地鐵空調(diào)水系統(tǒng)平衡閥與控制閥的應(yīng)用和選型

曹 楷

(中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300308)

1 地鐵常用平衡閥與控制閥

1.1 手動(dòng)平衡閥

手動(dòng)平衡閥也稱靜態(tài)平衡閥。通過(guò)改變開(kāi)度，使閥門(mén)的流動(dòng)阻力發(fā)生相應(yīng)的變化來(lái)調(diào)節(jié)流量。實(shí)際上是作為一個(gè)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(kāi)度被固定，局部阻力也被固定，對(duì)于定流量系統(tǒng)則始終處于平衡狀態(tài)，對(duì)于變流量系統(tǒng)，負(fù)荷變化不大的情況下能起到一定的分配作用，但當(dāng)負(fù)荷變化較大時(shí)其閥開(kāi)度會(huì)變得很小，單獨(dú)使用手動(dòng)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(gòu)成一種較為經(jīng)濟(jì)而理想的方案[1]。如圖1所示，隨著閥門(mén)開(kāi)度增大，流量增大、壓降減少，則流量系數(shù)增大。

圖1 手動(dòng)平衡閥開(kāi)度流量特性曲線

1.2 自動(dòng)流量平衡閥

自動(dòng)流量平衡閥也稱動(dòng)態(tài)平衡閥、動(dòng)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(guò)自動(dòng)改變閥芯的過(guò)流面積、適應(yīng)閥前后壓力的變化，來(lái)控制通過(guò)閥門(mén)的流量保持不變。當(dāng)系統(tǒng)末端設(shè)備如風(fēng)機(jī)盤(pán)管、組合式空調(diào)機(jī)組等調(diào)節(jié)閥隨著空調(diào)負(fù)荷的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)而導(dǎo)致管網(wǎng)中壓力發(fā)生變化時(shí)，使其他末端設(shè)備的流量保持不變，仍然與設(shè)計(jì)值相一致。分為預(yù)設(shè)定流量型、手動(dòng)可調(diào)節(jié)流量和電動(dòng)可調(diào)節(jié)流量型三大類。如圖2所示，該閥門(mén)在一定壓差范圍內(nèi)流量恒定。

圖2 自動(dòng)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(dòng)壓差平衡閥。通過(guò)前后兩個(gè)壓力測(cè)量點(diǎn)、將壓差作用于閥芯隔膜，達(dá)到新的平衡點(diǎn)，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(dòng)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(dòng)態(tài)平衡閥組或自動(dòng)壓差平衡閥組。該閥門(mén)在一定流量范圍內(nèi)壓差基本恒定。

1.4 動(dòng)態(tài)平衡二通閥(雙位開(kāi)關(guān)式)

其是自動(dòng)流量平衡閥與電動(dòng)二通閥(開(kāi)關(guān)型)功能為一體的閥門(mén)，由于驅(qū)動(dòng)器常用電磁式，也常簡(jiǎn)稱為電磁閥，該閥只有全開(kāi)和全關(guān)兩種狀態(tài)，所以只能恒定一種流量，不可通過(guò)控制閥門(mén)開(kāi)度設(shè)置多種流量值，這是和下面的動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)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(fù)荷變化不大的變流量系統(tǒng)，且由于開(kāi)關(guān)型二通閥調(diào)節(jié)和反饋滯后，室溫設(shè)定值正負(fù)偏差較大，一般用于風(fēng)機(jī)盤(pán)管等小口徑末端水路上。

1.5 動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調(diào)節(jié)閥(比例積分型)

為自動(dòng)流量平衡閥和電動(dòng)二通調(diào)節(jié)閥(比例積分型)的組合，其閥芯由電動(dòng)可調(diào)部分和水力自動(dòng)調(diào)節(jié)部分組成，電動(dòng)可調(diào)部分可隨時(shí)設(shè)定流量，而水力自動(dòng)調(diào)節(jié)部分可根據(jù)不同的壓差來(lái)保持此設(shè)定流量的不變。該閥門(mén)普遍用于組合式空調(diào)機(jī)組等末端設(shè)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(dòng)設(shè)定。

圖3 動(dòng)態(tài)流量平衡電動(dòng)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(shè)置彈簧，當(dāng)供回水管兩端壓差>彈簧的彈力時(shí)，閥瓣打開(kāi)，旁流水通過(guò)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(dòng)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(guò)旁流一部分水流來(lái)調(diào)節(jié)兩管之間的壓差。

如圖4所示，旁通閥存在三個(gè)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(shè)定值和旁通閥的管道特性有關(guān)[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(guò)程存在一個(gè)上限流量，其值隨壓差設(shè)定值單調(diào)增加。

圖4 供回水管壓差和旁通流量的關(guān)系曲線

1.7 電動(dòng)蝶閥

蝶閥是用圓盤(pán)式啟閉件往復(fù)回轉(zhuǎn)90°左右，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟、關(guān)閉和調(diào)節(jié)流體通道的一種閥門(mén)。蝶閥處于完全開(kāi)啟位置時(shí)，蝶板厚度是介質(zhì)流經(jīng)閥體時(shí)唯一的阻力，通過(guò)該閥門(mén)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(mén)啟閉方便迅速、省力，可以經(jīng)常操作，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕的特點(diǎn)，在地鐵空調(diào)水系統(tǒng)中常用作冷卻塔、冷水機(jī)組管路、公共區(qū)組合式空調(diào)機(jī)組水管的電動(dòng)啟閉。

2 典型地鐵空調(diào)水系統(tǒng)

地鐵設(shè)置的商鋪、銀行部分常常采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管，而通常風(fēng)機(jī)盤(pán)管的管徑在DN25～DN40之間，較小，一般采用電磁閥，即動(dòng)態(tài)平衡二通閥(雙位開(kāi)關(guān)式)控制即可。

對(duì)于車站公共區(qū)、設(shè)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(fù)荷變化較大，對(duì)流量穩(wěn)定性要求高，故可采用動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，此閥門(mén)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(dòng)設(shè)定。尤其是公共區(qū)空調(diào)器，早晚高峰和平時(shí)的負(fù)荷差別大，流量調(diào)節(jié)具有相當(dāng)?shù)墓?jié)能意義。

在空調(diào)集水器和分水器之間設(shè)置了電動(dòng)壓差調(diào)節(jié)閥，當(dāng)系統(tǒng)的某些支路部分或全部關(guān)閉時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)分、集水器旁通水力平衡閥可以對(duì)流量進(jìn)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(duì)其他支路流量產(chǎn)生影響，有利于空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，保證流過(guò)冷水機(jī)組的流量滿足蒸發(fā)器額定流量要求，保障冷水機(jī)組的安全、高效運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)主機(jī)-水泵運(yùn)行臺(tái)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(fù)荷的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)入負(fù)荷側(cè)的水流量，達(dá)到供給和需求總流量的瞬時(shí)一致性[3]。

一次泵系統(tǒng)冷水機(jī)組的臺(tái)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(kāi)關(guān)開(kāi)、停水泵-主機(jī)最為簡(jiǎn)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(tái)冷水機(jī)組的地鐵空調(diào)水系統(tǒng)為例說(shuō)明壓差旁通控制法工作原理：低負(fù)荷(≤50%～55%空調(diào)負(fù)荷)時(shí)啟動(dòng)一臺(tái)冷水機(jī)組，其相應(yīng)的水泵聯(lián)鎖提前開(kāi)啟，調(diào)節(jié)閥在某一調(diào)節(jié)位置。負(fù)荷增加時(shí)(>50%～55%空調(diào)負(fù)荷)，調(diào)節(jié)閥趨向全關(guān)的位置，這時(shí)限位開(kāi)關(guān)閉合，自動(dòng)啟動(dòng)第二臺(tái)水泵和相應(yīng)的冷水機(jī)組。當(dāng)負(fù)荷減小時(shí)調(diào)節(jié)閥趨向全開(kāi)的位置，這時(shí)限位開(kāi)關(guān)打開(kāi)，自動(dòng)關(guān)閉第二臺(tái)冷水機(jī)組和相應(yīng)的水泵。

壓差旁通閥選型流量應(yīng)該為一臺(tái)冷水機(jī)組的額定流量，其壓差應(yīng)選取最遠(yuǎn)端最不利回路的供水管壓差，因?yàn)榇藭r(shí)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(jié)合負(fù)荷側(cè)的最大壓差選出壓差旁通閥口徑[3]。

電動(dòng)蝶閥裝在冷凍水泵、冷卻水泵接冷水機(jī)組一側(cè)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(dú)控制，而與相應(yīng)的冷水機(jī)組聯(lián)鎖，由主機(jī)供貨商根據(jù)開(kāi)機(jī)與關(guān)機(jī)順序完成統(tǒng)一的啟停控制。開(kāi)機(jī)時(shí)電動(dòng)蝶閥先開(kāi)，待閥開(kāi)啟信號(hào)顯示后再開(kāi)相應(yīng)主機(jī)系統(tǒng)；關(guān)機(jī)時(shí)，先關(guān)主機(jī)系統(tǒng)后關(guān)相應(yīng)電動(dòng)蝶閥。另外，公共區(qū)空調(diào)機(jī)組的管路上也常常設(shè)置電動(dòng)蝶閥，因?yàn)楣矃^(qū)空調(diào)機(jī)組經(jīng)常啟閉，完全用動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調(diào)節(jié)閥不太可靠，故另外設(shè)置電動(dòng)蝶閥來(lái)專門(mén)啟閉。而設(shè)備區(qū)空調(diào)系統(tǒng)不會(huì)頻繁關(guān)閉，所以未設(shè)置電動(dòng)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(shè)計(jì)和工程實(shí)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(guò)設(shè)置靜態(tài)平衡閥，調(diào)節(jié)自身開(kāi)度改變閥門(mén)阻力，平衡各并聯(lián)環(huán)路的阻力比值，使流量合理分配，達(dá)到實(shí)際流量與設(shè)計(jì)流量相同；消除水系統(tǒng)存在的部分區(qū)域過(guò)流從而導(dǎo)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(yùn)行的能源浪費(fèi)現(xiàn)象，因此可節(jié)省冷量、減少水泵運(yùn)行費(fèi)用。

2)地鐵出入口需要采用多個(gè)風(fēng)機(jī)盤(pán)管，應(yīng)在支路總管上設(shè)置動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調(diào)節(jié)閥(比例積分型)，這樣將整個(gè)出入口當(dāng)作一個(gè)區(qū)域來(lái)控制，動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調(diào)節(jié)閥根據(jù)出入口的溫度需要來(lái)調(diào)節(jié)總管上的流量。此時(shí)不需要在每個(gè)風(fēng)機(jī)盤(pán)管上再設(shè)置電磁閥，因?yàn)閱蝹€(gè)的風(fēng)機(jī)盤(pán)管的啟閉沒(méi)有實(shí)際意義。

3)流量、壓差等平衡閥應(yīng)根據(jù)閥門(mén)公稱壓力、控制壓差、流量系數(shù)、閥權(quán)度來(lái)選型，但要找到控制閥的流量系數(shù)并非易事，因?yàn)樽饔迷陂y門(mén)兩端的壓差取決于很多因素，比如水泵實(shí)際揚(yáng)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(shí)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(guò)大，經(jīng)常導(dǎo)致控制閥常在接近關(guān)閉的位置工作，導(dǎo)致裝置出現(xiàn)過(guò)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(shè)計(jì)值小一檔。但設(shè)計(jì)實(shí)踐中常常用比管徑小一號(hào)來(lái)選型，這是不對(duì)的，應(yīng)該根據(jù)流量系數(shù)而不是管徑來(lái)選型。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文通過(guò)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(kāi)分析，進(jìn)而針對(duì)水力平衡方案提出幾點(diǎn)優(yōu)化措施，可為相關(guān)人員提供參考。

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