暖通空调自控系统中调节阀口径选择的重要性及方法

发布时间：2010-12-06 点击数：2892

    当今社会，在日益普及的楼宇设备自动化控制系统中，暖通空调系统的自动化控制占有相当重要的地位。而在暖通空调系统的自动化控制中，则重点又是通过调节阀来控制介质的流量、压力及液位等参数。
一、空调自控系统中调节阀口径选择的重要性及方法
    空调自控系统中，选择调节阀口径的目的是要使调节阀和换热盘管组合在一起工作，产生一个合理的组合线性特性，使系统调节能按照设计要求进行有效地控制。在通常的设计中，设计者出于对系统的最大负荷或者出于留有余量的考虑，选择偏大口径是很普遍的，往往就直接选择调节阀口径与空调机组冷热水管道的管径一致，或者简单地相对管径缩小一级口径。这些随意性的设计不仅造成投资浪费，同时降低了系统的调节品质，影响系统的寿命。就阀门口径的选择而言，过大会使调节性能变差，易使系统受到冲击和振荡，并且投资成本也会增加。而口径过小的阀门固然对控制而言更有效，但一方面达不到系统的容量要求，另一方面阀门将需要通过系统提供较大的供回水压差以维持足够的流量，加重循环水泵的负荷，阀门本身也容易受到损害，缩短使用寿命。因此，在前期设计时选择适当的调节阀口径，对日后系统的正常运转是非常重要的环节。
    调节阀口径的选择和确定主要是依据阀的流通能力即流量系数。流量系数为流量计算时使用的系数，现在使用的符号较杂，美国、日本多用C_v这个符号，欧洲多用K_vs表示，而国际标准应该是K_v，K_v也是我国调节阀传统使用的流量系数代号。C_v与K_v的关系为：C_v=1.167K_v，而K_v和K_vs是相当的。在国际标准中，K_v值是这样定义的：温度为5～40℃的水在100kPa压强下，1h流过调节阀的数量，以m³/h表示。
    从调节阀的K_v计算到阀门的口径确定一般需经以下步骤：
    （1）阀前后压差的确定
    理论上讲，在不同的空调系统回路中，△p值是不同的，是一个动态变化的值，对Kv，计算影响也比较大。在选择阀门压力降时，尽可能选得大一些，并且压力降的大小在系统运行中最好能恒定，这样就能保证阀门的流量特性恒定，也能够保证PI调节有好的效果。在空调供回水系统中：空调系统供/回水管的压力降等于阀门两端压力降及换热盘管进出口压力降和管道自身压力衰减三者之和，在实际工程中，可以通过对供/回水总管进行压差旁通调节，来保证整个系统压力的稳定。根据经验，大多这样来选择：使阀门全开时的压力降等于或接近供回水之间总压力降的50%。一般供回水系统的压差在（2～4）×100kPa，因而空调系统阀门上的压力降一般选择为（1～2）×100kPa。
    （2）计算流量的确定
    计算调节阀的口径，通常的做法是按最大流量Q_max来考虑。现有的生产能力、设备负荷及介质的状况，决定计算流量的Q_max和Q_mix。如果不知道Q_max值，只提供正常流量，比较盛行的做法是：直线特性的调节阀放大倍，对数（等百分比）特性的调节阀放大倍，这样来求得Q_max。
    如果正常流量这个参数也未提供，在暖通空调系统中，也可依据其它的资料，来计算出盘管所需要的流量。例如可以查询空调机组的技术参数表中换热盘管的制冷量（或加热量），再根据冷量（或热量）计算出来阀门的流量。设备（或装置）的冷量（或热量）和流量之间按如下公式计算：
    G=L×T×t/3600
    Q=L/P
    式中：G为冷量或热量，kW；Q为流体的体积流量，m³/h；为流体的质量流量，t/h；P为流体的容重，t/m³；C为流体的质量热容，j/（kg·K）；△t为进出口流体温差，水的质量热容是4。1868KJ/（kg·K）。
    （3）K_v，值计算
    根据已决定的计算流量、计算压差及其他参数，求出最大工作流量时的K_vmax。不同介质、不同工艺要求的流量系数计算公式并不一致，空调水系统中选阀时流量系数计算可按如下的公式：

    式中：为额定流量，m³/h；γ为介质重度，10N/cm³（介质水一般取1）；p₁为阀门进口压力，kPa；p₂为阀门出口压力，kPa；△p=p₁-p₂。
    （4）初步决定调节阀的口径
    根据计算出的K_vmax值就可以选择阀门了，实际工程中，阀门口径是分级的，K_v值通常也不连续（公式计算的K_vmax值是连续的）。不同厂商的同类型产品有不同的K_v，值与口径对应表，选取大于K_vmax并与其接近的一档K_v值，得出口径。
    （5）调节阀开度验算
    最简单的开度K计算公式为：
    直线流量特性阀门

对数流量特性阀门

    式中：K_vi为计算开度K_v值；K_vg为所选阀的标准K_v值；K_i为对应K_vi的开度调节阀的一般开度范围以30～80%为宜。
    （6）调节阀实际可调比的验算
    调节阀的可调比：就是调节阀所能控制的最大流量与最小流量之比。
    调节阀的理想可调比：当调节阀上压差一定时，其可调比称为理想可调比，以R表示。
    调节阀的实际可调比：调节阀在实际工作时，由于调节阀上的压差随管路系统的阻力变化，或旁通阀开启程度的不同，使得调节阀的可调比也产生相应的变化，这时调节阀的可调比称为实际可调比，以R′表示。
    验算公式：

s为阀阻比或称压降比。
验算时，一般以R=10来进行，把R=10带入上式，得可调比验算公式为：

    当s≥0.3时，R′≥5.5，能满足一般生产要求，此时可以不验算。
    （7）压差校核
    选择好合适的阀门口径后，阀门的闭合压差△p_s也是选择阀门时必须要注意的一个重要参数，△p_s为阀门关闭时，执行器或安全返回弹簧能够保持阀门闭合时的压差。对于已选择好的阀门，其△p_s必须高于供回水系统的压差，否则会出现阀门关不死造成泄漏的现象，严重的直接形成系统失控。但是也无须盲目追求阀门的△p_s值过高，从而增大投资成本造成不必要的浪费。
    （8）上述验算合格，则所选阀口径合格。若不合格，需重定口径或另选其他阀再验算至合格。
二、某政府办公大楼空调自控系统中阀门的选择
    以某政府办公大楼（以下简称办公大楼）空调自控系统1至4楼的新风机组为例，空调系统的送回水压差为2.5×100kPa，查询空调机组技术参数，可以得知换热盘管的进出口压差分别为1.6×100kPa和1.8×100kPa，用送回水压差减换热盘管的进出口压差得出阀前后的△p分别为0.9100kPa和0.7×100kPa，按照流量系数的计算公式.

（式中取γ=1）可以计算出流量系数Kv的值。办公大楼选用的是西门子控制系统，根据西门子Kv值与口径对应表，选择出相应的阀门口径（表1）。

西门子楼宇自控用K_vs（相当于笔者计算出的K_v）来选择阀门。并且西门子楼字科技提供一套简单、直观的选阀软件EasyVASP3.2，使用该软件时，把流量Q、压力差△p等参数输人后，选择相应的介质，它会自动计算出阀门的流量系数K_vs并提供几种相匹配的阀门和执行器供选择使用。把办公大楼各台空调机组的参数输人E_asyVASP3.2中，查出每台调节阀的Kv值，和公式计算的结果对比，可以看出通过公式计算出的流量系数K_v值与西门子该选阀软件查询的K_vs值几乎一致（表2）。