不同工況下選擇平衡閥需注意的問題
1、引言
在供熱系統(tǒng)中，二次管網(wǎng)的情況千差萬別。有流量恒定的二次管網(wǎng)，也有進行了節(jié)能改造的隨季節(jié)溫度變化可調(diào)節(jié)流量的二次管網(wǎng);有進行了熱計量改造的用戶，也有沒有改造的用戶;有不斷增加用戶的管網(wǎng)，也有供熱飽和、用戶數(shù)恒定的管網(wǎng)。對于不同的工況，平衡閥種類的選擇非常重要，只有選擇了正確的平衡閥，才能達到水力平衡、增加熱效率、節(jié)約能源的效果。
本文針對上述不同管網(wǎng)的工況，通過工程實例，分析平衡閥選擇中需注意的問題，以使用戶達到最佳的供熱效果。
2、水力工況平衡的原理
水力工況指各管段的壓力、流量及壓差。
由公式⊿P=SG2
⊿P——壓差(阻力損失);
S——管段或系統(tǒng)的阻力系數(shù);
G——管段或系統(tǒng)流量。
可知，流量和壓力是相關(guān)參數(shù)。見圖1。流量和壓力的調(diào)控互為手段和目的。對于外網(wǎng)特性曲線⊿P=SG2，由于并聯(lián)的近端支路S值都會小于設(shè)計值，造成總S值遠小于設(shè)計值，即實際阻力低于設(shè)計阻力，循環(huán)水泵的工作點處于水泵特性曲線的右下側(cè)，使實際水量偏大。水泵長期在小揚程大流量工況下運行，水泵在大軸功率、低效率點運行則電機經(jīng)常超額定電流，這樣就造成電能的浪費，嚴(yán)重時會發(fā)生燒毀電機的事故。
采暖系統(tǒng)的平衡調(diào)節(jié)就是用適當(dāng)?shù)钠胶忾y，增加近端阻力，使近端支路S值增大至設(shè)計值，總S值增大至設(shè)計值。使近端流量分配均勻合理，循環(huán)水泵的揚程和流量在設(shè)計工況下運行，達到節(jié)熱、節(jié)電、提高供熱質(zhì)量的目的。
3、平衡閥的種類、性能與用途
平衡閥分靜態(tài)平衡閥和動態(tài)平衡閥。靜態(tài)平衡閥即手動調(diào)節(jié)閥或手動平衡閥。動態(tài)平衡閥指自立式流量控制閥和自立式壓差控制閥。
3.1、手動平衡閥
手動平衡閥具有造價低、元件使用壽命長等優(yōu)點。對支路不多的小型管網(wǎng)可方便進行水力工況平衡。對于熱源主動變流量管網(wǎng)只能采用手動平衡閥。因為只有手動平衡閥才能保證流量的一致等比變化，而自立式平衡閥不能保證熱源主動變流量運行。
3.2、自立式流量控制閥
自立式流量控制閥作用對象是流量，主要適用于定流量系統(tǒng)，把系統(tǒng)流量保持在設(shè)定值內(nèi)，限制相連用戶的流量變化對其影響，避免用戶間的爭流現(xiàn)象，以保證最不利環(huán)路的流量不小于設(shè)定值。該閥的結(jié)構(gòu)是由一個手動調(diào)節(jié)閥和自動平衡閥組成。手動調(diào)節(jié)閥作用是設(shè)定流量，自動平衡閥組的作用是維持流量的恒定。對于手動調(diào)節(jié)閥組來說，流量G=KV(P2-P3)1/2，式中KV為手動調(diào)節(jié)閥閥口的流量系數(shù)，P2-P3為手動調(diào)節(jié)閥閥口兩側(cè)的壓差。KV的大小取決于開度，開度固定，KV即為常數(shù)，那么只要P2-P3不變，則流量G不變。而P2-P3的恒定是由自動平衡閥組控制的，自動平衡閥組能夠增大或減少閥前的阻力，使得閥前后的壓差保持不變。
對于變流量運行的管網(wǎng)不可采用自立式流量控制閥。在熱源主動變流量的情況下，近端回路維持流量不變，而遠端回路流量會嚴(yán)重不足。在熱用戶主動變流量的情況下，用戶主動調(diào)小流量時，自立式流量控制閥會開大閥門，盡量維持原流量，直到全開失效為止。用戶主動調(diào)大流量時，自立式流量控制閥會關(guān)小閥門，直到全閉失效為止。亦只有自立式流量控制閥失效，用戶主動的流量要求才能實現(xiàn)。
3.3、自立式壓差控制閥
自立式壓差控制閥也稱動態(tài)壓差平衡閥，它的基本功能是能夠消耗掉系統(tǒng)的富裕壓頭，保證資用壓頭，隔絕用戶間流量變化互相干擾，為控制閥提供良好的工作條件，保證系統(tǒng)壓差恒定的目的。電動閥前加自立式壓差控制閥保證受外網(wǎng)波動給電動閥造成的頻繁動作，減少電動閥由信號遲到造成的誤動作，營造一個相對舒適的環(huán)境。
采用自立式壓差控制閥對水泵控制，可以節(jié)省很大費用。供熱系統(tǒng)中循環(huán)水泵在系統(tǒng)流量減少時，揚程會增大，同時，當(dāng)管道阻力隨流量減少，以平方關(guān)系降低時，克服阻力所需的壓頭大大下降。過高壓頭不僅導(dǎo)致控制閥產(chǎn)生噪音、控制性能變差和振蕩等問題，同時對水泵的運行也帶來了不必要的電力消耗，當(dāng)管道阻力隨流量變化以平方關(guān)系變化時，水泵耗電量隨流量變化呈立方關(guān)系變化，因此對水泵進行控制可以減少電的消耗。
采用自力式壓差控制閥，為系統(tǒng)的動態(tài)平衡調(diào)節(jié)提供了可靠的保證。尤其是分戶計量后，當(dāng)某用戶因不付費被關(guān)閉，如果沒有自力式壓差控制閥，被關(guān)閉的用戶的流量就會強加給其它用戶，這樣就造成了其它用戶多付費甚至造成立管與立管之間的不平衡。當(dāng)使用自力式壓差控制閥后，通過壓差控制閥的動作流量就不會強加給其它用戶，也不會造成不平衡。
4、平衡閥在解決采暖系統(tǒng)水平失調(diào)中的應(yīng)用
自立式流量限制器在定流量系統(tǒng)中的節(jié)能效果是非常顯著的。以2008年法源寺西里小區(qū)安裝自立式流量限制器為例。該小區(qū)熱力站供暖面積為75600平方米，熱力站循環(huán)水泵在2008年以前沒有安裝自立式流量限制器，即該系統(tǒng)為定流量系統(tǒng)，系統(tǒng)存在著穩(wěn)態(tài)失調(diào)。為了緩解因穩(wěn)態(tài)失調(diào)使系統(tǒng)末端用戶因循環(huán)水量偏小帶來室溫偏低的問題，只能靠加大循環(huán)水量來滿足這些用戶的采暖需要�？吭龃笱h(huán)水量，并未從根本上解決系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)失調(diào)的問題，反而使系統(tǒng)運行更不經(jīng)濟了，能源消耗增加更大了，形成了高能耗低效率的運行狀態(tài)。2008年時，一部分支路安裝了自立式流量限制器，一部分支路當(dāng)年沒有及時安裝自立式流量限制器。供熱效果明顯不同。安裝了自立式流量限制器的支路雖然帶的是回遷樓，以前因回遷樓圍護結(jié)構(gòu)保溫性能較差，供熱效果不好，當(dāng)年卻沒有反饋不熱現(xiàn)象，未安裝自立式流量限制器的支路盡管是商品房，圍護結(jié)構(gòu)保溫性能極好，供熱效果也不盡人意，存在冷熱不均等問題。2008年時，雖然小區(qū)沒有全部安裝自立式流量限制器，但是通過對現(xiàn)有的平衡裝置的調(diào)節(jié)，循環(huán)水泵流量大大降低，供熱效率也有所提高。經(jīng)統(tǒng)計，安裝了水力平衡裝置后產(chǎn)生的節(jié)熱率大于10%，節(jié)電率大于50%。
法源寺西里小區(qū)改造前后耗電量對比表
自力式壓差控制閥在分戶計量用戶中的作用也是非常顯著的。
以京貿(mào)家園西區(qū)熱力項目為例：該小區(qū)2010年建成，建筑面積17萬平方米，由A1~A4四棟住宅樓別墅組成，樓高30～35層。分高、中、低三個系統(tǒng)供暖，供暖形式為分戶供暖。小區(qū)補裝熱計量裝置后，在每個單元小室回水處安裝了樓前動態(tài)壓差平衡閥和手動平衡閥，取代原安裝閘閥。動態(tài)壓差平衡閥可以消除近端剩余資用壓頭。解決建筑兩側(cè)單元負荷大于中間單元，供暖品質(zhì)降低的問題，手動平衡閥可以方便地對于熱源主動變流量管網(wǎng)進行調(diào)節(jié)，保證用戶設(shè)計流量，并且消除用戶調(diào)節(jié)時的相互干擾，延長設(shè)備使用壽命。圖2為分戶計量用戶建筑采暖熱力入口做法。自力式壓差控制閥安裝位置應(yīng)保證有足夠的直管段，閥門前直管段不應(yīng)小于5倍的管徑，閥門后直管段不應(yīng)小于2倍的管徑。
對于小區(qū)用戶熱量分?jǐn)傆嬃坎捎昧送〝鄷r間面積法的，圖3為建筑采暖熱力入戶做法。在入戶前安裝鎖閉過濾調(diào)節(jié)閥，解決了樓內(nèi)垂直失調(diào)問題。
另外，對于地形高差大的管網(wǎng)應(yīng)考慮平衡閥的安裝位置。即在地形低洼處樓群平衡閥宜安裝于供水，以保證戶內(nèi)不超壓：在地形較高位置平衡閥宜安裝于回水，以保證戶內(nèi)不倒空。
圖2 分戶計量用戶建筑采暖熱力入口做法
圖3 建筑采暖熱力入戶做法(適用于通斷時間面積法)
5、結(jié)論
通過以上理論分析及工程實例可以得出結(jié)論：
手動平衡閥是通過阻力大小來輸配系統(tǒng)的流量，平衡的是系統(tǒng)阻力，能夠?qū)⑺堪凑赵O(shè)計計算比例平衡地分配，各支路的流量將同時按比例增減，適用于恒定工況的自動調(diào)節(jié)。一旦增加新的用戶，整個系統(tǒng)需重新調(diào)整一次。其造價較低。
自立式流量控制閥是通過變化閥的阻力系數(shù)來維持流量不變的，作用對象是流量，不管系統(tǒng)循環(huán)水量和末端負荷如何變化，仍保持流量不變。因此自立式流量控制閥適用于定流量系統(tǒng)。其便于調(diào)節(jié)，造價也低。
而自力式壓差控制閥是通過變化流量來達到維持壓差不變的目的。既支持外網(wǎng)變化又支持用戶自主調(diào)節(jié)，因此既適用于定流量系統(tǒng)，也適用于變流量系統(tǒng)。如果不考慮造價的因素，是較佳的選擇。
在我們的熱力一、二次管網(wǎng)中，實際應(yīng)用上可能同時存在定流量系統(tǒng)和變流量系統(tǒng)，需要根據(jù)不同情況選定不同的控制設(shè)備，以免給系統(tǒng)控制造成不必要的麻煩。
