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1 熱力站的運行現(xiàn)狀及控制手段
目前國內(nèi)供熱系統(tǒng)包括一次水系統(tǒng)和二次水系統(tǒng)，都普遍采用大流量小溫差的運行方式，實際供水溫度比設計供水溫度低10～20℃，循環(huán)水量增加20%～50%。此種運行狀態(tài)使循環(huán)水泵電耗急劇增加（50%以上）、管網(wǎng)輸送能力嚴重下降、熱力站內(nèi)換熱設備數(shù)量增加。其原因除受熱源的限制不能提高供水溫度外，主要是因為管網(wǎng)缺乏必要的控制設備，系統(tǒng)存在水力失調(diào)的問題，為保證不利用戶供熱而采取的措施。因此，應該在供熱系統(tǒng)增加控制手段解決水力失調(diào)工況后，將供水溫度提高到設計溫度或接近設計溫度，以提高供熱系統(tǒng)的輸送效率、節(jié)約能源，并為用戶擴展打下良好基礎。
供熱系統(tǒng)的一次系統(tǒng)因通過每個熱力站的水量得不到有效控制而造成的水力失調(diào)和能源浪費現(xiàn)象很嚴重。因此應在熱力站入口裝設流量控制設備以解決一次水系統(tǒng)的水力失調(diào)問題。對于定流量質(zhì)調(diào)節(jié)運行方式應裝設自力式流量限制器，對于變流量調(diào)節(jié)的系統(tǒng)應裝壓差控制器或電動調(diào)節(jié)閥。為了提高熱力站的自動化控制水平，越來越多地在熱力站一次管網(wǎng)上采用電動調(diào)節(jié)閥進行供熱系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)。
2 電動調(diào)節(jié)閥的合理選用
目前熱力站大多采用電動兩通調(diào)節(jié)閥，該閥門具有對數(shù)特性。它的優(yōu)點是流量小時，流量變化小，流量大時，則流量變化大，也就是在不同開度上，具有相同的調(diào)節(jié)精度。
根據(jù)經(jīng)驗，閥門的理想壓降應等于系統(tǒng)壓降，也就是當閥門的閥權度β為0.5時，閥門的工作狀態(tài)比較理想，調(diào)節(jié)性能較穩(wěn)定，調(diào)節(jié)較精確。在供熱系統(tǒng)中，絕大多數(shù)調(diào)節(jié)閥工作在變工況狀態(tài)，即使在設計工況下，也很難工作在β＝1的條件下，選用閥權度接近0.5的閥門，會具有在較為理想的工作條件下的理想工作特性。
流通能力Cv是選擇調(diào)節(jié)閥的主要參數(shù)之一，其定義為：當調(diào)節(jié)閥全開，閥兩端壓差為0.1MPa，流體密度為1g/cm3時，每h流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量，也稱流量系數(shù)。實踐中主要通過閥體的截面流量來確定和選擇，再通過閥權度進行校核計算。具體計算時，液體的Cv值按所選型廠家推薦圖表，根據(jù)流通能力按調(diào)節(jié)閥樣本選取該Cv值相對應的調(diào)節(jié)閥口徑，初步確定調(diào)節(jié)閥的公稱通徑，再計算此時閥門的閥權度，經(jīng)過校核計算，選擇最接近β＝0.5的閥門。
舉例如下。設計數(shù)據(jù)：系統(tǒng)流量80m3/h，系統(tǒng)壓降55kPa，圖1為調(diào)節(jié)閥的流量與壓力關系圖，圖中水平線A-A表示流量為80m3/h，垂直線B-B表示壓降為55kPa。
根據(jù)圖1，A-A水平線與諸多的Cv斜線及垂直線B-B相交，找到與B-B線的相交點C，可以看到距C點最近的D，E兩點，此兩點分別是A-A線與Cv145線、Cv100線的交點，則對這兩個Cv值進行驗證，以進一步確定最優(yōu)的選擇。D，E點處所對應壓降為此工況下使用該閥門時的壓降，查圖1可知，分別為26kPa和60kPa
對于Cv＝100m3/h的閥門，此時的壓降為60kPa，計算可得，閥權度β＝60kPa/（60kPa＋55kPa）＝0.522。
對于Cv＝145m3/h的閥門，壓降為26kPa，計算可得閥權度β＝26kPa/（26kPa＋55kPa）＝0.321。
由上述計算可看出Cv＝100m3/h閥門的閥權度最接近0.5的理想狀態(tài)，因此，對于設計流量80m3/h，壓降55kPa的管道來說，安裝Cv＝100m3/h的閥門較合理，再根據(jù)選型樣本可以確定選用DN80的電動調(diào)節(jié)閥。
根據(jù)不同的形式和規(guī)模，熱力站大致可以分為以下幾種情況：
1）熱力站的初期供熱規(guī)模等于或接近設計容量，這種情況下電動調(diào)節(jié)閥比較容易選擇，可以根據(jù)熱力站運行設計流量、壓降，通過上述計算方法進行計算選擇。根據(jù)計算結果可推算出，設計流量為選定調(diào)節(jié)閥全開流量的70%～80%，則可直接將設計流量作為電動調(diào)節(jié)閥開度80%所對應的流量進行選型，通過計算驗證確定最終的選型結果，這樣既可滿足使用要求、保證調(diào)節(jié)的精度，又可節(jié)約初投資費用。
2）熱力站的初期供熱規(guī)模小于設計容量，但大于設計容量的50%，這種情況可以根據(jù)熱力站的運行參數(shù)，分別計算出初期和終期規(guī)模所需的流量，根據(jù)這兩種狀態(tài)下的流量比對電動閥選型手冊，以電動閥的最佳開度30%～80%為原則進行選型，如果最大和最小流量能夠同時在1臺電動閥的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，則可確定該電動閥適合該熱力站的運行要求；如果最大和最小流量不同時在1臺電動閥調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，且偏差不大，則可以終期流量為準，選擇稍大的電動閥，隨著供熱用戶的不斷增加，可進行精確地調(diào)節(jié)，直至達到終期負荷。
3）熱力站的初期供熱規(guī)模遠遠小于設計容量，且短期不能達到最終規(guī)模，1臺電動調(diào)節(jié)閥不能同時滿足初期和終期的供熱調(diào)節(jié)需求，這時可以有兩種辦法解決。方法一：先根據(jù)初期和中期的供熱負荷及運行參數(shù)計算出所需的流量，根據(jù)電動調(diào)節(jié)閥的選型原則進行選型，待熱負荷發(fā)展到超出該閥的調(diào)節(jié)范圍后，可另行選擇電動調(diào)節(jié)閥，此時以最終的供熱規(guī)模即設計容量為計算依據(jù)，選取適用的電動調(diào)節(jié)閥。此方法費用相對較高，且實施起來較為煩瑣。方法二：用帶有調(diào)節(jié)功能的平衡閥與電動調(diào)節(jié)閥并聯(lián)，各分擔一部分流量的調(diào)節(jié)功能（如圖2所示），這樣既可滿足初期的小流量調(diào)節(jié)要求，也可同時滿足終期的大流量調(diào)節(jié)要求，還能節(jié)約初投資，免去更換閥門的費用和精力。
選型時，先根據(jù)初期供熱規(guī)模和設計容量及運行參數(shù)，分別計算出所需流量，以初期供熱所需流量作為電動調(diào)節(jié)閥最小經(jīng)濟流量的依據(jù)，選出適合的電動調(diào)節(jié)閥，再根據(jù)所選擇電動調(diào)節(jié)閥的最大合理調(diào)節(jié)流量，確定終期不可調(diào)節(jié)的流量，即用設計所需流量減去該電動調(diào)節(jié)閥的最大合理調(diào)節(jié)流量，作為依據(jù)來選擇合適調(diào)節(jié)精度的平衡閥。對于這種并聯(lián)連接方式，電動調(diào)節(jié)閥兩側的壓差沒有太大變化，即閥權度沒有多少變化，此時的電動調(diào)節(jié)閥可視為沒有增加并聯(lián)閥門時的調(diào)節(jié)特性，那么調(diào)節(jié)閥的并聯(lián)只實現(xiàn)了部分流量調(diào)節(jié)，從而節(jié)約了閥門的初投資。此方法適用于一次管網(wǎng)管徑偏大且初期－終期熱負荷變化較大的熱力站設計，由于大管徑電動調(diào)節(jié)閥可選擇性較小且價格比小管徑電動調(diào)節(jié)閥有大幅提升，從經(jīng)濟性方面考慮，這種并聯(lián)的方案可解決此類問題。
舉例說明：某熱力站初期供熱設計流量60m3/h，終期供熱設計流量300m3/h，該站初期－終期設計流量差距很大，為了解決這種情況下的電動調(diào)節(jié)閥選型問題，可以先將初期設計流量60m3/h作為可選電動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)開度30%對應的流量，選出電動調(diào)節(jié)閥的Cv值，為180m3/h，再對比選型樣本確定選用Cv＝220m3/h的DN125電動調(diào)節(jié)閥，這樣，選擇的電動調(diào)節(jié)閥就可調(diào)節(jié)180m3/h的流量，其余120m3/h流量通過選擇合適的平衡閥來進行調(diào)節(jié)，由于電動調(diào)節(jié)閥有可能發(fā)生故障，此時管道內(nèi)流量全部需要通過平衡閥進行調(diào)節(jié)，因此平衡閥可比所選調(diào)節(jié)流量稍大。
根據(jù)平衡閥的選型計算，求得全壓降值Δp
Δp=0.5ζρυ2 （1）
式中 ζ為平衡閥全開時的局部阻力系數(shù)，可取10～15；ρ為流體密度；υ為管道內(nèi)的設計流速。
設計流速υ≥0.7m/s，按式（1）可求得Δp=2.45kPa。當計算出的Δp≥2kPa時，說明此工況適合選擇使用該閥門，再將確定的流量與選型樣本對照即可得出選擇DN125的平衡閥是合理經(jīng)濟的，這樣就完成了兩條并聯(lián)線路閥門的選擇。
另外，從壓差角度考量閥權度的變化：如圖2所示，設主管網(wǎng)供回水設計壓差為400kPa，所選電動調(diào)節(jié)閥在設計流量下的全開閥端壓差為60kPa，單獨使用該電動調(diào)節(jié)閥的情況下，閥權度β＝60kPa/400kPa＝0.15，顯然過小，閥門的調(diào)節(jié)性能很差，此時可采用在并聯(lián)前串聯(lián)平衡閥的連接方式，來解決管路壓差過高，調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)性能變差的問題。如圖3所示，在主管路上電動調(diào)節(jié)閥前端增加平衡閥，使其克服多余的資用壓頭，剩下的資用壓頭由電動調(diào)節(jié)閥克服，目的是使電動調(diào)節(jié)閥的閥端設計壓差與工作壓差之比盡量接近0.5，以改善調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)性能。若以上述為例，選同一口徑的平衡閥與調(diào)節(jié)閥串聯(lián)，關小該平衡閥，使其克服250kPa的資用壓頭，則剩下150kPa資用壓頭由電動調(diào)節(jié)閥克服，此時電動調(diào)節(jié)閥的閥權度β＝60kPa/150kPa＝0.4，調(diào)節(jié)性能明顯得到了改善，且接近理想調(diào)節(jié)狀態(tài)。通過此種串聯(lián)安裝方式，電動調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)性能提高了，但由于串聯(lián)并關小了該平衡閥，則該管路的流量也相應減少了，那么并聯(lián)線路中平衡閥的選擇就要作相應調(diào)整，以適應調(diào)節(jié)流量的變化，方法同上。
如圖2所示，將電動調(diào)節(jié)閥和平衡閥兩路并聯(lián)，聯(lián)合調(diào)節(jié)是目前常用的既經(jīng)濟又合理且方便使用的組合方式。該方法的調(diào)節(jié)方法和過程是這樣的：在供熱初期，將平衡閥一路關閉，打開電動調(diào)節(jié)閥一路，根據(jù)實際需要調(diào)節(jié)開度，隨著供熱規(guī)模的擴大，調(diào)節(jié)電動閥的開度以適應用熱的發(fā)展，直至達到最大合理開度仍無法滿足要求時，先關閉電動調(diào)節(jié)閥，將平衡閥一路開啟，根據(jù)需要調(diào)節(jié)平衡閥的開度，由于平衡閥的調(diào)節(jié)功能有限，如果無法滿足流量要求或精度要求，此時開啟電動調(diào)節(jié)閥，對兩路流量進行合理分配和調(diào)節(jié)，即可達到需要的流量和精度要求。調(diào)節(jié)是個精細的工作，既需要操作人員的技術水平和經(jīng)驗，又需要準確的供熱數(shù)據(jù)作為調(diào)節(jié)的基礎，因此要將此項工作做好，還需要做大量的準備和調(diào)節(jié)工作。
此方法也可以推廣至前兩種情況下使用，可以大大減小電動調(diào)節(jié)閥的口徑，節(jié)約初投資。由于此方法的諸多優(yōu)點，已越來越多地應用在熱力站的自動控制中，大大提高了熱力站的自動控制水平和安全性。
3 選型應注意的問題
由于不同換熱站所處系統(tǒng)位置不同，對于整個系統(tǒng)來說，每個熱力站一級管道進出口的壓差也是有區(qū)別的（如圖4所示），靠近熱源前端Ａ點的管道進出口的壓差相對較大，安裝的調(diào)節(jié)閥閥端壓差Δpa也較大；系統(tǒng)末端B點的管道進出口壓差就偏小，安裝的調(diào)節(jié)閥閥端壓差Δpb也小，管道內(nèi)的不同壓差對電動調(diào)節(jié)閥的選型有很大影響，因此初步選型確定電動調(diào)節(jié)閥型號后，應對整個系統(tǒng)進行相應的水力計算，尤其應對熱力站一次管網(wǎng)進出口處的壓差進行詳細計算，以校核該選定電動調(diào)節(jié)閥的閥端壓差。在電動調(diào)節(jié)閥的選型樣本中，電動調(diào)節(jié)閥有一個出廠時設定的最佳閥端壓差值，要將計算出的一次管網(wǎng)進出口處壓差與閥門推薦壓差進行對比，確保不超過閥門的最大關閉壓差，以選擇最適合的電動調(diào)節(jié)閥。電動調(diào)節(jié)閥有一個優(yōu)點就是針對不同的壓差條件可以選擇不同驅(qū)動器來滿足最大的管網(wǎng)壓差要求。
在系統(tǒng)前端，熱力站一次管網(wǎng)進出口壓差較大時，為了減小該處的進出口壓差，需采取一些相應的技術手段，比如安裝壓差控制器或節(jié)流孔板等設備，也可采用圖3中串聯(lián)平衡閥的方法來減小電動調(diào)節(jié)閥的壓差，具體選型方法如前所述；在系統(tǒng)末端，由于前端一次管網(wǎng)管段過長，阻力消耗過大，且存在前端熱力站流量分配不均，壓降過大，造成一次網(wǎng)末端壓差太小，也可考慮在適當位置增加中繼泵站，以增加后端管道內(nèi)流體壓差，滿足調(diào)節(jié)閥的壓差需求。以上各種措施需要根據(jù)不同情況進行計算后裝設。通過這些技術手段就可以避免由于近端電動調(diào)節(jié)閥失調(diào)，流量超量；系統(tǒng)末端熱用戶的供回水資用壓頭過小（不再依設計水壓圖運行），即使調(diào)節(jié)閥全開，也達不到設計流量，會產(chǎn)生冷熱不均的現(xiàn)象。正確選擇、安裝電動調(diào)節(jié)閥，對于整個一次網(wǎng)系統(tǒng)的安全運行、精確調(diào)節(jié)都能起到較好的作用。
另外，為了節(jié)約投資，在系統(tǒng)最末端的換熱站可以不設置電動調(diào)節(jié)閥，只需將前端的調(diào)節(jié)閥進行合理設置和調(diào)節(jié)，給末端留有足夠的壓頭和流量即可滿足設計和使用要求。
電動調(diào)節(jié)閥在實際應用當中還存在著諸多的不確定因素和不可控環(huán)節(jié)，制約著調(diào)節(jié)的精度，尤其是運行初期，整個系統(tǒng)還未穩(wěn)定，不能著急調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)閥，需等整體的流量、溫度穩(wěn)定后，注意進行調(diào)節(jié)并觀測效果，要先根據(jù)經(jīng)驗進行粗調(diào)，再由系統(tǒng)前端至后端逐一微調(diào)，直至各換熱站流量分配相對均勻、平衡。
4 結語
在換熱站安裝電動調(diào)節(jié)閥，是非常必要且切實可行的調(diào)節(jié)手段，正確選型、合理布置并準確調(diào)節(jié)后，可基本解決一次網(wǎng)管道的水力失調(diào)問題，從而大量節(jié)約能源，改變目前的大流量小溫差的浪費現(xiàn)象，節(jié)電和節(jié)能效果顯著，值得推廣應用。
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