压差、流量与水力工况平衡

压差、流量与水力工况平衡

1、平衡阀

平衡阀正确地理解应为水力工况平衡用阀。从这一观念出发一切用于水力工况平衡的阀门如调节阀、减压阀、自力式流量控制阀、自力式压差控制阀都应看成水力工况平衡用阀。

2、压差、流量和水力工况平衡

一般地说供热、空调的管网都是闭路循环的管网，其水力工况是指系统各点的压力，各管段的流量、压差。由公式△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，流量和压力是相关参数，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。因此说没有一种不影响压力的流量控制阀，也没有一种不影响流量的压力控制阀。

水力工况平衡是指流量的合理分配。在供热和空调管网中，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。设计者在进行水力工况计算时在各分支流量为设计值的假想情况下进行的。但在实际运行中，由于管材及最高流速形成的限制，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。另一方面，为保证空调末端装臵的压差，设计者在选择水泵扬程时，是按系统的最远不利环路获得设计流量来选定。但是这会使其余所有末端装臵处差压过高，从而造成流量分配不均匀。因此，要达到合理的流量分配，实现系统功能的最佳效果，单靠设计（计算）来实现水力平衡几乎是不可能的。要解决流量与压力的问题，采用平衡阀来合理分配流量，消除流量过大或流量过小的失衡现象（消除流量过大，意味着控制阀在中等及小负荷时，不会以接近关闭的位臵运行，这样就不会产生不稳定的控制及室温波动。消除流量过小意味着全部末端装臵在任何运行工况下能提供出它们的设计功力），达到系统所需的水力工况平衡，是一个简单而实惠的选择。其基本原理就是采用平衡阀来消除有利环路的剩余压差，以便使系统所有环路均达到设计流量。由我公司2005年竣工的四川省青少年体育活动中心（综合训练馆）中央空调系统在运行过程中出现的问题与处理，就是一个典型利用平衡阀的压差控制来实现动态流量平衡继而实现水力工况平衡范例。

（四川省青少年体育活动中心（综合训练馆），建筑面积2.6万余平米，暖通空调之水系统是一个含有多个子系统的大型变流量水力系统，共分4个供、回水系统，向14个训练馆及夹层提供冷、热源。额定制冷量4834kw、制热量3140kw 设计额定流量330m3/h，水泵扬程40m）

四川省青少年活动中心综合训练馆（2005年2月）投入使用以后，空调系统的运行效果不是很好，主要反映在制冷、制热效果不均衡，各楼层、练习馆温差大。特别是2006年6～8月遇到多年未见的热浪，制冷效果更显得不平衡。处于系统末端的武术馆其组合式空调器供回水压力差为8KPa（正常情况不应小于20KPa），其表冷段温度为14℃～17℃之间，有段时间甚至升到24℃左右，也就是说表冷段循环未起作用，其盘管内的水近乎于“死水”状态，造成在开机状态下馆内温度仍高达37℃。2006年8月12日冷冻循环水泵出现过载现象，轴承磨损严重，其中一台冷冻泵电机绕组被击穿（水泵厂家的结论是大马拉小车造成的）。

为解决以上问题，我们与“中心”设备管理处及相关设备厂家一道，对系统作了一次全面的检查，基本上排除了空调水系统中相关设备及管路的原因，焦点集中在了“压差”控制和“流量”的分配上，也就是水力工况平衡问题。

3、用平衡原理解析训练馆水力工况失衡现象：

3.1末端流量不足，实际水压达不到设计水压，导致末端过不去水。

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。是典型的水力工况失衡现象。

3.2 运行阻力小于计算扬程，造成水泵实际扬程小于铭牌扬程，使水泵处于“大马拉小车”状态。

水泵实际扬程小于铭牌扬程，使水泵处于“大马拉小车”状态，这种现象大多还是水力工况平衡问题。由于水力工况设计是一个设计水压，运行水力工况是水泵的工作曲线与外网特性曲线交点形成的（见下图）。在暖通输配系统中，设计计算的原则是按最不利环路及设备厂家提供的参数考虑最大阻力，计算扬程。而实际上，许多厂家资料给出的末端设备阻力参数往往大于实际值，使得运行阻力小于计算扬程。

3.3 远近流量分配的不合理，使得轴功率过载。

对于外网特性曲线△P=SG2，由于并联的近端支路S值会小于设计值，造成总S值远小于设计值，当循环水泵处在小扬程大流量工况下时，必然造成水泵在大轴功率，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。

通过对上述现象的解析，我们注意到：暖通空调系统的目的是保持目标区域适宜的温度。由于空调系统末端设备的负荷是随着季节以及昼夜转换的变化而变化的，因此各末端空调设备的流量也要求随之变化。为保证空调系统的舒适节能性，即保证空调系统目标区域的适宜温度，最根本的途径就是选择最佳的方法来根据目标区域的温度来调节流量,同时避免在调节过程中的相互干扰。通过分析，我们会同设备厂家一道对原设计系统中的手动平衡阀进行全面检查，并对设计系统各支路的流量分配进行了逐一的流量测试，最后发现主要问题是末端的资用压头不能满足需求，导致末端流量不足。也就是说，在变流量系统中，单靠手动平衡阀按照设计计算的比例平衡分配水量，使各支路同时按比例增减来实现系统流量的合理分配将受到很大的局限。比如综合训练馆各馆的使用时间、所处的环境位臵等，造成负荷的变化并不是等比例的。因此，我们认为要从根本上解决这一问题应从压差控制来实现动态流量平衡。这就是文章标题所提到的“压差、流量与水力工况平衡”，而自力式压差控制阀为实现这一目标提供了保障。

4、自力式压差控制阀

4.1自力式压差控制阀工作原理

当网路的供水压力P

1增大时，被控回路的供水压力P

2

瞬时增大，随之感压

膜的受力平衡被打破，阀瓣向关闭方向移动，阀的阻力增大，P

2

又恢复到原来的

大小，即P

2-P

3

不变，反之亦然。当网路的回水压力P

3

增大时，随之感压膜的受

力平衡被打破，阀瓣向开肩方向移动，阀的阻力减小，P

2增大，P

2-

P

3

恢复不变，

反之亦然。当被控环路内部的阻力发生改变，比如某一支路关断，环路的总阻力

增大，在这个瞬间P

2增大，P

2

-P

3

增大，随之感压膜的受力平衡被打破，阀瓣向

关闭方向移动，阀的阻力增大，P

2又恢复到原来的大小，即P

2

-P

3

不变，可见，

无论是网路压力出现波动，还是被控环路内部的阻力发生变化，均可确保被控环路的压差恒定。

4.2 采用自力式压差控制阀的效果

（1）消耗系统的富裕压头，自动调整压差：

当靠近冷冻站的系统资用压头大于用户需用压头时，必然导致该用户支路的流量过大。自力式压差控制阀的作用就是消耗富裕压头（富裕压头=资用压头-需用压头），调整压差，使各分支达到合理流量。

（2）自力式压差控制阀起到隔绝系统间流量变化互相干扰作用。

四川省青少年体育活动中心综合训练馆是由多个竞技项目训练馆、活动中心等构成，各馆所处的环境位臵、使用时间的长短、建筑物内冷源变化的影响以及传热导体的不同等导致末端负荷变化较大，造成各系统间流量变化的干扰作用明显。自力式压差控制阀能根据末端负荷的变化，自动调节管网的水平衡失调问题，避免了小温差，大流量运行。

4.3自力式压差控制阀在变流量系统中的动态控制

自力式压差控制阀是一种无需外来能源，依靠输送管网介质差压变化进行自动调节流量，可接被控管的实际需要，一次性设定流量。阀门可在水压作用下，自动消除管线的富余压力及压力波动所引起的流量偏差，消除阀后压力的异常变化。无需考虑分支管线间流量调节和相互干扰，使流量分配工作变成直观的一次性操作，降低了流量调节工作量。从而实现管网流量自动平衡。

5、结论

随着人们生活品质要求、节能意识的不断提高以及空调系统的大型化，变流量水力系统在暖通空调工程中占据越来越重要的位臵。变流量系统在运行过程中各分支环路的流量是随着外界环境负荷的变化而变化的，因此对系统的水力平衡和调节提出了很高的要求。通过采用自力式压差控制阀来解决四川青少年体育活动中心综合训练馆暖通空调变流量水力系统的动态水力平衡和调节问题，使我们更进一步了解了平衡阀的作用和压差控制技术在实际工程中的应用。要保证空调系统的舒适节能性，即保证空调系统目标区域的适宜温度，最根本的途径就是选择最佳的方法来根据目标区域的温度来调节流量,同时避免在调节过程中的相互干扰。平衡阀之压差控制技术的应用为实现这一途径提供了技术保障，占据了越来越重要的位臵。

何利

四川省工业设备安装公司

二〇〇九年八月