浅析多功能压差控制阀在供暖管网中的应用

供热管网的作用就是以较低的能耗将热源提供的热量按要求输配给热用户。管网的布置是否合理直接影响到系统的水力工况，近而影响末端的采暖效果。因此管网的水力平衡是获得良好供热效果的保障。对于既定的设计管网布局，其实际运行工况往往与设计工况相去甚远，产生水力失调的现象，而作为热量的载体，热媒的水力失调势必导致热力失调。所以，对实际运行工况的调节是非常关键的环节。其中，实现管网水力平衡的一个重要手段就是安装阀门，通过调节阀门改变管网阻力分布，从而达到流量的合理分配。

1.1手动平衡阀

手动平衡阀是供热管网中一种普遍应用的阀门，一般安装在支路（热用户）的入口处，通过调节其开度实现支路流量的调节。其优点在于一旦开度设定，各支路的阻抗比就随之固定，所以支路间的流量比例恒定。当热源处根据末端负荷变化进行量调节时，新工况的流量仍以之前各支路的流量比例进行分配，各支路流量呈现一致等比变化的特点，不会出现水力失调的情况。但其缺点也十分的明显，首先，在进行管网水力初调节时，调节步骤繁琐，操作过程不易控制，通常采用的方法（如比例调节法、补偿法等）都需要至少两组人员反复沟通，同时进行多个支路的调节。另外，当管网接入新的热用户时，整个管网的阻抗会发生新的变化，造成流量重新分配，这要求对之前所有的手动平衡阀进行重新设置，可想而知工作量非常大，耗时耗力。对于管网系统较小，支路较少且无新增支路的情况下，手动平衡阀是适用的，而且在进行量调节时，能够保持水力的稳定性。

1.2自力式流量控制阀

自力式流量控制阀克服了手动平衡阀反复调节的难题。它根据各支路（各用户）的设计流量锁定流量值，当干管中流量发生波动时，自力式流量调节阀通过自身调节使其通过流量维持恒定，即便引入新的热用户也不会对之前的用户产生影响，只需适当加大总流量即可。而且，进行管网调节步骤简单，只需根据各支路设计流量逐个设定，相互之间不会产生影响，当然不必反复调节。但它不支持量调节，当末端负荷减小，各用户所需流量也相应减小时，如果热源处也相应降低流量，就会行成“近端优势”现象，即靠近动力设备的部分自力式流量控制阀会不断增加开度以维持原流量，而远端的自力式流量控制阀即使处于全开状态也无法满足流量需求，发生水力失调。由此看来，自力式流量控制阀能够恒定各支路（各用户）的设计流量，避免相互间的干扰，实现水力平衡，但前提是系统中有足够的总流量，因此，它在管网的输送能耗方面的节能并不明显。根据其工作特点，热源处可以施行质调节的方式，从而在根本上减少热量的消耗。

1.3自力式压差控制阀

随着按建筑面积收费方式弊端的显露，热计量理念深入人心。用户可根据自身需求自主调节流量，但同时管网的水力工况波动较大，会给管网的平稳运行造成很大影响。通过在用户端安装自力式压差控制阀可以在很大程度上维持管网水力工况稳定。当用户自主调节流量时，其散热设备的局部阻力会产生相应的变化，散热设备进出口之间的压差也会发生改变，自力式压差控制阀可以改变阀门前后的压差来抵消用户的压差波动，维持用户端的压差恒定。安装在管网支路入口处，可以实现各支路间的自主调节而且避免相互干扰[1]。但这种阀门也不支持热源处的量调节。

虽然按热量计费的方式正在推行，但现实情况是有大量的供热系统，按计量收费设计、施工，热用户未安装热量表，或安装了热量表未按热计量收热费，用户没有自主调节流量的需求，计量收费的系统方式中的变频泵无法实现节能运行，因此我们有必要设计一种新型平衡阀：在完全计量收费时，该阀能完全支持用户自主调节需求；而对当前大量未完全采取计量收费的供热系统，该阀能像手动平衡阀一样，支持热源主导变流量，各分支（各用户）的流量变化一致等比。这就是本文涉及的多功能压差控制阀。

2.1基本结构

多功能压差控制阀的结构如图1所示，主要由阀体、弹簧、阀杆、感压膜、调压装置、限位装置等组成。通过调压阀和阀塞定位杆来设置被控管路的压差。

图1多功能压差控制阀结构图

2.2工作原理 

图2为多功能压差控制阀回水安装示意图，其中A、B、C三个热用户为压差控制对象，供水压力为P1，阀前压力为P2，回水压力为P3，供回水压差为△P1-3，控制压差为△P1-2，阀门工作压差为△P2-3。阀门通过导压管与供水管连接。

图2 多功能压差控制阀回水安装示意图

由于热水管网中，水的流动状态处于阻力平方区，流体的压力降与流量存在如下关系：

式中△P——网路计算管段的压力降,  Pa；

S——网路计算管段的阻力数,  Pa/(m3/h)2；

Q——网路计算管段的水流量，m3/h。

对于图2管路而言，控制压差△P1-2的变化直接影响A、B、C三用户的流量大小。

当供水压力P1增大时，供回水压差△P1-3增大，感压膜带动阀杆下移，阀门开度减小，

△P2-3增大，从而维持控制压差△P1-2不变；同样，当其中某用户（如A）流量调小或关断时，被控制管段的总阻力变大，此时P2 减小, △P1-2瞬间增大，感压膜带动阀杆下移，阀门开度减小，△P2-3增大，△P1-2恢复原来大小。通过阀门的动态调节，维持△P1-2恒定，从而使得流量恒定。

当供水压力P1减小时，供回水压差△P1-3减小，但由于阀塞限位杆的限制，感压膜无法带动阀杆上移，阀门开度不能增加，此时控制压差△P1-2减小，可以实现对被控管路流量的调节。

2.3调节过程

多功能压差控制阀的调节过程比较简单，首先，把阀门调节到最大开度值，然后，根据被控管路的设计流量调节至合适的控制压差，最后，调节阀塞定位杆，将满足设计流量时的开度设定为最大工作开度。

3.多功能压差控制阀性能测试

本实验以ZYD47自力式多功能压差控制阀DN50mm型号进行性能测试，采用回水安装方式，运用改变供水压力的方式模拟热源变流量调节工况，通过实测数据分析对其各项功能进行测试。

3.1实验步骤

（1）按图2方式安装被测阀门；

（2）三用户的设计流量均为2m3/h,则总流量Q为6 m3/h；

（3）供水压力P1为280kpa时,调节压差控制器至流量Q为6 m3/h，此时控制压差△P1-2为20 kpa；

（4）调节阀塞定位杆，当流量显示减小时，停止调节，此时阀塞定位杆即为设定位置。

（5）减小用户A流量直至为零，被控压差△P1-2为21.3 kpa，B、C用户流量分别为2.1m3/h、2.05 m3/h。

（6）将用户A流量恢复到2m3/h，此时系统恢复到步骤（4）的状态；

（7）逐步增大供水压力（本实验增至320 kpa），被控压差及各用户流量均保持恒定。

（8）逐步减少供水压力，分别记录供水压力P1，阀前压力P2和总流量Q，见表一。

表一

3.2数据处理及分析

由表一数据计算各工况下控制压差△P1-2。由公式（1—1）计算以上七种工况下，阀门的阻力数S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7分别为0.556、0.535、0.510、0.490、0.517、0.500、0.638，列入表二。

表二

3.2.1根据步骤5可知：多功能压差控制阀支持用户端自主调节，在误差允许范围内，维持被控压差恒定，避免对其他用户的干扰。

3.2.2根据步骤7可知：当管网供水压力增大时，被控管路的压差和流量均无变化，保持水力平衡。

3.2.3根据步骤8中的数据显示，当用户端所需负荷较小时，热源端可以通过较少水泵运行台数，或者变频来实现量调节，此时，由于阀杆限位装置的作用，自力式多功能压差控制阀相当于一个手动平衡阀，其流量成抛物线型较小，所以自力式多功能压差控制阀完全支持热源端的变流量调节。

4.1 多功能压差控制阀具备自力式压差控制阀的功能，在运行过程中，由于某些原因造成供回水压力出现波动时，多功能压差控制阀可以通过自身开度的变化消除压力波动，保持被控管路的压差不变，从而保证被控管路流量的稳定，克服了管网压力波动对被控管路的影响；在被控管路中，用户可以在设计流量范围内进行自主调节，但又不影响其它用户。因此多功能压差控制阀可削弱被控环路内部各支路间的调节干扰，保持被控环路的压差恒定，从而满足被控环路不同用户的需求。

4.2当热源端根据热负荷降低相应减小流量时，多功能压差控制阀相当于流量系数恒定的手动平衡阀，使得各管路流量呈现一致等比变化，从而支持量调节，较少输送能耗，达到节能的目的。

[1] 符永正，崔笑千,刘万岭.自力式自压差控制阀在暖通工程中的应用[J].

阀门.2003(06).

[2] 李德英，许文发.供热工程[M].中国建筑工业出版社.