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負壓風(fēng)機外框變速風(fēng)機和變速泵應(yīng)用舉例淺析流量調(diào)節(jié)閥的選型設(shè)計
水泵和風(fēng)機能耗約占供熱空調(diào)工程總能耗的40？這些能耗中的1/3左右被各種調(diào)節(jié)閥門所消耗，但這樣大的代價并沒有換來好的調(diào)節(jié)效果，反而導(dǎo)致工程中許多問題發(fā)生。采用變速風(fēng)機和變速泵充當(dāng)調(diào)節(jié)手段，可節(jié)省這部分能耗，并可解決許多調(diào)節(jié)中的困難。
關(guān)鍵詞：變頻調(diào)節(jié)水工程風(fēng)工程變速水泵變速風(fēng)機
1、引言
在暖通空調(diào)工程中，使用大量的風(fēng)閥水閥對工程中的風(fēng)量水量進行調(diào)整，使其滿足所要求的工況。它們的調(diào)節(jié)原理是增加工程的阻力，以消耗泵或風(fēng)機提供的多余的壓頭，達到減少流量的目的。因此這些調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)作用是以消耗風(fēng)機或水泵運行能耗為代價的。目前暖通空調(diào)工程中愈來愈多地使用自動控制工程。為實現(xiàn)自控，許多風(fēng)閥水閥還要使用電動執(zhí)行機構(gòu)。
目前質(zhì)量好的電動水閥價格為幾千甚至上萬元。電動風(fēng)閥亦需要幾千元。電動風(fēng)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(gòu)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(xiàn)對流量的調(diào)節(jié)？風(fēng)機水泵與風(fēng)閥水閥是一一對應(yīng)的兩類調(diào)節(jié)流量的設(shè)備。
風(fēng)機水泵為流體提供動力，而風(fēng)閥水閥則消耗流體多余的動力。因此，若用風(fēng)機水泵代替風(fēng)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(fēng)機，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機水泵的轉(zhuǎn)速，同樣可以實現(xiàn)對工程的流量調(diào)節(jié)。
此時由于減少了調(diào)節(jié)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(zhuǎn)速的風(fēng)機、水泵價格與相同流量的電動風(fēng)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(fā)，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(diào)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(huán)流量的工程，泵P提供動力以實現(xiàn)水通過閥V、管道及用戶U間的循環(huán)。圖2給出當(dāng)閥全開、泵的轉(zhuǎn)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(guān)小，使管網(wǎng)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(wǎng)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(diào)節(jié)閥消耗了大部分水泵能耗的依據(jù)。此外，水泵工作點偏移造成的不穩(wěn)定、閥關(guān)小后大的節(jié)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(zhuǎn)速降至50%，圖2同時給出此時的工作狀況，這時管網(wǎng)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(jié)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(wěn)定，且不會有節(jié)流噪聲。此簡單例子說明：
(1)當(dāng)調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生調(diào)節(jié)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(wǎng)阻力特性，使管網(wǎng)中的動力機械工作點偏移，在多數(shù)情況下這將導(dǎo)致效率下降。
(2)當(dāng)采用變速方式調(diào)節(jié)流量時，泵或風(fēng)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(fēng)機的工作點不變，因此效率不變，泵、風(fēng)機及工程均可穩(wěn)定地工作。
(3)以調(diào)整泵或風(fēng)機的轉(zhuǎn)速來調(diào)整流量應(yīng)該是流量調(diào)節(jié)的最好手段。
2.2供熱水網(wǎng)
若工程設(shè)計合理，泵選擇適當(dāng)，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(wǎng)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(wǎng)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(dāng)熱用戶個數(shù)足夠多時，(n-1)／(2n)約等于50%，也就是消耗在外網(wǎng)的能耗約有一半被各支路的調(diào)節(jié)閥所消耗。一般用戶側(cè)真正需要的揚程僅為循環(huán)泵揚程的20%～30%，即外網(wǎng)消耗70%～80%。因此，總泵耗的35%～40%的能量被調(diào)節(jié)閥消耗掉。有時為安全起見，循環(huán)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(wǎng)中調(diào)節(jié)閥消耗一半以上的泵耗。
若改用圖5方式連接熱水管網(wǎng)，在各用戶處安裝用戶回水加壓泵，代替調(diào)節(jié)閥，減小主循環(huán)泵的揚程，使其只承擔(dān)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(nèi)的回水加壓泵提供，則其水壓圖見圖6。
此時無調(diào)節(jié)閥，因此也無調(diào)節(jié)閥損失的泵耗，用戶處各個回水加壓泵的揚程應(yīng)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(diào)整轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)各個用戶所要求的流量，因此不再靠調(diào)節(jié)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(nèi)變化，總循環(huán)泵也可用變頻泵，并根據(jù)干管中部供回水壓差(見圖5、6中點A)來控制其轉(zhuǎn)速，使該點壓差維持為零，則工程具有非常好的調(diào)節(jié)性能與節(jié)能效果。分析表明，當(dāng)采用如圖3常規(guī)的管網(wǎng)方式時，若由于某種原因，一半用戶關(guān)閉，不需要供水時，未關(guān)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(wǎng)采用圖5的方式，并且對主循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速進行上述方式的控制，則同樣情況下未關(guān)閉的用戶的水量增加最大的不超8%，工程的水力穩(wěn)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(lián)供熱網(wǎng)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(guī)方式節(jié)省泵的電耗62%，并改善了工程的水力穩(wěn)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(wǎng)承壓要求，處長管網(wǎng)壽命。在各用戶處安裝調(diào)速泵所增加的費用基本上可以從各用戶省掉的電動調(diào)節(jié)閥及節(jié)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(diào)水工程
為減少水泵電耗，便于工程調(diào)節(jié)，許多工程采用兩級泵方式，如圖7。泵組P1可根據(jù)要求的制冷機的運行臺數(shù)而啟停，其揚程僅克服蒸發(fā)器阻力及冷凍站內(nèi)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(jié)能，P2有時還采用變速泵，根據(jù)用戶要求的流量調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)規(guī)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(shè)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(zhuǎn)速就要按照使最末端壓差恒定為5m來控制。假設(shè)各用戶要求的流量均為最大流量的50%，則各用戶本身的調(diào)節(jié)閥都紛紛關(guān)小，此時末端壓差仍為5m，干管流量降低一斗，故壓降變?yōu)?.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(guī)律所預(yù)測的12.5%。造成這種現(xiàn)象是由于現(xiàn)象是由于各用戶調(diào)節(jié)閥關(guān)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(diào)節(jié)閥所消耗。并且空調(diào)工程為了改善其調(diào)節(jié)性能，還希望調(diào)節(jié)閥兩側(cè)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(diào)節(jié)閥消耗掉。
再分析這種工程的穩(wěn)定性。當(dāng)由于某種原因，一些用戶關(guān)閉，一些用戶調(diào)小，總流量降低50%時，干管壓降減少，泵的轉(zhuǎn)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(guān)。這時只要將轉(zhuǎn)速相應(yīng)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(diào)機的電動調(diào)節(jié)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(yīng)周圍環(huán)境溫度的變化而產(chǎn)生體積變化，帶動調(diào)節(jié)閥閥芯產(chǎn)生位移，進而調(diào)節(jié)排熱器的水量來改變排熱器的排熱量。恒溫閥設(shè)定溫度可以人為調(diào)節(jié)，恒溫閥會按設(shè)定要求自動控制和調(diào)節(jié)排熱器的水量，從而來達到控制室內(nèi)溫度的目的。
溫控閥一般是裝在排熱器前，通過自動調(diào)節(jié)流量，實現(xiàn)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(shù)可以在0～100％的范圍內(nèi)變動，流量調(diào)節(jié)余地大，但價格比較貴，結(jié)構(gòu)較復(fù)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(xiàn)場室內(nèi)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(shè)計
溫控閥是供暖工程流量調(diào)節(jié)的最主要的調(diào)節(jié)設(shè)備，其他調(diào)節(jié)閥都是輔助設(shè)備，因此溫控閥是必備的。一個供暖工程如果不設(shè)置溫控閥就不能稱之謂熱計量收費工程。
在溫控閥的設(shè)計中，正確選型十分重要。溫控閥的選型目的，是根據(jù)設(shè)計流量（已知熱負荷下），允許阻力降確定KV值（流量系數(shù)）；然后由KV值確定溫控閥的直徑（型號）。因此，設(shè)計圖冊或廠家樣本一定要給出KV值與直徑的關(guān)系，否則不便于設(shè)計人員使用。
在溫控閥的選型設(shè)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(yù)設(shè)定值的范圍，以防止產(chǎn)生噪音，影響溫控閥正常工作。當(dāng)在同一KV值下，有二種以上口徑的選擇時，應(yīng)優(yōu)先選擇口徑小的溫控閥，其目的是為了提高溫控閥的調(diào)節(jié)性能。
二、電動調(diào)節(jié)閥
電動調(diào)節(jié)閥是適用于計算機監(jiān)控工程中進行流量調(diào)節(jié)的設(shè)備。一般多在無人值守的熱力站中采用。電動調(diào)節(jié)閥由閥體、驅(qū)動機構(gòu)和變送器組成。溫控閥是通過感溫包進行自力式流量調(diào)節(jié)的設(shè)備，不需要外接電源；而電動調(diào)節(jié)閥一般需要單相220V電源，通常作為計算機監(jiān)控工程的執(zhí)行機構(gòu)（調(diào)節(jié)流量）。電動調(diào)節(jié)閥或溫控閥都是供熱工程中流量調(diào)節(jié)的最主要的設(shè)備，其它都是其輔助設(shè)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(shè)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)閥的輔助流量調(diào)節(jié)裝置，但又是非常重要的，如果選型不當(dāng)，或設(shè)計不合理，電動調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)的，不能夠自動地隨工程工況變化而變化阻力系數(shù)，所以稱靜態(tài)平衡閥。手動平衡閥作用的對象是阻力，能夠起到手動可調(diào)孔板的作用，來平衡管網(wǎng)工程的阻力，達到各個環(huán)路的阻力平衡的作用。能夠解決工程的穩(wěn)態(tài)失調(diào)問題：當(dāng)運行工況不同于設(shè)計工況時，循環(huán)水量多于或小于設(shè)計工況，由于平衡閥平衡的是工程阻力，能夠?qū)⑿碌乃堪凑赵O(shè)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(dāng)前負荷下所對應(yīng)的流量要求
1.2 手動平衡閥的選型與設(shè)計中應(yīng)注意的問題(2)
(1)閥門特性曲線決定了閥門的調(diào)節(jié)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(xiàn)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(diào)節(jié)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(quán)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(dǎo)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(quán)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(dǎo)致閥門的有效調(diào)節(jié)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(quán)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(qū)，渦旋區(qū)和新壓力很低，該處壓力低于水溫對應(yīng)的飽和壓力時水蒸氣的閃發(fā)揮導(dǎo)致汽水擊現(xiàn)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(fā)生首先在閥們流道設(shè)計上考慮閥塞和閥座在小開度時形成狹長的節(jié)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(quán)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(xiàn)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(xiàn)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(jīng)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(tài)失調(diào)問題：為了保持單臺制冷機、鍋爐、冷卻塔、換熱器這些設(shè)備的高效率運行，就需要控制這些設(shè)備流量固定于額定值；從工程末端來看，為了避免動態(tài)調(diào)節(jié)的相互影響，也需要在末端裝置或分支處限制流量。
在設(shè)計中應(yīng)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(chǎn)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(huán)水泵多增加2米水柱的工作揚程，所以應(yīng)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(diào)節(jié)閥
1、差壓調(diào)節(jié)閥的原理
差壓調(diào)節(jié)閥的原理，本質(zhì)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(diào)節(jié)閥中沒有孔板這一部件，而是把差壓調(diào)節(jié)閥后面的工程看作一個孔板，因此，調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)可以看出：這種調(diào)節(jié)閥，目的是控制其后工程出入口壓力差值固定不變。基本功能是根據(jù)熱用戶熱負荷的需求，自動調(diào)整熱用戶的運行流量。當(dāng)一幢建筑，由于有的熱用戶要求室溫降低，則相應(yīng)房間溫控閥的開度變小，導(dǎo)致差壓調(diào)節(jié)閥的壓差值變大，超過設(shè)定值，此時壓差調(diào)節(jié)閥自動關(guān)小閥芯，增大節(jié)流作用，使其工程壓差值減小，直至恢復(fù)為設(shè)定值。最終的效果是減少流量，適應(yīng)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(diào)節(jié)閥的作用正好相反(3)。
2、在設(shè)計時應(yīng)注意的問題
有人認為在各戶內(nèi)工程或立管上，都應(yīng)裝置壓差調(diào)節(jié)閥。經(jīng)過模擬計算：如果在建筑物的熱入口，統(tǒng)一安裝了平衡閥（含手動、自力式）或壓差調(diào)節(jié)閥（但設(shè)計要合理），則室內(nèi)溫控閥在任何調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，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(diào)節(jié)閥沒有必要，也是不經(jīng)濟的。
五、循環(huán)水泵變流量運行時，流量調(diào)節(jié)閥的選擇
這里主要指手動平衡閥、自力式平衡閥和壓差調(diào)節(jié)閥的選擇。在循環(huán)水泵變流量運行時，手動平衡閥呈等比失調(diào)，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(xiàn)理想調(diào)節(jié)。循環(huán)水泵變流量運行，各熱用戶入口最理想的設(shè)定壓差值應(yīng)是隨室外氣溫變動的。對于這一點，自力式平衡閥、差壓調(diào)節(jié)閥，都不夠理想，但不會出現(xiàn)調(diào)節(jié)的失控。因此可采用這一類型的調(diào)節(jié)閥，這對提高供熱工程的調(diào)節(jié)性能是有好處的。
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