地鐵空調(diào)水系統(tǒng)平衡閥與控制閥的應用和選型

曹 楷

(中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300308)

1 地鐵常用平衡閥與控制閥

1.1 手動平衡閥

手動平衡閥也稱靜態(tài)平衡閥。通過改變開度，使閥門的流動阻力發(fā)生相應的變化來調(diào)節(jié)流量。實際上是作為一個局部阻力可以人工改變的阻力元件，在管網(wǎng)初調(diào)節(jié)后平衡閥開度被固定，局部阻力也被固定，對于定流量系統(tǒng)則始終處于平衡狀態(tài)，對于變流量系統(tǒng)，負荷變化不大的情況下能起到一定的分配作用，但當負荷變化較大時其閥開度會變得很小，單獨使用手動平衡閥便不合適了。如果將它與自力式壓差控制器配合使用，將構成一種較為經(jīng)濟而理想的方案[1]。如圖1所示，隨著閥門開度增大，流量增大、壓降減少，則流量系數(shù)增大。

圖1 手動平衡閥開度流量特性曲線

1.2 自動流量平衡閥

自動流量平衡閥也稱動態(tài)平衡閥、動態(tài)流量平衡閥、流量控制平衡閥、流量控制閥、最大流量限制器、限流閥。通過自動改變閥芯的過流面積、適應閥前后壓力的變化，來控制通過閥門的流量保持不變。當系統(tǒng)末端設備如風機盤管、組合式空調(diào)機組等調(diào)節(jié)閥隨著空調(diào)負荷的變化進行調(diào)節(jié)而導致管網(wǎng)中壓力發(fā)生變化時，使其他末端設備的流量保持不變，仍然與設計值相一致。分為預設定流量型、手動可調(diào)節(jié)流量和電動可調(diào)節(jié)流量型三大類。如圖2所示，該閥門在一定壓差范圍內(nèi)流量恒定。

圖2 自動流量平衡閥特性示意圖

1.3 壓差平衡閥

壓差平衡閥也稱壓差控制器、自力式壓差平衡閥、自動壓差平衡閥。通過前后兩個壓力測量點、將壓差作用于閥芯隔膜，達到新的平衡點，它有一定的比例壓差控制范圍，可以在一定流量閥內(nèi)使得所需控制回路的壓差保持基本恒定。經(jīng)常與手動平衡閥配合使用，又被稱作流量/壓差平衡閥組或流量/壓差調(diào)節(jié)單元，也稱動態(tài)平衡閥組或自動壓差平衡閥組。該閥門在一定流量范圍內(nèi)壓差基本恒定。

1.4 動態(tài)平衡二通閥(雙位開關式)

其是自動流量平衡閥與電動二通閥(開關型)功能為一體的閥門，由于驅(qū)動器常用電磁式，也常簡稱為電磁閥，該閥只有全開和全關兩種狀態(tài)，所以只能恒定一種流量，不可通過控制閥門開度設置多種流量值，這是和下面的動態(tài)平衡電動調(diào)節(jié)閥(比例積分式)的最大區(qū)別，該閥常用于定流量系統(tǒng)和負荷變化不大的變流量系統(tǒng)，且由于開關型二通閥調(diào)節(jié)和反饋滯后，室溫設定值正負偏差較大，一般用于風機盤管等小口徑末端水路上。

1.5 動態(tài)平衡電動調(diào)節(jié)閥(比例積分型)

為自動流量平衡閥和電動二通調(diào)節(jié)閥(比例積分型)的組合，其閥芯由電動可調(diào)部分和水力自動調(diào)節(jié)部分組成，電動可調(diào)部分可隨時設定流量，而水力自動調(diào)節(jié)部分可根據(jù)不同的壓差來保持此設定流量的不變。該閥門普遍用于組合式空調(diào)機組等末端設備較大的水路上。如圖3所示，該閥在一定壓差范圍內(nèi)可以保持流量恒定。其恒定的流量值可電動設定。

圖3 動態(tài)流量平衡電動調(diào)節(jié)閥的流量隨壓差變化曲線

1.6 壓差旁通閥

閥瓣上設置彈簧，當供回水管兩端壓差>彈簧的彈力時，閥瓣打開，旁流水通過閥芯，使得供回水之前的流量和壓差基本保持不變。分自力式、電動式兩種。壓差旁通閥和壓差平衡閥都可以保持環(huán)路壓差不變，但壓差旁通閥用在兩管之間，通過旁流一部分水流來調(diào)節(jié)兩管之間的壓差。

如圖4所示，旁通閥存在三個工作特性區(qū)：欠壓Ⅰ區(qū)、定壓Ⅱ區(qū)、超壓Ⅲ區(qū)。特性區(qū)的劃分與旁通壓差設定值和旁通閥的管道特性有關[2]。在定壓Ⅱ區(qū)，隨著旁通流量的增加，壓差基本保持不變。定壓差平衡過程存在一個上限流量，其值隨壓差設定值單調(diào)增加。

圖4 供回水管壓差和旁通流量的關系曲線

1.7 電動蝶閥

蝶閥是用圓盤式啟閉件往復回轉90°左右，從而實現(xiàn)開啟、關閉和調(diào)節(jié)流體通道的一種閥門。蝶閥處于完全開啟位置時，蝶板厚度是介質(zhì)流經(jīng)閥體時唯一的阻力，通過該閥門所產(chǎn)生的壓力降很小，具有較好的流量控制特性。且該閥門啟閉方便迅速、省力，可以經(jīng)常操作，具有結構簡單、體積小、重量輕的特點，在地鐵空調(diào)水系統(tǒng)中常用作冷卻塔、冷水機組管路、公共區(qū)組合式空調(diào)機組水管的電動啟閉。

2 典型地鐵空調(diào)水系統(tǒng)

地鐵設置的商鋪、銀行部分常常采用風機盤管，而通常風機盤管的管徑在DN25～DN40之間，較小，一般采用電磁閥，即動態(tài)平衡二通閥(雙位開關式)控制即可。

對于車站公共區(qū)、設備區(qū)空調(diào)系統(tǒng)的空調(diào)器，其流量較大，管徑通常在DN50以上，負荷變化較大，對流量穩(wěn)定性要求高，故可采用動態(tài)平衡電動調(diào)節(jié)閥，此閥門可以在一定壓差范圍內(nèi)保持流量的穩(wěn)定且流量可電動設定。尤其是公共區(qū)空調(diào)器，早晚高峰和平時的負荷差別大，流量調(diào)節(jié)具有相當?shù)墓?jié)能意義。

在空調(diào)集水器和分水器之間設置了電動壓差調(diào)節(jié)閥，當系統(tǒng)的某些支路部分或全部關閉時，通過調(diào)節(jié)分、集水器旁通水力平衡閥可以對流量進行分流，從而維持分、集水器的壓差不變，避免這些支路的改變對其他支路流量產(chǎn)生影響，有利于空調(diào)系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，保證流過冷水機組的流量滿足蒸發(fā)器額定流量要求，保障冷水機組的安全、高效運行，實現(xiàn)對主機-水泵運行臺數(shù)的控制以大幅度減少能源消耗，并使系統(tǒng)能根據(jù)冷負荷的變化自動調(diào)節(jié)進入負荷側的水流量，達到供給和需求總流量的瞬時一致性[3]。

一次泵系統(tǒng)冷水機組的臺數(shù)控制方法有四種：壓差旁通控制法、恒定供回水壓差的流量旁通控制法、回水溫度控制法、恒定用戶處直通調(diào)節(jié)閥前后壓差旁通控制法。其中，以壓差旁通控制法采用限位開關開、停水泵-主機最為簡單可靠[3]。地鐵空調(diào)水系統(tǒng)也常用這種方法，以典型兩臺冷水機組的地鐵空調(diào)水系統(tǒng)為例說明壓差旁通控制法工作原理：低負荷(≤50%～55%空調(diào)負荷)時啟動一臺冷水機組，其相應的水泵聯(lián)鎖提前開啟，調(diào)節(jié)閥在某一調(diào)節(jié)位置。負荷增加時(>50%～55%空調(diào)負荷)，調(diào)節(jié)閥趨向全關的位置，這時限位開關閉合，自動啟動第二臺水泵和相應的冷水機組。當負荷減小時調(diào)節(jié)閥趨向全開的位置，這時限位開關打開，自動關閉第二臺冷水機組和相應的水泵。

壓差旁通閥選型流量應該為一臺冷水機組的額定流量，其壓差應選取最遠端最不利回路的供水管壓差，因為此時變頻冷水泵冷水泵的功耗最小[2]。算出其流量系數(shù)Kv，再結合負荷側的最大壓差選出壓差旁通閥口徑[3]。

電動蝶閥裝在冷凍水泵、冷卻水泵接冷水機組一側的回水管路上和冷卻塔的供回水管路上，冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔不作單獨控制，而與相應的冷水機組聯(lián)鎖，由主機供貨商根據(jù)開機與關機順序完成統(tǒng)一的啟停控制。開機時電動蝶閥先開，待閥開啟信號顯示后再開相應主機系統(tǒng)；關機時，先關主機系統(tǒng)后關相應電動蝶閥。另外，公共區(qū)空調(diào)機組的管路上也常常設置電動蝶閥，因為公共區(qū)空調(diào)機組經(jīng)常啟閉，完全用動態(tài)平衡電動調(diào)節(jié)閥不太可靠，故另外設置電動蝶閥來專門啟閉。而設備區(qū)空調(diào)系統(tǒng)不會頻繁關閉，所以未設置電動蝶閥。

3 優(yōu)化措施

1)在集水器各回水管、立管及水平支管上安裝靜態(tài)平衡閥。在設計和工程實踐中很難將各支路的壓力損失相差控制在15%內(nèi)，所以在管網(wǎng)初調(diào)節(jié)中通過設置靜態(tài)平衡閥，調(diào)節(jié)自身開度改變閥門阻力，平衡各并聯(lián)環(huán)路的阻力比值，使流量合理分配，達到實際流量與設計流量相同；消除水系統(tǒng)存在的部分區(qū)域過流從而導致部分區(qū)域欠流的冷熱分配不均現(xiàn)象，有效避免了為照顧最不利環(huán)路而加大流量運行的能源浪費現(xiàn)象，因此可節(jié)省冷量、減少水泵運行費用。

2)地鐵出入口需要采用多個風機盤管，應在支路總管上設置動態(tài)平衡電動調(diào)節(jié)閥(比例積分型)，這樣將整個出入口當作一個區(qū)域來控制，動態(tài)平衡電動調(diào)節(jié)閥根據(jù)出入口的溫度需要來調(diào)節(jié)總管上的流量。此時不需要在每個風機盤管上再設置電磁閥，因為單個的風機盤管的啟閉沒有實際意義。

3)流量、壓差等平衡閥應根據(jù)閥門公稱壓力、控制壓差、流量系數(shù)、閥權度來選型，但要找到控制閥的流量系數(shù)并非易事，因為作用在閥門兩端的壓差取決于很多因素，比如水泵實際揚程、管路和附件的壓力降、末端裝置的壓力降，但這些值又取決于水力平衡實現(xiàn)的精度。控制閥每檔值都比前一檔大60%左右，且水泵和末端裝置的規(guī)格常常選得過大，經(jīng)常導致控制閥常在接近關閉的位置工作，導致裝置出現(xiàn)過流量、其他裝置欠流量。所以控制閥的流量系數(shù)選型建議比設計值小一檔。但設計實踐中常常用比管徑小一號來選型，這是不對的，應該根據(jù)流量系數(shù)而不是管徑來選型。

4 結束語

綜上所述，本文通過介紹地鐵常用的平衡閥和控制閥，并以典型的地鐵空調(diào)水系統(tǒng)展開分析，進而針對水力平衡方案提出幾點優(yōu)化措施，可為相關人員提供參考。

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