集中供熱及建筑循環(huán)系統(tǒng)的水力平衡

1、集中供熱及建筑循環(huán)系統(tǒng)的水力平衡（一）  集中供熱及建筑循環(huán)系統(tǒng)的水力平衡     介紹 2009年的整個(gè)冬天，中國都非常冷，可以看出，供熱是非常必要的。供熱系統(tǒng)的三個(gè)重要品質(zhì)是：·           運(yùn)行安全·           可靠·     

2、0;     高效（即意味著收費(fèi)低，低碳）中國北方地區(qū)超過50%的大城市已經(jīng)有了以燃煤熱源為主的集中供熱，很多地方正在努力提高能效以達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。另外，現(xiàn)存系統(tǒng)應(yīng)該改造以減少熱損失。集中供熱提高潛在能效的核心技術(shù)之一是水力平衡， 這也是SAMSON AG早在50年前在歐洲和20年來在中國一直研究的課題。這篇文章我們將聚焦于水力平衡在集中供熱系統(tǒng)的應(yīng)用。當(dāng)然，主要的結(jié)論也可用于HVAC系統(tǒng)。2        不平衡系統(tǒng) 每個(gè)供熱系統(tǒng)都必須為熱網(wǎng)中所有用戶提供足夠的熱水。但是，水總是流向低

3、阻力的地方。由管程和安裝件引起的壓降導(dǎo)致每個(gè)用戶承受了不同的壓差。由于壓差和流量相關(guān)，這通常意味著，管路最末端的用戶由于低壓差而缺少能量，而管路最近端用戶能量過度供應(yīng)。在超過一個(gè)用戶的供熱系統(tǒng)中，最后的用戶總是得到最少量的水。在每一個(gè)水力網(wǎng)中，這個(gè)理論不得不使人擔(dān)心水是否等量分支流動(dòng)。  系統(tǒng)水力不平衡的效果 不平衡系統(tǒng)：第一幢房子流過大量的水，很熱，最后一幢房子非常冷。首端大壓差，末端低壓差。不平衡系統(tǒng)的明顯特征是：·           管路末端的用戶得不到足夠的流量&#

4、183;           流量大，水泵揚(yáng)程高。·           回水溫度高，溫差小·           一次側(cè)出現(xiàn)噪音問題通常，解決供熱問題的辦法是：工人們?yōu)榻o末端用戶增加流量，將水泵揚(yáng)程提高而且，在用換熱器的集中供熱系統(tǒng)中，通常情況下二次側(cè)的水泵壓頭會(huì)過高，這可能導(dǎo)

5、致二次側(cè)供熱溫度偏低，換熱器達(dá)不到設(shè)計(jì)工況下的換熱量，情況會(huì)更糟。（相似的情形也會(huì)發(fā)生在制冷系統(tǒng)中） 不平衡系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致：·           水泵功率大，投資成本高；·           管網(wǎng)負(fù)載過重，由于傳熱差，回水溫度高，流速快（在供熱時(shí)）；·         

6、  熱源效率差，由于回水溫度高，熱源廠的能源消耗更高；·           管網(wǎng)系統(tǒng)熱損高；·           水泵和熱源運(yùn)行成本高；·           設(shè)備及其零部件壽命短；·     &

7、#160;     用戶不滿意3        一次側(cè)平衡解決方案 集中供熱一次側(cè)循環(huán)系統(tǒng)是：管道直接接到電廠，其溫度可能達(dá)到150（依賴于氣候條件及電廠輸出）壓力高達(dá)12bar，可能壓差會(huì)達(dá)到4bar。一次側(cè)的調(diào)節(jié)閥必須適應(yīng)這些參數(shù)， SAMSON為達(dá)到這一目的，所有調(diào)節(jié)閥都裝有壓力平衡閥芯以確保優(yōu)異的控制效果。 3.1        裝有換熱器的恒流量系統(tǒng)平衡：等流量分配的流量調(diào)節(jié)閥 恒流量系統(tǒng)的一次側(cè)熱網(wǎng)所有換

8、熱器都直接連接于主管上，流量大小決定于循環(huán)泵。依據(jù)用戶與循環(huán)泵間的距離，分配給每個(gè)用戶的熱水量存在過流或者欠流。為了等量分配熱量，流量限制器應(yīng)該安裝給每個(gè)用戶和高速路上的“限速”規(guī)則一樣。 系統(tǒng)水力平衡的效果   流量限制器原理流量限制器是一種自力式調(diào)節(jié)閥，它不需要任何外部提供能源，設(shè)定流量至限制值，且此值不受壓差的影響。從技術(shù)上講，流量控制器產(chǎn)生閥體內(nèi)部的人為限制壓降，此壓降由集成的壓差控制器控制。當(dāng)孔板開度相同時(shí)，特定的流量總是取決于供回水管路相同的壓降。這正是機(jī)械的流量限制器的工作原理。 流量限制器的結(jié)構(gòu)原理圖孔板置于閥內(nèi)部，兩端的壓力接入差壓控制器的執(zhí)行器

9、上下膜合。當(dāng)彈簧向上或向下動(dòng)作時(shí)，流量發(fā)生改變。  集成型的孔板概念SAMSON   42-36流量限制器SAMSON找到了一種便捷的解決方案，應(yīng)用閥集成的孔板，隨時(shí)可改變的面積內(nèi)置于閥體的前端。集成孔板型（像42-36或者45-9）工作在一個(gè)固定的壓差（0.2bar / 20KPa）控制器下，相對(duì)于可變化的壓差控制器來說，這種閥體更緊湊，也更便宜。一旦流量設(shè)定好，控制器便穩(wěn)定地限制流量不受其他用戶或者水泵工況的干擾。如果流量超過需求量，自力式控制閥開始關(guān)閉，以保持20KPa的穩(wěn)定壓差，此時(shí)流量便得到了限制。集成孔板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)   低于設(shè)定值的流量不會(huì)引

10、起閥門的動(dòng)作，閥保持開啟度。低流量意味著：沒有足夠的壓差。流量限制器不能生產(chǎn)流量，它只是起限制作用！  設(shè)定流量值（集成型）流量限制器的設(shè)定是流量調(diào)節(jié)的關(guān)鍵因素。SAMSON研發(fā)了一種能抗污垢的孔板，其孔徑可以隨時(shí)變換，且能置于閥體內(nèi)部。通過旋轉(zhuǎn)外部的旋扭改變孔板的開度，從而引起流量值的增大或者減小，旋扭的轉(zhuǎn)數(shù)與流量直接相關(guān)。設(shè)定位置可以被鉛封以避免被外人隨意改變。  選型計(jì)算流量限制器可以通過最大需求流量來選型。一般情況下選擇與工藝管道相同口徑的調(diào)節(jié)閥。不推薦選用比管道口徑還大的閥，這可以防止閥出現(xiàn)振動(dòng)，也會(huì)節(jié)省投資。SAMSON流量限制器最大尺寸可以做到DN400（帶先

11、導(dǎo)閥的2334型）。下面舉個(gè)例子，可以看一下選型是非常簡(jiǎn)單的：現(xiàn)有管徑：DN80；最大需求流量：18 m?/h選擇口徑的過程如下：按管道直徑進(jìn)行選型：42-36 DN80 Kvs 80設(shè)定點(diǎn)范圍：3.535 m?/h結(jié)果：DN80可以接受。摘自SAMSON樣本 42-36注：低壓阻時(shí)以0.2bar壓差值為準(zhǔn)。如果閥門口徑要小于管道口徑用小一號(hào)的適配器法蘭DN80DN50，選擇DN50（0,9.16m?/h）或者DN65（2.0.28m?/h）。DN80的壓降計(jì)算如下：¨       0.2 bar（內(nèi)部孔板壓降）¨

12、       閥門壓降：(flow/Kvs)2 =(18/80)2=0.051bar¨       總壓降=0.2 ba+0.051bar=0.251 bar（25.1KPa）  流量限制器的附加功能像所有SAMSON自力式調(diào)節(jié)閥一樣，流量限制器可以與其他控制功能組合在一起。 SAMSON 42-36Dot 帶溫度限制的流量限制器 流量限制器可以附加額外的溫度傳感器，例如可以限制集中供熱回水溫度（42-36Dot型）。安裝時(shí)確保流量限制

13、器的附加旁路可以給予一個(gè)小流量信號(hào)，以防止溫度傳感器萬一在接受到高溫信號(hào)時(shí)長時(shí)間關(guān)上閥門這樣會(huì)引起客戶的投訴。3.2        已裝有電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和換熱器的變流量系統(tǒng)平衡：壓差控制器概念 通常情況下隨著外界大氣溫度的變化，二次側(cè)供水溫度設(shè)定值也相應(yīng)變化，而一次側(cè)流量是依據(jù)二次側(cè)供水溫度進(jìn)行調(diào)整，一般通過回水溫度流量限制或者其他的流量限制完成。通常一次側(cè)的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥依照本地或者遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)送來的信號(hào)來改變每臺(tái)換熱器的流量。 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥3214/3374     &#

14、160;    DDC 控制器5573除了數(shù)字控制器，SAMSON為實(shí)現(xiàn)這一目的提供各種各樣的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。中國大部分集中供熱換熱站都裝有變流量系統(tǒng)方案（站里有電動(dòng)調(diào)節(jié)閥），這是優(yōu)于恒流量系統(tǒng)的節(jié)能方案。  裝有電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的系統(tǒng)問題在已裝有電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的大型集中供熱系統(tǒng)中存在以下典型問題：¨             離水泵近的站流量高，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥閥權(quán)值低，震動(dòng)厲害，導(dǎo)致了換熱器一系列問題，像噪音大，閥芯內(nèi)部糟損壞，電動(dòng)閥

15、本身壽命縮短，溫度控制效果差；¨             離水泵遠(yuǎn)端的換熱站電動(dòng)調(diào)節(jié)閥100%開度，但二次側(cè)的溫度仍很低。 這些問題不能靠自控系統(tǒng)自身解決，這都是基于水力失衡的原因呈現(xiàn)，由電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的選型和壓差的波動(dòng)引起的。.1 舉例：電動(dòng)調(diào)節(jié)閥在熱網(wǎng)不同位置處的流量分配電動(dòng)調(diào)節(jié)閥只能用于一定的工況環(huán)境中。Kv值的計(jì)算是由用戶需求的額定流量和落在閥上的壓差決定的。電動(dòng)閥僅是控制回路中的一個(gè)組成部分。為保持系統(tǒng)良好的控制效果，落在閥上的壓降最少與換熱器一樣大

16、，即閥的“權(quán)值”av應(yīng)該大于0.5。舉例：¨       預(yù)估流量：17.2 m?/h¨       計(jì)算Kv值，換熱器壓差為20KPa（0.2bar）：38.5¨       安全系數(shù)10%：（38.5*1.1）=Kvs=42.4¨       依據(jù)產(chǎn)品手冊(cè)（SAMSON 3214）獲得閥實(shí)際的Kvs=50?

17、0;  全負(fù)荷在20KPa（0.2bar）的運(yùn)行工況：運(yùn)行開度=計(jì)算Kv值/實(shí)際Kvs =38.5/50=0.77即77% 或者1:1.13?  如果現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際壓差是200KPa（2bar），流量為17.2 m?/h 時(shí)的Kv=12.2，盡管已為滿負(fù)荷，此時(shí)閥的開度=12.2/50=0.24即24%或者1:4.17！?  然而，有些情況下負(fù)荷僅需10%（1.7 m?/h），像在春天，此時(shí)閥的開度只有2.4%，這意味著控制范圍為1：41.7。對(duì)于等百分比特性的閥芯，閥的開度低于5%；如果是現(xiàn)線特性的閥芯，其開度將低于2.4%，或者小于1/2mm的開度（若行程為15m

18、m）！閥芯的小位移造成高比例的流量變動(dòng)，長時(shí)間由此引起的壓力波動(dòng)會(huì)損壞換熱器。另一方面：如果此閥在壓差2 bar時(shí)完全打開，落在閥上的實(shí)際流量將會(huì)是64.7 m?/h，這可比設(shè)計(jì)流量大了3倍！流速將達(dá)到5.4m/s超過了3m/s的限速。如果電動(dòng)調(diào)節(jié)閥在比計(jì)算值高的壓差工況下運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致：¨       最大流量將高得離譜；¨       低負(fù)荷時(shí)導(dǎo)致震動(dòng)和非常差的控制效果。 經(jīng)驗(yàn)表明這種情況時(shí)常發(fā)生，盡管有控制系統(tǒng)的影響，換熱器的流量仍然太高，二

19、次側(cè)無法達(dá)到設(shè)定的溫度。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的高流量可能引起氣蝕從而損壞到閥本身，換熱器或者熱量表。另外，變頻泵也無法正常運(yùn)行。結(jié)論：電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的運(yùn)行壓差比設(shè)計(jì)壓差高時(shí)，不能解決系統(tǒng)的水力平衡問題，而且這正是問題的制造者。.2   壓差控制器和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥我們需要一種能給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥提供恒定壓差的設(shè)備，以解決此問題。壓差控制器可以吸收額外的壓力，保持電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的穩(wěn)定工況，使其不受現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際壓差的影響就等同于彈性墊或者輪胎系統(tǒng)不管路面有多么崎嶇不平，仍能保證汽車平穩(wěn)開動(dòng)。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的恒定壓差能使其在所有負(fù)荷下都平穩(wěn)工作。 依據(jù)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的Kvs值來設(shè)定壓差值，附加的流量限制可以達(dá)到

20、了：設(shè)定壓差值為0.12bar，DN65/Kvs50的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥意味著：在閥100%最大開度時(shí)流量是17.2 m?/h。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的控制效果完全可以通過“全閥權(quán)”來獲得數(shù)字控制系統(tǒng)會(huì)顯示其潛在能力。另外，最大流量將無法被超越。SAMSON 壓差控制器42-24A（裝在回水管上）  淺藍(lán)色：回水壓力亮藍(lán)然: 回水管的閥前壓力紅色：供水壓力SAMSON的壓差控制器42-24就是我們要找的提供恒定壓差的設(shè)備，其口徑范圍較廣，DN15250（帶先導(dǎo)閥的可達(dá)DN400），壓差設(shè)定范圍廣，像0.10.6，0.21bar等。其結(jié)實(shí)的結(jié)構(gòu)保證它能長久使用在一次側(cè)，也容易 安裝，調(diào)試及維護(hù)。.3

21、60; 壓差控制器42-24：計(jì)算選型通常情況下，壓差控制器的口徑與管徑相同。如果管道太大或者壓差太高，就需要縮徑。閥上的壓降可通過Kv公式來倒算。裝在供水上的壓差控制器型號(hào)為42-24B，回水上的型號(hào)為42-24A。當(dāng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥裝在供水側(cè)，而壓差控制器裝在回水側(cè)時(shí)，42-24控制器里的真空保護(hù)裝置將保護(hù)換熱器，使其壓降恒定，以延長壽命。所以請(qǐng)依照操作說明正確安裝引壓管。3.3        循序漸進(jìn)：從恒流量到裝有組合式閥的變流量新建網(wǎng)的一種解決方案 有時(shí)候分兩階段走的概念適應(yīng)用于第一階段低一些的投資成本，熱網(wǎng)可以逐步擴(kuò)大

22、，或者為了改造先前沒有安裝自控設(shè)備的熱網(wǎng)，需要從恒流量系統(tǒng)改造為變流量系統(tǒng)。  組合式閥42-36E SAMSON流量限制器42-36提供了額外附加電動(dòng)執(zhí)行器的機(jī)會(huì)。所謂的“組合式閥”有三種功能：¨             流量限制（無電動(dòng)頭）；¨             電動(dòng)調(diào)節(jié)閥功能（配合控制系統(tǒng)）；¨             壓差控制集成于電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，以確保良好的控制效果。內(nèi)嵌于閥體內(nèi)的固定孔板改變?yōu)殡妱?dòng)調(diào)節(jié)閥的閥芯，而另外一個(gè)內(nèi)置閥芯是通過膜片執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)壓差控制。42-36E口徑可達(dá)DN250，可選故障安全功能。  改善恒流量系統(tǒng)熱網(wǎng) 為了改善恒流量系統(tǒng)，兩步走的概念可以參照以下步驟：1.  &#