关于平衡阀在供热系统中的应用

    1 我国供热系统现状
    1.1 供热系统水力工况失调，造成热用户冷热不均，部分室内温度偏高又无法自主控制；
    1.2 低温大流量运行，输送能耗、管道散热损失及管道投资均巨大；
    1.3 供热系统过于庞大，不易控制，不利节能；
    1.4 无法实现按建筑物功能分时、分区、分温功能；
    1.5 无法实现更加精确的气候补偿。
    常规情况下供热系统都是闭式管路系统、异程式系统。根据流量与阻力损失关系的公式：△P=SG2
    △P—压差或称阻力损失；S—管段或系统的阻力系数；G—管段或系统的流量。
    可知，流量和阻力是相关参数，流量和阻力的调控互为手段和目的。流量变化必然导致压力的变化；S值不变的系统，压差的变化必然起因于流量的改变。
    对于供热系统管道的设计，设计人员均按照规范采用控制经济比摩阻、控制流速的方式选择管径，在支线井、入户井室内设置关断阀门。运行初期，很少有相关人员进行管网调试，事实上由于调整一个阀门就会引起连锁反映，调整的工作量也是非常繁重。因此根据外网特性曲线△P=SG2，由于并联的近端支路S值远小于设计值，造成总S值远小于设计值，热力站循环水泵在小扬程大流量工况下运行，使水泵在大轴功率，低效率点运行。严重时可能出现轴功率大于电机铭牌功率，电机超额定电流，直至烧电机事故发生。整个热网造成近端户内温度高，而远端用户热量不足。造成的情况我们时常可以遇到。使得运行岗位工作者常对一些水力工况失衡现象形成误解：1）水泵出力不足，水泵实际扬程小于铭牌扬程，导致远端过不去水。实际上是由于近端支线阻力小、流量大，造成远端流量小，水泵工作点偏移在大流量、小扬程、低效率的工作点。2）锅炉或换热器阻力大，所有锅炉或换热器厂商标称阻力都远小于实际阻力。实际上总循环水量的加大必然导致锅炉换热器等阻力加大。水流量增大40%，阻力增加100%。3）锅炉出力不足。实际上流量加大后供回水温差不可能更大。当然煤质和风系统不正常也可能造成锅炉出力问题。
    2 热网的初调节和平衡阀的使用
    水力工况平衡是指流量的合理分配。在供热系统中水是热载体介质，水流量的合理分配是热力工况平衡的基础。供热系统设计人员在进行水力工况计算时是在各分支流量为设计值的假定下进行的。由于管道的并联支路较多，使得运行中实现设计工况的水力平衡几乎是不可能的。这样势必造成近端阻力系数不能达到设计理想状态，形成近端流量过大，远端流量不足的失调现象。
    根据设计工况而形成的水压图是热网调节的理想工况，在实际运行中为了达到水压图的设计工况，供热系统的近端必须设置阀门平衡调节而形成。用阀门调节近端管路阻力的过程是增加近端管道S值，以达到设计的阻力值。平衡阻力的阀门若采用平衡阀将大大的降低热网调节的难度，并且在水力工况不改变的情况下，热网无需调整。     
    平衡阀的选择计算包括：流量特性的选择和平衡阀口径的选择。
    2.1 平衡阀流量特性：平衡阀的阻力应为系统总阻力的10%~30%之间，平衡阀应参照水压图进行；
    对于同口径的平衡阀，应优先选择阻力较大的；
    为增加平衡阀阻力占系统总阻力的百分比，可适当选择比管道直径较小口径的平衡阀。
    2.2 平衡阀口径的选择计算：平衡阀流量系数Kv的计算公式：
    Kv=316Q（/△P/ρ）
    Q流量：m3/h；P压差：Pa；ρ水的密度：g/cm3；
    在一般的供热系统中平衡阀的前后压降在3kPa（末端用户）到300kPa（近端用户）之间，通过平衡阀厂家提供的不同口径的流量系数Kv用3kPa的最不利压降△P带入公式即算出该口径平衡阀的最小可通流量（在全开时）若其值等于、大于设计流量，则该口径平衡阀选择合适。为了提高平衡阀的调节精度，节省投资，一般要求所选阀门的设计开度在60%~90%之间。建议根据Kv值在开度75%地方选定阀门。
    平衡阀可安装在供水管路上，也可安装在回水管路上（每个环路中只需安装一处）。对于热力站的一次环路侧来说，为方便平衡调试，建议将平衡阀安装在水温较低的回水管路上。总管上的平衡阀，宜安装在供水总管水泵后（水泵下游），以防止由于水泵前（阀门后）压力过低，可能发生水泵气蚀现象。但是对于大型直联管网，供热半径很大，外网供回水压差很大，对平衡阀安装位置应作特殊考虑。
    例如某供热管网外网供回水压差52m水柱，考虑散热器耐压能力，末端回水压力设定为0.35MPa（35m水柱），前端回水压力仅为0.10MPa（10m水柱），而前端供水压力高达0.62MPa（62m柱），如果平衡阀安装在回水管上，被控用户的回水压力可能接近0.6MPa，必将造成散热器的压力破坏；如果平衡阀安装于供水管上，近端用户的供水压力只有十几米水柱必然导致运行倒空。因此从设计上应采取供回水都安装阀门的方案，具体作法是入户口供水管安装自力式流量控制阀，在地形高差不超出10m的建筑群的分支回水管上安装手动的平衡阀。这里自力式流量控制阀负责控制分配流量；手动平衡阀调整压力，使阀前压达到0.25MPa的满水运行工况。自力式流量控制阀只依据流量大小“盲目”控制压力，如果安装回水管上，不待手动调整压力，已经出现压力破坏事故。自力阀安装在供水上未手动调整压力时，可能出现运行倒空而影响供热效果，不可能发生事故。
    2.3 平衡阀的性能与用途。原有供热系统是一种平均分配的供热模式，这种供热模式一般采取定流量的质调节供热方式。而供热的趋势是按需供热，按热计量收费，即热用户可以根据需要调整室内的供热温度。根据这两种供热模式，我们可以确定前一种为静态水力平衡或失调；后一种模式为动态水力平衡或失调；静态水力失调是稳态的、根本性的，是系统本身所固有的，是当前我国供热系统中水力失调的重要因素。通过在管道系统中增设静态水力平衡设备（水力平衡阀）对系统管道特性阻力数比值进行调节，使其与设计要求管道特性阻力数比值一致，此时当系统总流量达到设计流量时，各末端设备流量均同时达到设计流量，系统实现静态水力平衡。
    动态水力失调是动态的、变化的，它不是系统本身所固有的，是在系统运行过程中产生的。通过在管道系统中增设动态水力平衡设备（流量调节器或压差调节器），当其它用户阀门开度发生变化时，通过动态水力平衡设备的屏蔽作用，使自身的流量并不随之发生变化，末端设备流量不互相干扰，此时系统实现动态水力平衡。
    由此可以得出结论，平衡阀并不是万能的，在动态水力失调中必须使用动态水力平衡设备。而平衡阀具有造价低，元件使用寿命长等优点，对支路不多的小型管网也可方便进行水力工况平衡。