自力式流量控制阀在供热系统水力平衡中的应用

韩 健

（太原市热力集团有限责任公司， 山西 太原 030000）

0 引言

供暖系统是我国北方地区人民冬季生活的基础保障，在该系统的运行过程中往往存在着“近热远冷”的现象，为了保障居民正常供暖需求，相关热力单位需要通过提高水泵转速来增大供热管网压力，而这无疑会造成巨大的能源浪费，出现此种情况的主要因素在于热力管网水力失调[1]。在当前节能降耗事业不断推行的环境下，传统的供热管理模式已经不符合可持续社会发展的需求，因此寻求一种可靠的方法解决管网水力失调已经成为供热单位亟需解决的事项。

1 热力管网水力平衡方案

目前在热力管网水力失调问题当中的解决方式主要有温差法、比例法、CCR 法和分布式喷射混水法等，该种水力调节方式所应用的范围和特点有着较大的不同，并不适用于多样化的热力系统当中[2]。针对此种情况，本文提出了水力自适应调节方案，即对热力管网内部流体的动态特性进行监控，将相关数值反馈给控制器，由控制器对数据进行分析，并对电动调节阀进行调节，重新分配管路流量，之后由自力式流量控制阀管内流量情况再对管网内部流体进行二次调节，从而保证供热管网流量的恒定。

2 自力式流量控制阀的设计

2.1 结构设计

本文设计的自力式流量控制阀阀芯是由阀芯、阀体、密封装置等结构构成的，其中阀芯分为两部分，分别为手动控制阀芯和自力式调节阀芯，自力式阀芯的开合是由弹簧控制和限位器控制，当压差小时，上/下开口同时对流量进行调节；当压差大时，只有上开口起作用。

2.2 自力式流量控制阀的建模

本文根据自力式流量控制阀结构利用CAD、SolidWorks 软件进程阀体的三维模型建立，首先需要对阀芯进行设计，阀芯是决定控制阀调节效果的关键，其不仅需要较高的强度，同时还需要具备良好的加工性，制造完成后具有光滑的流面曲线孔。因此本次阀芯设计选择20CrMnTi 材料制作，该种材料的刚度和弹性质量符合阀芯设计要求。在阀芯尺寸方面，主要以某企业需要改造的供热管路为主，本次所改造的管路为80 mm 的管路，因此所有配件模型建立均以DN80 阀门为基准。在设计当中，阀芯调节元件选用高精度压缩弹簧，根据对某企业供暖管路内部流量情况分析并计算，本次所选用的弹簧丝2 mm，外径21 mm，节距8 mm，有效圈数16 的上弹簧，而下弹簧选用规格为弹簧丝3 mm，外径31 mm，节距5 mm，有效圈数8。手动阀芯作为流体通道开度调整的关键零部件，本次设计选用20CrMnTi 材料进行制造，手动阀上端设置有丝扣，用于旋钮的安装，旋钮设置刻度盘来查看阀芯的开合度。阀体的制造采用常规铸造的方式。将所有零部件建模后进行装配，得到自力式流量控制阀的三维模型，如图1 所示。

图1 自力式流量控制阀模型

2.3 仿真分析

2.3.1 流场流体运动仿真分析

本文利用Fluent 软件对设计的自力式流量控制阀的流场流体进行分析，从而验证阀门设计的合理性。首先对SolidWorks 软件中所建立的自力式流量控制阀模型进行分析，仿真模拟出内部流体区域，之后对该区域进行网格划分，为了提高流体分析的有效性，需要对压差、流体速度变化较大的阀芯区域进行细化网格划分，整个阀门流体区域模型所划分的网格数量在15～20 万之间，经过仿真模拟分析发现在120 次迭代后具有良好的收敛效果，因此本次建模和仿真分析方式合理。之后对自力式流量控制阀内部流体区域的压力云图进行仿真分析，结果如图2 所示。

图2 流体区域压力（单位：Pa）云图

由图2 可知，自力式流量控制阀在进、出口部分压力分布均匀，这也说明在控制阀内部流体能够充分流动。经过对流体流速的分析发现，流体经过阀芯后流速增大，这主要是由于流体在初步进入阀芯内部时过流面积降低，此时内部压力增大，从而带动流体流速增大，当流体经过阀芯时，压力骤然减小，但阀芯内部压力依旧较大，此时推动外部流体流动，从而使阀芯出口处流体流速达到最大。从压力和流体流速角度分析，此次控制阀的设计合理。

2.3.2 自力式流量控制阀力学性能分析

为了确保阀门使用寿命和制造经济性，需要对阀门的力学性能进行分析。本次将SolidWorks 软件中建立好的三维零部件模型导入Workbench 软件当中，在其中添加材料属性，并进行网格划分。之后模拟流体冲击效果，在相应部位施加约束和载荷，由于阀芯端帽是直接接触流体的部分，因此本次分析以阀芯端帽为主。经过对某企业供热管路内部流体相关信息测算，得出在上端帽上施加载荷为0.5 MPa，载荷均匀分布在端帽表面。经过仿真分析得出应力结果如图3 所示。

图3 阀芯上端帽应力（单位：Pa）云图

由图3 可知，施加载荷后阀芯出现了应力集中现象，其中过流体面孔边壁应力最大，为45.42 MPa，最大变形量为2.598e-4 mm，因此需要进一步校核。本次提出通过改变上端帽壁厚的方式使阀芯强度在满足阀门使用要求的情况下降低阀门制造成本。阀芯均是由20CrMnTi 材质构成的，其屈服强度为220 MPa，虽然在此壁厚设计下能够达到阀门的使用要求，但由于壁厚过大并没有达到最佳经济状态。因此，在后续仿真结构优化过程中，通过减小阀芯壁厚来测验最大应力，经过反复对比检测发现在壁厚为0.7 mm 时，阀芯上端帽过流体面孔边壁处应力值最大，为189.39 MPa，该应力值接近且小于20CrMnTi 材质的屈服强度；将壁厚设置为0.6 mm，最大应力值达到254.20 MPa，并不能满足要求。因此，本次设计将阀芯壁厚优化为0.7 mm，且该尺寸具有可加工性，同时能够达到节约材料降低成本的目的。

3 自力式流量控制阀的应用

3.1 应用效果

某企业采用燃气锅炉进行冬季供暖，由于泵房距离锅炉房较远，在改造之前泵房温度相对较低，为了保证泵房工作人员的供暖需求，需要提高锅炉燃烧机功率和供热循环泵功率，这使距离锅炉房较近的宿舍室内温度较高，并极大地增加了企业的运营成本。为此该企业提出供暖系统改造措施，在2020 年7 月将上文设计的自力式流量控制阀应用于供热管路当中，以此种方式改变供热管路水力失调的问题。改造前后选取典型日（典型日选取供暖中期且两典型日气候温度一致）对同一宿舍、泵房的温度进行监测，结果如图4 所示。

图4 改造前后典型日宿舍与泵房温度

由图4 可知，改造完成后泵房和宿舍的温度变化幅度变小，并且泵房温度全天均能够达到18 ℃以上，满足人员办公需求；宿舍温度最高值由28.4 ℃降低至23.8 ℃，有效提高了员工居住舒适感。由此可见，自力式流量控制阀的应用具有良好水力调节效果。

3.2 经济性

某企业所在地供暖时间为146 d，可以将供暖期分为三个阶段，初寒期43 d、高寒期62 d 和末寒期41 d。经过对2019—2020 年度该企业供暖分析，初寒期有两台循环泵进行循环，平均电耗为79.8 kW·h；高寒期有三台循环泵循环，平均耗电量为127.3 kW·h；末寒期有两台循环泵使用，平均耗电量为96.9 kW·h，经过计算供暖期耗能为367 125.6 kW，所需要费用为26.80 万元。经过改造后在2020—2021 年度该企业初寒期仅需一台循环泵供水，平均电耗为49.4 kW·h；高寒期有两台循环泵进行循环，平均电耗为77.9 kW·h；末寒期由一台循环泵供水，平均电耗为49.4 kW·h，由此可得出改造完成后循环水泵电能费用为15.73 万元，因此改造完成后能够每年能够降低电能成本11.07 万元。

在2019 年度供热期内，在满足生产需求的条件下燃气锅炉平均每日需要消耗3 120 m3天然气。2020年该企业生产任务与2019 年一致，因此燃气消耗量具有可比性，2020 年供暖期锅炉每日需消耗2 546 m3天然气，平均每日降低574 m3天然气，该企业所在地冬季天然气费用为4.1 元/m3，因此整个供暖期能够节约34.36 万元燃气费用。因此改造完成后企业全年能够节约45.43 万元。

4 结论

1）根据某企业供热系统水力失调情况提出利用自力式流量控制阀的解决方案。

2）对自力式流量控制阀进行设计，并利用Solid-Works、Fluent、Workbench 等软件进行建模仿真，经过验证发现阀芯上端帽壁厚设置为0.7 mm 时制造成本最低。

3）对自力式流量控制阀的应用效果和经济性进行分析，将其应用于某企业中能够有效解决水力失调问题，使厂区内部房间的温度达到供暖要求范围内，并且温度变化更加均衡；在改造完成后企业全年能够降低成本45.43 万元。