自力式流量控制閥在供熱系統(tǒng)水力平衡中的應(yīng)用

韓 健

（太原市熱力集團(tuán)有限責(zé)任公司， 山西 太原 030000）

0 引言

供暖系統(tǒng)是我國北方地區(qū)人民冬季生活的基礎(chǔ)保障，在該系統(tǒng)的運(yùn)行過程中往往存在著“近熱遠(yuǎn)冷”的現(xiàn)象，為了保障居民正常供暖需求，相關(guān)熱力單位需要通過提高水泵轉(zhuǎn)速來增大供熱管網(wǎng)壓力，而這無疑會造成巨大的能源浪費(fèi)，出現(xiàn)此種情況的主要因素在于熱力管網(wǎng)水力失調(diào)[1]。在當(dāng)前節(jié)能降耗事業(yè)不斷推行的環(huán)境下，傳統(tǒng)的供熱管理模式已經(jīng)不符合可持續(xù)社會發(fā)展的需求，因此尋求一種可靠的方法解決管網(wǎng)水力失調(diào)已經(jīng)成為供熱單位亟需解決的事項。

1 熱力管網(wǎng)水力平衡方案

目前在熱力管網(wǎng)水力失調(diào)問題當(dāng)中的解決方式主要有溫差法、比例法、CCR 法和分布式噴射混水法等，該種水力調(diào)節(jié)方式所應(yīng)用的范圍和特點(diǎn)有著較大的不同，并不適用于多樣化的熱力系統(tǒng)當(dāng)中[2]。針對此種情況，本文提出了水力自適應(yīng)調(diào)節(jié)方案，即對熱力管網(wǎng)內(nèi)部流體的動態(tài)特性進(jìn)行監(jiān)控，將相關(guān)數(shù)值反饋給控制器，由控制器對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并對電動調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，重新分配管路流量，之后由自力式流量控制閥管內(nèi)流量情況再對管網(wǎng)內(nèi)部流體進(jìn)行二次調(diào)節(jié)，從而保證供熱管網(wǎng)流量的恒定。

2 自力式流量控制閥的設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的自力式流量控制閥閥芯是由閥芯、閥體、密封裝置等結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，其中閥芯分為兩部分，分別為手動控制閥芯和自力式調(diào)節(jié)閥芯，自力式閥芯的開合是由彈簧控制和限位器控制，當(dāng)壓差小時，上/下開口同時對流量進(jìn)行調(diào)節(jié)；當(dāng)壓差大時，只有上開口起作用。

2.2 自力式流量控制閥的建模

本文根據(jù)自力式流量控制閥結(jié)構(gòu)利用CAD、SolidWorks 軟件進(jìn)程閥體的三維模型建立，首先需要對閥芯進(jìn)行設(shè)計，閥芯是決定控制閥調(diào)節(jié)效果的關(guān)鍵，其不僅需要較高的強(qiáng)度，同時還需要具備良好的加工性，制造完成后具有光滑的流面曲線孔。因此本次閥芯設(shè)計選擇20CrMnTi 材料制作，該種材料的剛度和彈性質(zhì)量符合閥芯設(shè)計要求。在閥芯尺寸方面，主要以某企業(yè)需要改造的供熱管路為主，本次所改造的管路為80 mm 的管路，因此所有配件模型建立均以DN80 閥門為基準(zhǔn)。在設(shè)計當(dāng)中，閥芯調(diào)節(jié)元件選用高精度壓縮彈簧，根據(jù)對某企業(yè)供暖管路內(nèi)部流量情況分析并計算，本次所選用的彈簧絲2 mm，外徑21 mm，節(jié)距8 mm，有效圈數(shù)16 的上彈簧，而下彈簧選用規(guī)格為彈簧絲3 mm，外徑31 mm，節(jié)距5 mm，有效圈數(shù)8。手動閥芯作為流體通道開度調(diào)整的關(guān)鍵零部件，本次設(shè)計選用20CrMnTi 材料進(jìn)行制造，手動閥上端設(shè)置有絲扣，用于旋鈕的安裝，旋鈕設(shè)置刻度盤來查看閥芯的開合度。閥體的制造采用常規(guī)鑄造的方式。將所有零部件建模后進(jìn)行裝配，得到自力式流量控制閥的三維模型，如圖1 所示。

圖1 自力式流量控制閥模型

2.3 仿真分析

2.3.1 流場流體運(yùn)動仿真分析

本文利用Fluent 軟件對設(shè)計的自力式流量控制閥的流場流體進(jìn)行分析，從而驗證閥門設(shè)計的合理性。首先對SolidWorks 軟件中所建立的自力式流量控制閥模型進(jìn)行分析，仿真模擬出內(nèi)部流體區(qū)域，之后對該區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了提高流體分析的有效性，需要對壓差、流體速度變化較大的閥芯區(qū)域進(jìn)行細(xì)化網(wǎng)格劃分，整個閥門流體區(qū)域模型所劃分的網(wǎng)格數(shù)量在15～20 萬之間，經(jīng)過仿真模擬分析發(fā)現(xiàn)在120 次迭代后具有良好的收斂效果，因此本次建模和仿真分析方式合理。之后對自力式流量控制閥內(nèi)部流體區(qū)域的壓力云圖進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 流體區(qū)域壓力（單位：Pa）云圖

由圖2 可知，自力式流量控制閥在進(jìn)、出口部分壓力分布均勻，這也說明在控制閥內(nèi)部流體能夠充分流動。經(jīng)過對流體流速的分析發(fā)現(xiàn)，流體經(jīng)過閥芯后流速增大，這主要是由于流體在初步進(jìn)入閥芯內(nèi)部時過流面積降低，此時內(nèi)部壓力增大，從而帶動流體流速增大，當(dāng)流體經(jīng)過閥芯時，壓力驟然減小，但閥芯內(nèi)部壓力依舊較大，此時推動外部流體流動，從而使閥芯出口處流體流速達(dá)到最大。從壓力和流體流速角度分析，此次控制閥的設(shè)計合理。

2.3.2 自力式流量控制閥力學(xué)性能分析

為了確保閥門使用壽命和制造經(jīng)濟(jì)性，需要對閥門的力學(xué)性能進(jìn)行分析。本次將SolidWorks 軟件中建立好的三維零部件模型導(dǎo)入Workbench 軟件當(dāng)中，在其中添加材料屬性，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。之后模擬流體沖擊效果，在相應(yīng)部位施加約束和載荷，由于閥芯端帽是直接接觸流體的部分，因此本次分析以閥芯端帽為主。經(jīng)過對某企業(yè)供熱管路內(nèi)部流體相關(guān)信息測算，得出在上端帽上施加載荷為0.5 MPa，載荷均勻分布在端帽表面。經(jīng)過仿真分析得出應(yīng)力結(jié)果如圖3 所示。

圖3 閥芯上端帽應(yīng)力（單位：Pa）云圖

由圖3 可知，施加載荷后閥芯出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，其中過流體面孔邊壁應(yīng)力最大，為45.42 MPa，最大變形量為2.598e-4 mm，因此需要進(jìn)一步校核。本次提出通過改變上端帽壁厚的方式使閥芯強(qiáng)度在滿足閥門使用要求的情況下降低閥門制造成本。閥芯均是由20CrMnTi 材質(zhì)構(gòu)成的，其屈服強(qiáng)度為220 MPa，雖然在此壁厚設(shè)計下能夠達(dá)到閥門的使用要求，但由于壁厚過大并沒有達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)狀態(tài)。因此，在后續(xù)仿真結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，通過減小閥芯壁厚來測驗最大應(yīng)力，經(jīng)過反復(fù)對比檢測發(fā)現(xiàn)在壁厚為0.7 mm 時，閥芯上端帽過流體面孔邊壁處應(yīng)力值最大，為189.39 MPa，該應(yīng)力值接近且小于20CrMnTi 材質(zhì)的屈服強(qiáng)度；將壁厚設(shè)置為0.6 mm，最大應(yīng)力值達(dá)到254.20 MPa，并不能滿足要求。因此，本次設(shè)計將閥芯壁厚優(yōu)化為0.7 mm，且該尺寸具有可加工性，同時能夠達(dá)到節(jié)約材料降低成本的目的。

3 自力式流量控制閥的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用效果

某企業(yè)采用燃?xì)忮仩t進(jìn)行冬季供暖，由于泵房距離鍋爐房較遠(yuǎn)，在改造之前泵房溫度相對較低，為了保證泵房工作人員的供暖需求，需要提高鍋爐燃燒機(jī)功率和供熱循環(huán)泵功率，這使距離鍋爐房較近的宿舍室內(nèi)溫度較高，并極大地增加了企業(yè)的運(yùn)營成本。為此該企業(yè)提出供暖系統(tǒng)改造措施，在2020 年7 月將上文設(shè)計的自力式流量控制閥應(yīng)用于供熱管路當(dāng)中，以此種方式改變供熱管路水力失調(diào)的問題。改造前后選取典型日（典型日選取供暖中期且兩典型日氣候溫度一致）對同一宿舍、泵房的溫度進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 改造前后典型日宿舍與泵房溫度

由圖4 可知，改造完成后泵房和宿舍的溫度變化幅度變小，并且泵房溫度全天均能夠達(dá)到18 ℃以上，滿足人員辦公需求；宿舍溫度最高值由28.4 ℃降低至23.8 ℃，有效提高了員工居住舒適感。由此可見，自力式流量控制閥的應(yīng)用具有良好水力調(diào)節(jié)效果。

3.2 經(jīng)濟(jì)性

某企業(yè)所在地供暖時間為146 d，可以將供暖期分為三個階段，初寒期43 d、高寒期62 d 和末寒期41 d。經(jīng)過對2019—2020 年度該企業(yè)供暖分析，初寒期有兩臺循環(huán)泵進(jìn)行循環(huán)，平均電耗為79.8 kW·h；高寒期有三臺循環(huán)泵循環(huán)，平均耗電量為127.3 kW·h；末寒期有兩臺循環(huán)泵使用，平均耗電量為96.9 kW·h，經(jīng)過計算供暖期耗能為367 125.6 kW，所需要費(fèi)用為26.80 萬元。經(jīng)過改造后在2020—2021 年度該企業(yè)初寒期僅需一臺循環(huán)泵供水，平均電耗為49.4 kW·h；高寒期有兩臺循環(huán)泵進(jìn)行循環(huán)，平均電耗為77.9 kW·h；末寒期由一臺循環(huán)泵供水，平均電耗為49.4 kW·h，由此可得出改造完成后循環(huán)水泵電能費(fèi)用為15.73 萬元，因此改造完成后能夠每年能夠降低電能成本11.07 萬元。

在2019 年度供熱期內(nèi)，在滿足生產(chǎn)需求的條件下燃?xì)忮仩t平均每日需要消耗3 120 m3天然氣。2020年該企業(yè)生產(chǎn)任務(wù)與2019 年一致，因此燃?xì)庀牧烤哂锌杀刃裕?020 年供暖期鍋爐每日需消耗2 546 m3天然氣，平均每日降低574 m3天然氣，該企業(yè)所在地冬季天然氣費(fèi)用為4.1 元/m3，因此整個供暖期能夠節(jié)約34.36 萬元燃?xì)赓M(fèi)用。因此改造完成后企業(yè)全年能夠節(jié)約45.43 萬元。

4 結(jié)論

1）根據(jù)某企業(yè)供熱系統(tǒng)水力失調(diào)情況提出利用自力式流量控制閥的解決方案。

2）對自力式流量控制閥進(jìn)行設(shè)計，并利用Solid-Works、Fluent、Workbench 等軟件進(jìn)行建模仿真，經(jīng)過驗證發(fā)現(xiàn)閥芯上端帽壁厚設(shè)置為0.7 mm 時制造成本最低。

3）對自力式流量控制閥的應(yīng)用效果和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，將其應(yīng)用于某企業(yè)中能夠有效解決水力失調(diào)問題，使廠區(qū)內(nèi)部房間的溫度達(dá)到供暖要求范圍內(nèi)，并且溫度變化更加均衡；在改造完成后企業(yè)全年能夠降低成本45.43 萬元。