衡閥和自力式平衡閥。無論手動平衡閥還是自力式平衡閥，它們的作用都是使供熱工程的近端增加阻力，限制實際運行流量不要超過設計流量；換句話說，其作用就是克服供熱工程近端的多余資用壓頭，使電動調節閥或溫控閥能在一個許可的資用壓頭下工作。因此，手動平衡閥和自力式平衡閥，它們都是溫控閥或電動調節閥的輔助流量調節裝置，但又是非常重要的，如果選型不當，或設計不合理，電動調節閥或溫控閥都不能很好工作。
1、手動平衡閥
1.1 手動平衡閥的工作原理
手動平衡閥是一次性手動調節的，不能夠自動地隨工程工況變化而變化阻力系數，所以稱靜態平衡閥。手動平衡閥作用的對象是阻力，能夠起到手動可調孔板的作用，來平衡管網工程的阻力，達到各個環路的阻力平衡的作用。能夠解決工程的穩態失調問題：當運行工況不同于設計工況時，循環水量多于或小于設計工況，由于平衡閥平衡的是工程阻力，能夠將新的水量按照設計計算的比例平衡的分配，使各個支路的流量將同時按比例增減，仍然滿足當前負荷下所對應的流量要求
1.2 手動平衡閥的選型與設計中應注意的問題(2)
(1)閥門特性曲線決定了閥門的調節性能，如截止閥的流量曲線，如果認為95％～100％之間的流量變化是沒有意義的，那么開度從0～5％即實現了流量的全程變化，這樣的閥門是不能作為水利工況平衡調節使用的。由于閥門理論特性曲線實在頂壓差下測定的，而實際工況只要閥權度不為1則閥門在小開度線閥門前后壓差大，大開度是閥前后壓差小，導致閥dG/dC值在小開度變大，在大開度時變小，使閥門實際工作曲線向快開方向偏移，閥權度越小其偏移越大，對于直線特性的閥門由于實際性能的偏移會導致閥門的有效調節的得開度空間變小，因此閥門的理論性曲線以下弦弧如等百分比特性為好。等百分比特性曲線閥門，在閥權度0.3～0.5時實際工作曲線可能接近直線特性。
(2)通常閥門在小開度情況下閥門的流速過高，在閥后會形成旺盛紊流的渦旋區，渦旋區和新壓力很低，該處壓力低于水溫對應的飽和壓力時水蒸氣的閃發揮導致汽水擊現象：嚴重的噪音，閥門及管道的振動，閥門、管道、管支架的破壞。防治這種事故的發生首先在閥們流道設計上考慮閥塞和閥座在小開度時形成狹長的節流通道，約束旺盛紊流渦旋的形成；其次選用閥門時盡量加大閥權度，以避免閥門在小開度下運行。另外，在不牽涉壓力工況問題時盡量堿平衡閥安裝在水溫較低的回水管道上。
2、自力式平衡閥
2.1 自力式平衡閥工作原理
自力式平衡閥則可在沒有外接電源的情況下，自動實現工程的流量平衡。自力式平衡閥是通過保持孔板（固定孔徑）前后壓差一定而實現流量限定的，因此，也可稱定流量閥。
定流量閥作用對象是流量，能夠鎖定流經閥門的水量，而不是針對阻力的平衡。他能夠解決工程的動態失調問題：為了保持單臺制冷機、鍋爐、冷卻塔、換熱器這些設備的高效率運行，就需要控制這些設備流量固定于額定值；從工程末端來看，為了避免動態調節的相互影響，也需要在末端裝置或分支處限制流量。
在設計中應注意的問題
自力式流量控制閥的缺點是在于閥門有最小工作差的要求，一般產品要求最小工作壓差20KPa，如果安裝在最不利回路上，勢必要求循環水泵多增加2米水柱的工作揚程，所以應采取近端安裝，遠端不安的方法。用戶離熱源距離大于供熱半徑的80％時就不要安裝這種自力式流量控制閥。
四、差壓調節閥
1、差壓調節閥的原理
差壓調節閥的原理，本質上和自力式平衡閥是一樣的。只不過自力式平衡閥中，孔板是作為一個部件存在于閥體中的；而差壓調節閥中沒有孔板這一部件，而是把差壓調節閥后面的工程看作一個孔板，因此，調節閥的差壓值實際指的是其后工程出入口壓力差值。 從差壓調節閥的結構可以看出：這種調節閥，目的是控制其后工程出入口壓力差值固定不變�；竟δ苁歉鶕䶮嵊脩魺嶝摵傻男枨�，自動調整熱用戶的運行流量。當一幢建筑，由于有的熱用戶要求室溫降低，則相應房間溫控閥的開度變小，導致差壓調節閥的壓差值變大，超過設定值，此時壓差調節閥自動關小閥芯，增大節流作用，使其工程壓差值減小，直至恢復為設定值。最終的效果是減少流量，適應熱用戶的需熱要求，借以減輕溫控閥的頻繁操作。熱用戶要求提高室溫時，壓差調節閥的作用正好相反(3)。
2、在設計時應注意的問題
有人認為在各戶內工程或立管上，都應裝置壓差調節閥。經過模擬計算：如果在建筑物的熱入口，統一安裝了平衡閥（含手動、自力式）或壓差調節閥（但設計要合理），則室內溫控閥在任何調節范圍內，其前后壓差都不會超過6～10 mH2O，即溫控閥都能在合理的條件下工作。因此，過多安裝壓差調節閥沒有必要，也是不經濟的。
五、循環水泵變流量運行時，流量調節閥的選擇
這里主要指手動平衡閥、自力式平衡閥和壓差調節閥的選擇。在循環水泵變流量運行時，手動平衡閥呈等比失調，最有利于溫控閥的運行；但其缺點是手工操作太多，難以實現理想調節。循環水泵變流量運行，各熱用戶入口最理想的設定壓差值應是隨室外氣溫變動的。對于這一點，自力式平衡閥、差壓調節閥，都不夠理想，但不會出現調節的失控。因此可采用這一類型的調節閥，這對提高供熱工程的調節性能是有好處的。
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