地铁空调水系统平衡阀与控制阀的应用和选型

2020-12-01曹楷

四川建材 2020年11期

曹楷

(中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308)

1 地铁常用平衡阀与控制阀

1.1 手动平衡阀

手动平衡阀也称静态平衡阀。通过改变开度，使阀门的流动阻力发生相应的变化来调节流量。实际上是作为一个局部阻力可以人工改变的阻力元件，在管网初调节后平衡阀开度被固定，局部阻力也被固定，对于定流量系统则始终处于平衡状态，对于变流量系统，负荷变化不大的情况下能起到一定的分配作用，但当负荷变化较大时其阀开度会变得很小，单独使用手动平衡阀便不合适了。如果将它与自力式压差控制器配合使用，将构成一种较为经济而理想的方案[1]。如图1所示，随着阀门开度增大，流量增大、压降减少，则流量系数增大。

图1 手动平衡阀开度流量特性曲线

1.2 自动流量平衡阀

自动流量平衡阀也称动态平衡阀、动态流量平衡阀、流量控制平衡阀、流量控制阀、最大流量限制器、限流阀。通过自动改变阀芯的过流面积、适应阀前后压力的变化，来控制通过阀门的流量保持不变。当系统末端设备如风机盘管、组合式空调机组等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变化时，使其他末端设备的流量保持不变，仍然与设计值相一致。分为预设定流量型、手动可调节流量和电动可调节流量型三大类。如图2所示，该阀门在一定压差范围内流量恒定。

图2 自动流量平衡阀特性示意图

1.3 压差平衡阀

压差平衡阀也称压差控制器、自力式压差平衡阀、自动压差平衡阀。通过前后两个压力测量点、将压差作用于阀芯隔膜，达到新的平衡点，它有一定的比例压差控制范围，可以在一定流量阀内使得所需控制回路的压差保持基本恒定。经常与手动平衡阀配合使用，又被称作流量/压差平衡阀组或流量/压差调节单元，也称动态平衡阀组或自动压差平衡阀组。该阀门在一定流量范围内压差基本恒定。

1.4 动态平衡二通阀(双位开关式)

其是自动流量平衡阀与电动二通阀(开关型)功能为一体的阀门，由于驱动器常用电磁式，也常简称为电磁阀，该阀只有全开和全关两种状态，所以只能恒定一种流量，不可通过控制阀门开度设置多种流量值，这是和下面的动态平衡电动调节阀(比例积分式)的最大区别，该阀常用于定流量系统和负荷变化不大的变流量系统，且由于开关型二通阀调节和反馈滞后，室温设定值正负偏差较大，一般用于风机盘管等小口径末端水路上。

1.5 动态平衡电动调节阀(比例积分型)

为自动流量平衡阀和电动二通调节阀(比例积分型)的组合，其阀芯由电动可调部分和水力自动调节部分组成，电动可调部分可随时设定流量，而水力自动调节部分可根据不同的压差来保持此设定流量的不变。该阀门普遍用于组合式空调机组等末端设备较大的水路上。如图3所示，该阀在一定压差范围内可以保持流量恒定。其恒定的流量值可电动设定。

图3 动态流量平衡电动调节阀的流量随压差变化曲线

1.6 压差旁通阀

阀瓣上设置弹簧，当供回水管两端压差>弹簧的弹力时，阀瓣打开，旁流水通过阀芯，使得供回水之前的流量和压差基本保持不变。分自力式、电动式两种。压差旁通阀和压差平衡阀都可以保持环路压差不变，但压差旁通阀用在两管之间，通过旁流一部分水流来调节两管之间的压差。

如图4所示，旁通阀存在三个工作特性区：欠压Ⅰ区、定压Ⅱ区、超压Ⅲ区。特性区的划分与旁通压差设定值和旁通阀的管道特性有关[2]。在定压Ⅱ区，随着旁通流量的增加，压差基本保持不变。定压差平衡过程存在一个上限流量，其值随压差设定值单调增加。

图4 供回水管压差和旁通流量的关系曲线

1.7 电动蝶阀

蝶阀是用圆盘式启闭件往复回转90°左右，从而实现开启、关闭和调节流体通道的一种阀门。蝶阀处于完全开启位置时，蝶板厚度是介质流经阀体时唯一的阻力，通过该阀门所产生的压力降很小，具有较好的流量控制特性。且该阀门启闭方便迅速、省力，可以经常操作，具有结构简单、体积小、重量轻的特点，在地铁空调水系统中常用作冷却塔、冷水机组管路、公共区组合式空调机组水管的电动启闭。

2 典型地铁空调水系统

地铁设置的商铺、银行部分常常采用风机盘管，而通常风机盘管的管径在DN25～DN40之间，较小，一般采用电磁阀，即动态平衡二通阀(双位开关式)控制即可。

对于车站公共区、设备区空调系统的空调器，其流量较大，管径通常在DN50以上，负荷变化较大，对流量稳定性要求高，故可采用动态平衡电动调节阀，此阀门可以在一定压差范围内保持流量的稳定且流量可电动设定。尤其是公共区空调器，早晚高峰和平时的负荷差别大，流量调节具有相当的节能意义。

在空调集水器和分水器之间设置了电动压差调节阀，当系统的某些支路部分或全部关闭时，通过调节分、集水器旁通水力平衡阀可以对流量进行分流，从而维持分、集水器的压差不变，避免这些支路的改变对其他支路流量产生影响，有利于空调系统运行的稳定性，保证流过冷水机组的流量满足蒸发器额定流量要求，保障冷水机组的安全、高效运行，实现对主机-水泵运行台数的控制以大幅度减少能源消耗，并使系统能根据冷负荷的变化自动调节进入负荷侧的水流量，达到供给和需求总流量的瞬时一致性[3]。

一次泵系统冷水机组的台数控制方法有四种：压差旁通控制法、恒定供回水压差的流量旁通控制法、回水温度控制法、恒定用户处直通调节阀前后压差旁通控制法。其中，以压差旁通控制法采用限位开关开、停水泵-主机最为简单可靠[3]。地铁空调水系统也常用这种方法，以典型两台冷水机组的地铁空调水系统为例说明压差旁通控制法工作原理：低负荷(≤50%～55%空调负荷)时启动一台冷水机组，其相应的水泵联锁提前开启，调节阀在某一调节位置。负荷增加时(>50%～55%空调负荷)，调节阀趋向全关的位置，这时限位开关闭合，自动启动第二台水泵和相应的冷水机组。当负荷减小时调节阀趋向全开的位置，这时限位开关打开，自动关闭第二台冷水机组和相应的水泵。

压差旁通阀选型流量应该为一台冷水机组的额定流量，其压差应选取最远端最不利回路的供水管压差，因为此时变频冷水泵冷水泵的功耗最小[2]。算出其流量系数Kv，再结合负荷侧的最大压差选出压差旁通阀口径[3]。

电动蝶阀装在冷冻水泵、冷却水泵接冷水机组一侧的回水管路上和冷却塔的供回水管路上，冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔不作单独控制，而与相应的冷水机组联锁，由主机供货商根据开机与关机顺序完成统一的启停控制。开机时电动蝶阀先开，待阀开启信号显示后再开相应主机系统；关机时，先关主机系统后关相应电动蝶阀。另外，公共区空调机组的管路上也常常设置电动蝶阀，因为公共区空调机组经常启闭，完全用动态平衡电动调节阀不太可靠，故另外设置电动蝶阀来专门启闭。而设备区空调系统不会频繁关闭，所以未设置电动蝶阀。

3 优化措施

1)在集水器各回水管、立管及水平支管上安装静态平衡阀。在设计和工程实践中很难将各支路的压力损失相差控制在15%内，所以在管网初调节中通过设置静态平衡阀，调节自身开度改变阀门阻力，平衡各并联环路的阻力比值，使流量合理分配，达到实际流量与设计流量相同；消除水系统存在的部分区域过流从而导致部分区域欠流的冷热分配不均现象，有效避免了为照顾最不利环路而加大流量运行的能源浪费现象，因此可节省冷量、减少水泵运行费用。

2)地铁出入口需要采用多个风机盘管，应在支路总管上设置动态平衡电动调节阀(比例积分型)，这样将整个出入口当作一个区域来控制，动态平衡电动调节阀根据出入口的温度需要来调节总管上的流量。此时不需要在每个风机盘管上再设置电磁阀，因为单个的风机盘管的启闭没有实际意义。

3)流量、压差等平衡阀应根据阀门公称压力、控制压差、流量系数、阀权度来选型，但要找到控制阀的流量系数并非易事，因为作用在阀门两端的压差取决于很多因素，比如水泵实际扬程、管路和附件的压力降、末端装置的压力降，但这些值又取决于水力平衡实现的精度。控制阀每档值都比前一档大60%左右，且水泵和末端装置的规格常常选得过大，经常导致控制阀常在接近关闭的位置工作，导致装置出现过流量、其他装置欠流量。所以控制阀的流量系数选型建议比设计值小一档。但设计实践中常常用比管径小一号来选型，这是不对的，应该根据流量系数而不是管径来选型。