动态流量平衡阀应用

简介: 随着我国国民经济的高速发展，城市的建筑建设规模越来越大，人们对室内环境的要求也越来越高。尤其是建设在黄金地带的商业建筑，如何能提高有效的商用面积率，保证空调系统的使用和运行并不由此而增加能耗，是暖通专业及建筑开发商共同关注的问题。

随着我国国民经济的高速发展，城市的建筑建设规模越来越大，人们对室内环境的要求也越来越高。尤其是建设在黄金地带的商业建筑，如何能提高有效的商用面积率:保证空调系统的使用和运行并不由此而增加能耗?是暖通专业及建筑开发商共同关注的问题。

1 暖通空调设计中水力系统的现状

无论是空调或采暖工程中，由于条件的制约及不可能完全采用同程系统。而异程系统在实际的设计中，为了保证系统最不利环路末端的资用压头，所有其他空调采暖设备末端的资用压头往往大于设计工况的需要值，特别是在规模大建筑功能复杂的工程中，异程管线长，末端设备的阻力差异大及空调末端启停差异大的系统，在靠近冷热源位置的资用压头余量过大，往往出现流量分配偏离设计状态，导致其系统水力失调。流量的偏差会产生冷热源近端的空调太凉或采暖不热的现象。不但不能保证使用的功能，还造成了能源上的浪费。

2 解决水利失调的办法

2.1 加节流孔板

在热力入口或空调靠近冷源环路的部分管段上增加节流孔板。采用这种办法解决水力失调的前提是:水系统阻力计算准确、热力或空调末端流量不能发生变化。因此在末端流量变化时仍会造成水力失调及能源上的浪费。

2.2 安装手动调节阀

对大型空调系统而言，采用手动调节阀调节过程复杂，手动调节前端阀门，后端流量会受影响。后端调整流量，前端流量又会变化。因此调节费时费力;对于复杂系统，要求调节阀门的工程师经验丰富。并且一旦系统压力或负荷发生变化仍需要重新调整水力系统。

2.3 安装动态流量平衡阀

热力入口或空调设备末端的设计流量确定后，根据流量及阀门处的压力变化范围选定动态平衡阀，安上设置好的阀门既可使用。只要阀门处的压差变化在阀门的设计压力范围内，无需任何人为的调节。

3动态平衡阀的特点

3.1动态平衡阀的工作原理:

通过改变平衡阀的阀芯的过流面积来适应阀门前后的变化，从而达到控制流量的目的。动态平衡阀是一个局部阻力可以变化的节流元件，对于不可压缩的流体其简化流量的方程为:

Q=KA(△P)

式中:Q--通过平衡阀的流量;

K--阀门开度的流量系数;

A--阀芯的过流面积

△P--阀门进出口压差

由于在阀门的开度不变的前提下，K值的变化可忽略，因此阀门的流量要保持恒定应控制A(△P)?不变。而平衡阀由可变过流面积的阀胆和高精度(±5%)的弹簧及支撑装置构成。弹簧受压差的作用自动控制阀胆上过流面积的大小，从而使通过阀门的流量恒定。

3.2 阀门的工作过程:

当平衡阀前后压差小于最小启动压差是弹簧未被压缩，流通面积最大。当阀门前后压差在工作范围时阀胆压缩弹簧，进入工作状态，水流通过阀胆两边的圆孔和几何型的通道流过;由于阀胆在运动，两边几何流型的通道也因此变化-阀体的流通面积不断变化，在这一压差范围内水流流量基本保持恒定。当平衡阀前后压差超越工作范围是，阀胆完全压缩弹簧，水流只从阀胆两边的圆孔流过，此时阀胆变成了固定的调节器，流量与压差成正比，随压差的增大而增大。

动态平衡阀具有在一定的压力范围内限制空调末端设备的最大流量、自动恒定流量的特点，在大工型、复杂、空调采暖负荷不恒定的工程中，简化了系统调试过成，并缩短了调试时间。特别是在异程水系统中使用平衡阀，可以容易实现水力工况平衡、满足设计环境温度的要求，并且在空调系统的运行中末端设备可以不受其他末端的启停干扰。

4动态平衡阀在实际工程中的应用

4.1 区域供暖

热力入口处采用动态平衡阀，保证系统所需流量。

室内采暖系统，温控阀保证每个散热器通过所需流量，动态平衡阀保证各立管流量恒定，解决水平失调。

4.2 空调系统

大型集中空调系统中，在空调设备(空气处理机及风机盘管)末端设置平衡阀，通过三通(或两通)电动阀保证设备所需流量，平衡阀实现水力工况调节。在冷热源，冷却塔、水泵等处当设计管线受限时。用平衡阀来避免负荷偏载，保证设备的正常运行。

5 空调系统设计动态平衡阀反感因该注意的问题

5.1动态平衡阀只起水力平衡的作用，不能用于负荷调节

由于对动态平衡阀的误解，容易认为平衡阀也能平衡空调或采暖负荷，用平衡阀取代电动三通阀或两通阀。但随着维护结构负荷或室内负荷(人员、设备、照明等)的动态变化，要求空调设备提供的水量也动态变化，才能如人所愿--既能保证室内温度的要求、又起到了节省的作用。在大型空调系统中，空调设备设置了平衡阀后;各个设备的启停不会干扰影响其他设备的水流量，平衡阀起到了水力平衡的作用;而电动三通或两通阀节流，能够调节环境负荷所需数量。

目前，带电动自控制功能的动态平衡阀已经面市，按负荷需求动态平衡空调系统实行节能就更容易实现了。因此采用带电动自控功能的动态平衡阀，可以将水力平衡与负荷调节合二为一，并直接用电脑控制设定流量，还简化了安装及便于安装在狭小的空间内。

5.2动态平衡阀不应该多极设置

在空调设置中，手动调节阀是多极设计的。而按照这一方法多极设置动态平衡阀设计概念是不对的。其理由是:如果下级的一个或多个设备关闭电动阀，而上级平衡阀扔保持流量不变，则会造成下级未关闭的设备流量增加，不但加大了水流噪声，还会影响使用功能，并且也增加了不必要的经济投资。

5.3 空调设计中应根据冬夏供回水温差水量合理设置动态平衡阀

在四管制空调系统中用两个平衡阀是可以满足冬季及夏季不同的水量要求的，当冬、夏季节空调供热、冷水温差不同时，水流量差异很大，因此在两管制水系统中则应根据冬、夏季不同流量的要求设置平衡阀:方法一，设置可变流量型动态平衡阀，冬夏换季时转换阀门。方法二，设置两个平衡阀，阀1按冬季流量选择阀门，阀2按夏、冬季最大水量之差选择阀门，冬季阀1，夏季开两个阀，用两个阀门实现空调设备的四管制功能。方法三，采用带自控装置的动态平衡阀通过电脑设置流量。否则，由于冬季夏季空调水流量不同，而简单在空调末端上设置固定流量的动态平衡阀是不可能满足两个季节的水量平衡的。

可按设计或实际要求设定流量， 能自动消除系统的压差波动，保持流量不变。

克服系统冷热不均现象，提高供热(供冷)质量。

彻底解决近端压差大，远端压差小的矛盾。

减少系统循环水量，降低系统阻力。

减少设计工作量，不需要对管网进行繁琐的水力平衡计算。

降低调网难度，把复杂的调网工作简化为简单的流量分配。

免除多热源管网热源切换时的流量再分配工作。

流量显示值均为测试台上随机标定，流量(m3/h)。

阀体∶球墨铸铁、WCB、DN50以下为热锻黄铜

阀胆∶不锈钢，青铜表面镀镍处理

最大工作压力∶2.5MPa

最高介质温度∶130℃

误差∶≤5%

压降范围∶14-220KPa，35-410KPa

连接∶DN50-DN600为对夹式、DN50以下为螺纹连接

高度控制和高效的建筑环境需要系统设计工程师在设计中赋予新颖的设计理念。由于不断增长的、多种类的流体控制系统的使用，特别当结合了温度调节装置和区域控制功能，致使静态平衡阀的使用不合时宜。

自动平衡阀结合了革新设计，并且具有最大灵活度来给水力平衡系统提供一个完全的解决方案，自动平衡阀最初设计，是专为制冷和供热系统设计的平衡阀。利用自动控制阀胆，即使在压力波动情况下，亦可确保流量为设计流量，并保持恒定。

每一个阀出厂时已设定流量，其中的阀芯决定流量。阀体内安装多个阀芯,流量范围广〔2-730m3/h〕。阀上可安装压力检测孔，便于检验工作状况。需配对夹式法兰和垫圈。

动态流量平衡阀使阀胆能根据水系统不时的压差变化而变化，保证不会超过原先设定的水流量并吸收过量的压差，从而实现整个水系统压力和流量的自动平衡，因而，使用它的益处有:

对业主及施工单位:不需要进行系统调试:可以为您节约大量的时间，缩短竣工日期; 不需要安装同程管理:可以为您增加使用的面积和空间、节约安装及材料费用;

方便使用:工程安装分期完工或设备分期使用都不会影响水系统平衡;

方便更改:当某些区域的水系统需要重新设计时，不会影响其它区域的水系统设计和平衡减少耗电量:由于整个水系统得到平衡，保证制冷机组(锅炉、换热器)及水泵以最佳的工作状态运行，具有明显的节能效果;

降低磨损和减少浪费:由于保证水流量不会超过原来设计，保障所有设备的耐用性，避免流量过大而造成的铜管损耗;

提高安全性:由于水系统的流量平衡是自动进行，杜绝了人为破坏性调节的可能性。

对设计人员: 减轻了工作量:无需对整个管道进行繁琐的阻力计算，加快设计速度;

可以大胆使用异程式系统:节省管材、相应材料及安装费用，把平衡水力系统的工作交给动态流量平衡阀来完成; 可以避免因水系统不平衡带来的其他许多麻烦

自动流量平衡阀(automatic balancing valve)，也称动态流量平衡阀、流量控制阀、动态平衡阀、定流量动态平衡阀。 自动流量平衡阀是通过自动改变阀芯的过流面积、适应阀前后压力变化，来控制通过阀门流量的。它的流量可以在生产厂里设定，也可以在现场设定，或根据要求电控调定。

自动流量平衡阀，实际上是一种保持流量不变的定流量阀。其功能是:当系统内有些末端设备如风机盘管机组、新风机组等的调节阀，随着空调负荷的变化进行调节而导致管网中压力发生改变时，使其他末端设备的流量保持不变，仍然与设计值相一致。

根据设定流量方式的不同，自动流量平衡阀可以分为固定流量型和现场设定流量型两大类。

一、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--平衡阀。而市场上称为平衡阀的产品，仅是附加了流量测试功能的一种手动调节阀。

静态平衡阀是指手动调节阀或手动平衡阀。动态平衡阀是指自力式流量控制阀和自力式压差控制阀。自力式流量控制阀也曾称作自力式流量控制器、自力式平衡阀。自力式压差控制阀在北欧也称为Automotic Balamce Valve即自动平衡阀。

二、水力工况和水力工况平衡

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，流量和压力的调控互为手段和目的。减压手段是减少上游管路的流量;减少流量也必湎是减少管路前点的压力或增加管路后点的压力。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。因此说没有一咱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。以供热系统为例，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。由于管材及最高流速成的限制，设计上实现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。

由于水力工况设计成了一个设计水压图，而实际运行时这一水压图必须由阀门平衡调节而形成。用阀门调节水力工况的过程是建立合理水压图的过程，在设计合理的情况下，这两个水压图会会合得很好。

由于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。

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，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。

调网的过程就是用平衡阀增加近端阻力，使近端支路S值增大至设计值，总S值增大至设计值。使远近流量分配均匀合理，循环水泵在设计工况下运行，达到节热、节电，提高供热质量的目的。

运行岗们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，导致辞末端过不去水。

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。

(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辞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。

三、调网水压图分析和平衡阀的安装位置

调网的过程是利用平衡阀使各分支达到合理流量的过程。近端资用压头大于用户需用压头必然导致流量过大。必须用阀门消耗富裕压头富裕压头=资用压头-需用压头)

图二示意用户阀门及各压力点，如果用户供水管安装平衡阀调网，则P3近似等于P4，P2压力线如图三所示，近乎平行P4。如果用户回水管安装平衡阀调网，则P2近似等于P1，P3压力线近乎平行P1。

户内实际供水压力为P2，回水压力为P3。如果压力过低会导致运行倒空，压力过高导致耐压等级较低的元件(如散热器)的压力破坏。

因此对地形高差大的管网应按上述因素考虑平衡阀的安装位置。即在地形低洼处楼群平衡阀宜安装于供水，以保证户内不起压;在地形较高位置平衡阀宜安装于回水，以保证用户不倒空。

对于大型直联管网，如电厂凝汽供热管网，供热半径很大，外网供回水压差很大，因此对平衡阀安装位置应作特殊考虑。

克系数，L-阀行程

由此可知阀门的每一个行程位置决定△P值的大小，如果阀行程位的Kv与 成反比，则G=Kv· 是恒定值。这一原理的阀最初做成流量不可调的流量限制器，近年生产的流量可调式一种是做成多管通道，通过堵管调整设定流量;另一种是用一手动阀改变自力阀Kv与行程的关系，但这种办法很难保证Kv与 在每一调整位置的反比关系，造成调整位的流量控制精度不高。另外有的产品用波纹管制作感压膜和自由弹簧的一体化产品，由于不锈钢波纹管处在流动死区，在水中氯离子含量较高时，极易产生腐蚀。

(3)自力式压差控制阀与手动调节阀阀组原理。这种原理是现在国产流量控制阀最广泛采用的。手动调节阀的每一个开度位置对应一个Kv值，由自力式压差控制阀控制手动调节阀前的压差不变，则G=Kv· 不变，改变流量时只需调整手动调节阀的Kv值。

这种阀的流量控制精度决定于压差控制阀精度，压差

△P=N/S

N--弹簧力

S--感压膜工作面积

弹簧力在自力阀的行程内会有变化，但使

H/△L=1/10

H--自力阀最大位移行程

△L--弹簧的预压缩量

则△P的变化仅为±5%，流量精度可达3%。

这咱自力式流量控制阀的缺点在于阀门有最小工作压差的要求，一般产品要求最小工作压差20KPa，如果安装在最不利回路上，势必要求循环泵多增加2米水柱的工作扬程，所以应采取近端安装，远端不安的办法。用户离热源距离大于供热半径的80%时就不宜安装这种自力式流量控制阀。

(4)用自力式压差控制阀直接控制流量

户内阻力系数S，在平均供热的前提下是不变值，户内设计流量G，△P=SG2,通过控制户内供回水压差，一样可以控制循环流量，调节控制压差就可调节循环流量。用这种办法调控流量，只是必须借助便携式流量测试仪器如超声波流量计。这种方式对于远端用户，阀门不会增加消耗压头。

2.2自力式流量控制阀的适用性

自力式流量控制阀在大型管网上应用可以使流量分配工作变得简单便捷。尤其多热源管网，热源切换运行时不会对用户流量产生影响。

但对于变流量运行的管网不可采用自力式流量控制阀。在热源主动变流量的情况下，近端回路维持流量不变，而远端回路流量会严重不足。在热用户主动变流量的情况下，用户主动调小流量时，自力式流量控制阀会开大阀门，尽量维护原流量，直到全开失效为止。用户主动调大流量时，自力式流量控制阀会关小阀门，直到全闭失效为止。亦即只有自力式流量控制阀失效，用户主动的流量要求才能实现。

3、自力式压差控制阀

3.1自力式压差控制阀的应用意义

(1)自力式压差控制阀消耗系统的富裕压头。

(2)自力式压差控制阀起到隔绝用户间流量变化互相干扰作用。

这两项功能有的业内人士认为散热器上的温控阀可以起作用，实际上如果让温控制阀产生这样的作用必然导致温控阀在小开度下工作，甚至于在振动工况下工作。这对温控阀是十分不利的，温控阀最初希望的作用仅限于利用自由热量，我们很多业内人士对其寄予的希望过大了。

(3)自力式压差控制阀起到隔绝用户流量变化互相干扰作用。

1、原工作点

2、用户主动调整流量后形成的工作点

3、循环水泵变速--压差阀动作形成工作点

4、循环水泵变速无压差阀作用的工作点

(4)对于电动控制的自动控制系统，隔绝各并联支路间调节的干扰，避免自控系统的多余动作提高自控系统稳定性、可靠性。

(5)起到特殊工况的限流作用。在起动供热和特殊严寒工况下用户的供热需求会超出热源的供热能力，自力式压差控制阀会有效的限制近端流量使远端用户达到预定的采暖效果。

3.2自力式压差控制阀选用参数。

(1)压差可调性

一般情况下设计上很难准确计算户内阻力，而户内阻力(在设计流量下)可能在0.01-0.03MPa间变化，因此自力式压差可调比至少应为1:3以上。

(2)流量系数Kv的最大值和最小值

最大流量系数是阀门全开的流量系数;最小流量系数为阀门全关位的漏过流量系数。这两阀门参数对阀门的应用选型是至关重要的，阀门供应商必须实测并公开这两个参数。

最大流量系数应能保证最小富裕压头下达到设计流量;最小流量系数应能保证最大富裕压头下达到调节工况可能的最小流量值。

(3)压差控制精度，应达到10%以保证流量精度达到5%。

电子式动态流量计平衡阀创造性地将机电一体化集成创新控制技术应用到智能流体控制阀，实现了电子式原理的动态流量平衡阀，不仅可以替换传统机械自力式的动态流量平衡阀，而且可明显提高系统输配能效比。目前，WB-F系列电子式动态流量平衡阀，这种电子式压力无关型阀门也可称智能流体控制阀，它是基于全面高效的智能流量平衡三个理念进行创新研发而成，并在中国申请了相关发明专利，完全具有自主知识产权。是一种低压损、宽量程比的差压式流量测量方法及流量测量装置。我们将这种低压损无扰动的微型流量测量装置直接安装在电动调节阀的入流口，用于WB-F系列电子式动态平衡电动调节阀的流量测量。WB-F的"大脑"将动态平衡流量测量值 与动态平衡流量设定值 进行比较，运行APID(人工智能PID)高级算法调节与控制模拟量电动阀的执行器开度，实现动态平衡流量的调节与控制。这种原理目前我们主要应用于DN>100mm的大口径动态流量平衡阀产品。对于口径小于DN100(包括DN100)的动态流量平衡阀，采用WB-F系列A型实现原理的基础上进行简化，将智能控制器内部强制设定电子开度X=1，从而自动升级成WB-F小口径系列产品。如果定义阀门的动态压差设定值 ，动态压差测量值 ，动态平衡流量设定值 、动态平衡流量测量值 ，阀门机械开度无量纲值 (对应于单位化的阀芯机械行程开度 ，且 )，其中平衡流量设定值 ，测量平衡流量的计算公式 。出厂时阀门机械特性的数学库 已存储在"大脑"中，并存在关系式 。当阀的动态压差测量值 随管网变化时，为了保持动态流量平衡，须有关系式 ，因此得到 。利用"大脑"中的机械调节特性数学库 及其反函数库容易求得阀门执行器的机械开度 。显然，阀的动态压差设定值预先给定时，阀的动态平衡流量设定值自然给定( )，其中 也就是通常所说的动态流量平衡阀工作压差最小值( )。当阀门动态压差测量值 时，阀门始终具有恒流量特性，且这种流量控制目标值可以灵活设定。

电子式动态流量平衡阀有如下特点:

(1)人工智能PID高级算法直接或间接控制阀门的自动平衡流量;

(2)平衡流量值可就地或远程灵活设定，并具有冬夏模式自动切换流量设定值功能;

(3)高精度传感器直接进行测量与控制，平衡流量控制偏差达3.5%F.S.;

(4)提供MODBUS RTU RS-485通讯接口，平衡流量设定值还可利用通讯方式给定;

(5)阀门本体阻力损失小(大口径阀门接近零阻损)，从而进一步降低输配能耗;

目前，普遍应用的基于机械自力式原理的动态流量平衡阀包括机械式固定流量型和机械外设定可变流量型两种。其中，基于机械自力式原理的固定流量型动态流量平衡阀目前已经比较普遍，其一般特性为:

(1)流量值必须在工厂设定和校正，安装后其平衡流量值的调整不灵活、适应性差;

(2)无法实现冬夏模式的智能切换，对于冬夏季模式需要不同流量的水系统来说，无法得到有效的平衡与控制，这将导致输配能耗偏高;

(3)起始工作压差点阀门本体的水阻力较大，不利于提高输配能效比;

(4)没有传感器测量装置，实际运行时压差或流量测不准，难以实现高精度的流量测量与平衡控制。虽然许多产品名牌标识的流量控制偏差可达到5%，但长时间使用后流量测量装置的一致性与准确性较差;

(5)管网输配系统的节点流量无法实现BA系统的远程设定与智能监控。