计量供热系统压差控制器控制特性分析

第２８卷第１期　煤气与热力　Ｖ０１．２８　Ｎｏ．１　２００８年１月　ＧＡＳ＆ＨＥＡＴ　Ｊａｎ．２００８　撰　撰　劫　餮　供热热网与热力站　琵　％　｝　计量供热系统压差控制　器控制特性分析　王艳　，　田雨辰　（１．中海石油＜中国＞有限公司北京研究中心，北京１０００２７；２．天津市供热办公室，　天津３０００４２）　摘要：　分析了压差控制器的工作原理和比例调节特性。压差控制器为比例控制设备，可实　现变流量供热系统的动态平衡。压差控制器的弹簧刚度越小，膜片面积越大，压差控制器的控制比　例带就越小，控制精度就越高。应从控制比例带和可控流量范围两方面评价压差控制器的性能。　当控制比例带相同时，可控流量变化范围越大，压差控制器性能越优。压差控制器的选型应综合考　虑管网的供回水压差、被控环路的资用压力、压差控制器的设计流量及控制比例带。　关键词：计量供热；　变流量供热系统；压差控制器；控制特性　中图分类号：ＴＵ９９５　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—４４１６（２００８）０１—０Ａ１１—０４　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｆｏｒ　Ｍｅｔｅｒｅｄ　Ｈｅａｔ－ｓｕｐｐｌｙ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＷＡＮＧ　Ｙａｎ。ＴＩＡＮ　ＹＵ．ｃｈｅｎ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｗｏｒｋ　ａｎｄ　ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ（ＤＰＣ）ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ　ＤＰＣ　ｉｓ　ａ　ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｄｅｖｉｃｅ　ａｎｄ　ｃａｎ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｂａｌ—　ａｎｃｅ　ｏｆ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｆｌｏｗ　ｈｅａｔ—ｓｕｐｐｌｙ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ　ｓｍａｌｌｅｒ　ｔｈｅ　ｓｐｒｉｎｇ　ｒｉｇｉｄｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＤＰＣ　ｉｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｂｉｇｇｅｒ　ｔｈｅ　ｍｅｍｂｒａｎｅ　ａｒｅａ　ｉｓ，ｔｈｅ　ｓｍａｌｌｅｒ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｂａｎｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＤＰＣ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈｅｒ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐｒｅｃｉ—　ｓｉｏｎ　ａｒｅ．Ｓｏ，ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＤＰＣ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｅｖａｌｕａｔｅｄ　ｂｙ　ｍｅａｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｂａｎｄ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ　ｆｌｏｗ　ｒａｎｇｅ．Ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｂａｎｄ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ，ｔｈｅ　ｗｉｄｅｒ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ　ｌｆｏｗ　ｒａｎｇｅ　ｉｓ，ｔｈｅ　ｂｅｔｔｅｒ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＤＰＣ　ｉｓ．Ｔｈｅ　ＤＰＣ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｃｈｏｓｅｎ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓ—　ｓｕｒｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｆ　ｓｕｐｐｌｙ　ａｎｄ　ｒｅｔｕｒｎ　ｗａｔｅｒ　ｏｆ　ｐｉｐｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ，ｔｈｅ　ａｖａｉｌａｂｌｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｃｉｒｃｕｉｔ，　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｌｏｗ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｂａｎｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＤＰＣ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ｍｅｔｅｒｅｄ　ｈｅａｔ—ｓｕｐｐｌｙ；　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｆｌｏｗ　ｈｅａｔ—ｓｕｐｐｌｙ　ｓｙｓｔｅｍ；ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｃｏｂ—　ｔｒｏｌｌｅｒ：　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　为实现建筑节能，各地都加强了计量供热工作。　热系统具有变流量的特点。为实现供热系统的水力　特别是２００５年建设部等八部委共同下发文件，要求　平衡，保证恒温阀在变流量工况下的调节特性，提高　城镇新建公共建筑和居住建筑，凡使用集中供热设　热用户的水力稳定性，建设部颁布的建科［２００４］１０　施的，都必须设计、安装具有分户计量及室温功　号《城镇住宅供热计量技术指南》及各地方的相关　能的供暖系统，并执行按用热量分户计量收费的办　设计标准都要求在热力入口安装压差控制器＿１０］。　法。无论恒温阀自动调节，还是热用户主动调节室　但目前压差控制器并没有统一的行业标准或地方标　内温度，都会引起供热系统流量的变化，因此计量供　准，国内外各种性能的产品均有应用。本文对变流　－Ａ　１１・　维普资讯 http://www.cqvip.com

第２８卷第１期　煤气与热力　ＷＷＷ．ｗａｔｅｒｇａｓｈｅａｔ．ｃｏｒｎ　量供热系统压差控制器的控制特性进行分析。　Ｋ＝　１压差控制器的工作原理　压差控制器主要由弹簧、膜盒、膜片、阀芯、压差　调节手柄、导压管构成。膜盒为主要控制元件，导压　式中８Ｄ　ｎ　（３）　△ｐ。——压差控制器初设定压差，Ｐａ　ｐ　——管网供水压力，Ｐａ　ｐ：——被控环路的回水压力，Ｐａ　ｍ——压差控制系数　——管将被控环路的压力导人膜盒，作用在膜片两侧，使　膜片与弹簧受力达到平衡。压差控制器工作流程见　图１，图中ｐ　为管网供水压力，Ｐ：为被控环路的回　水压力，Ｐ　为管网回水压力。当管网的供回水压差　△ｐ＝Ｐ　一Ｐ　增大时，膜片带动阀芯下移，阀的阻力　（Ｐ：一Ｐ　）增大，使被控环路的资用压力卸　＝ｐ　一Ｐ：　保持不变；当卸减小时，膜片带动阀芯上移，阀的　阻力Ｐ：一Ｐ　减小，使卸　保持不变。当被控环路内　部阻力发生改变时，如某一支路关断，被控环路的阻　力增大，流量减小。此时，Ｐ：－ｐ　减小，Ｐ　－ｐ：增大，　弹簧初始压缩量，ｍ　弹簧刚度，Ｎ／ｍ　卜Ａ——膜片面积，ｍ　Ｇ——弹簧切变模量，Ｐａ　ｄ——弹簧金属丝直径，ｍ　Ｄ——弹簧中径，ＩＴＩ　ｎ——弹簧有效圈数　当工况变化后，膜片会重新达到新的受力平衡，　膜片的受力平衡被打破，阀芯下移，阀的阻力增大，　又使Ｐ：一Ｐ　增大，从而使△ｐ　保持不变。可见，无　论是管网压力出现波动，还是被控环路内部阻力变　化，压差控制器均可保持被控环路资用压力恒定。　新工况下的被控压差计算式见式（４）。　△ｐＬ＝ｍ（　０＋ＡＬ）＝ｒｎＬ　（４）　式中　卸。．——新工况下被控环路压差，Ｐａ　△　——工况变化后，弹簧压缩变化量，ｍ　弹簧总压缩量，ｍ　弹簧压缩变化量△　可为正值，也可以为负值。　用户　当管网的供回水压差△ｐ增大时，弹簧继续压缩，阀　芯下移，△　为正值。当管网的供回水压差卸减小　时，弹簧伸长，阀芯上移，△　为负值。由于用户调　节，当被控环路阻力增加时，弹簧压缩，阀芯下移，　△　为正值；当被控环路阻力减小时，弹簧伸长，阀芯　上移，△　为负值。　图１　压差控制器工作流程　对于压差控制器，被控环路压差卸　与弹簧总　压缩量　的变化趋势一致。当△　在很小的范围内　变化时，可认为卸。．近似不变，从而起到动态平衡的　作用。卸　的控制属于比例调节控制，卸　的比例　２压差控制器的比例调节特性　①压差控制器的比例调节　虽然理论上压差控制器可保持被控环路压差　卸　（即被控环路的资用压力卸　）不变，但在实际情　况下卸。．是不会绝对不变的。根据压差控制器工作　原理，△ｐ。．是在一定范围内随阀芯行程比例变化的。　初设定时，Ｐ。、Ｐ：通过导压管作用到膜片上，达到受　带（变化范围）与　变化范围一致。比例带越小，控　制越精确，被控压差变化就越小。许多生产厂家提　供的压差控制器比例带为２０％，即被控环路压差控　制偏差为４－２０％。因此，弹簧压缩变化量应满足式　（５）。　一力平衡，压差控制器初设定压差的计算式见（１）。　对于任意选定的压差控制器，弹簧刚度、膜片面积以　及压差控制系数都是不变的。由式（１）可知，被控　压差与弹簧压缩量即压差控制器的阀芯行程变化趋　势一致。　△ｐ０＝ｐｌ—Ｐ２＝ｒｎＬ０　ｍ：　ｍ　一　Ａ　０．２Ｌｏ≤△　≤Ｏ．２Ｌｏ　（５）　此外，由于卸　关于ｍ与　变化趋势一致，因　此ｍ越小，卸。．随　的变化就越小。由式（２）可知，　压差控制系数ｍ与弹簧刚度Ｋ变化趋势一致，与膜　（１）　（２）ｚ　Ｊ　片面积Ａ变化趋势相反。因此，ｍ越小也就是要求　弹簧刚度越小，膜片面积越大。　②压差控制器的调节特性　・Ａ　１２・　维普资讯 http://www.cqvip.com

ｗｌｑｗ．ｗａｔｅｒｇａｓｈｅａｔ．ｏｏｍ　王艳，等：计量供热系统压差控制器控制特性分析　第２８卷第１期　压差控制器的调节特性为线性，即弹簧总压缩　量　与压差控制器的流量ｇ成线性关系。压差控制　器的流量ｇ与压差控制器的流通能力ｇ　的变化趋　势一致，压差控制器的　与ｇ　也成线性关系。差压　控制器调节特性曲线见图２。　平缓，就要求　越小，也就是要求ｍ越小、　越大。　ｍ越小就要求弹簧刚度越小、膜片面积越大。　越　大就要求ｇ　与　的线性关系曲线越陡。　０　Ｄ　Ｏ　ｑｖ　ｑ　图３吼与ＡｐＬ的理论特。眭曲线　△ｐＩ　１．２　０　△ｐ０　丑．ｇ与　的线性关系曲线　ｂ．ｑ与ｑ　的线性关系曲线　０．８　０　Ｕ　Ｌ　ｃ．ｑ　与　的线性关系曲线　０　ｑ　ｑｖｏ，　ｇ　ｑ　图２差压控制器的调节特性曲线　图４吼与△ｐＬ的实际特性曲线　ｇ　与　的关系式为：　ｑ　：ｑ　ｈ＿ｍ　一础　（６）　④△ｐ　与△ｐ的关系　△ｐ　与△ｐ的关系见式（１０），将式（７）代入式　（１０）得到式（１１）：　２　式中ｑｖ——压差控制器的流通能力，ｍ　／ｈ　ｑｖ，ｔｈ，ｍａｘ——压差控制器的理论最大流通能　力，ｍ　／ｈ　——△ｐ　＝△ｐ一△ｐ　＝△ｐ一　ｑｖ　（１０）　（１１）　ｇ　与　线性关系曲线的斜率，ｍ　／ｈ　△ｐＬ：△ｐ一　③ｇ　与△ｐ　的线性关系　式中△ｐ　——压差控制器的压降，Ｐａ　由式（１１）可知，若ｇ相同，不同的△ｐ导致△ｐ　将式（６）代入式（４），可得到ｇ　与△ｐ　的线性　关系式：　△ｐＬ＝Ｒ—ｒｑ　Ｒ：　不同。某一压差控制器的△ｐ　与△ｐ的关系曲线见　（７）　（８　图５。　：一ｍ　（９）　式中Ｒ、卜系数　对于某一压差控制器，Ｒ和　恒定。ｇ　与△ｐ　的理论特性曲线见图３。但由于制造加工工艺原　因，都会存在最大可调比，因此ｇ　与△ｐ　的实际特　性曲线见图４。图中１．２Ａｐ。、０．８△ｐ。分别为比例带　控制的被控环路压差的最大值和最小值，ｑｖ０为设定　，Ａｐ／ｋＰａ　图５某一压差控制器的△ｐＬ与△ｐ的关系曲线　设计工况下，△ｐ＝１２０　ｋＰａ，△ｐ０＝３０　ｋＰａ。当△ｐ　增加到２２０　ｋＰａ，增加了８３．３％，而由于压差控制器　作用，△ｐ　：３３　ｋＰａ，只增加了１０％。即压差控制器　压差下的流通能力，ｑ　ｑｖ分别为比例带控制范　，ｍ￣围内压差控制器的最小和最大流通能力。由式（７）　和图３可知，若要使得ｇ　与△ｐ　的线性关系曲线越　可以降低△ｐ变化对△ｐ　的影响。　・Ａ　１３・　维普资讯 http://www.cqvip.com 第２８卷第１期　煤气与热力　⑤△ｐ　与ｇ的关系　算式为：　ｇ。　吼　—　ａｐｆ＝ａｐ一△ｐ０　若ａｐ恒定，△ｐ　与ｇ的关系见式（１１），可绘出　图６。　却Ｌ　（１３）　（１４）　式中ｑｖ，０——压差控制器在初设定压差下的流通　１．２却０　却０　０．８却ｏ　能力，ｍ　／ｈ　由式（１３）、（１４）计算可得，ｇ　．。＝２．１　１　ｍ　／ｈ。　查找样本，选择与计算结果最为接近的规格，且应满　足比例带要求。　Ｄ　４结论　图６　ＡＰＬ与ｑ的关系曲线　①②压差控制器为比例控制设备，可实现变流　压差控制器的弹簧刚度越小，膜片面积越　图中，ｇ　ｑｍａｘ分别为压差控制器设定压差比例　带范围内的最小和最大流量，ｇ。为△ｐ。对应的设计　量供热系统的动态平衡。　大，压差控制系数就越小，压差控制器的比例带就越　小，控制精度就越高。　流量。对于相同的设定压差比例带，曲线越平缓，压　差控制器流量控制范围越宽，越是我们希望的。为　了评价压差控制器的性能，必须同时考虑比例带和　可控流量范围两个因素。为此，引入可控流量比ｒ，　③应从控制比例带和可控流量范围两方面综　合评价压差控制器的性能。当控制比例带相同时，　可控流量变化范围越大，压差控制器性能越优。　即在满足比例带精度要求下的可控最大与最小流量　之比：　ｒ＝——　：　④（１２）ｔ　ｌ　　压差控制器的选型应综合考虑管网的供回　水压差、被控环路的资用压力、通过压差控制器的设　ｇｍｉ　计流量及控制比例带。　参考文献：　［１］ＤＢ　２９—２６—２ｏｏ１，集中供热住宅计量供热设计规程　［ｓ］．　［２］ＤＢＪ　０１—６０５—２０ｏｏ，新建集中供暖住宅分户热计量设　计技术规程［ｓ］．　作者简介：王艳（１９７５一　），　女，　天津人，　工程　师，　学士，　从事供热和给排水专业的设　计和研究工作。　电话：（０１０）８４５２３５３３　Ｅ—ｍａｉＩ：ｗａｎｇｙａｎ２＠ｃｎｏｏｃ．ｔｏｍ．ｃａ　式中ｒ——可控流量比　ｑｍａｘ——压差控制器设定压差比例带范围内　的最大流量，ｍ　／ｈ　ｑ．￣ｉｎ——压差控制器设定压差比例带范围内　的最小流量．ｍ　／ｈ　当比例带相同时，ｒ越大，压差控制器的性能越　优。对于不同的△ｐ，△ｐ　与ｇ的关系也不同，即存　在若干条关系曲线。　３压差控制器的选型方法　压差控制器应按照邸、Ａｐ。、ｇ。设计选型。例　如：Ａｐ＝１２０　ｋＰａ，ａｐ０＝３０　ｋＰａ，ｇ０＝２０　ｍ　／ｈ，进行被　控环路压差控制器选型。由式（１０）可得到ｇ　。的计　．收稿日期：２００７—０４—２４；修回日期：２００７—０８—１０　・标准规范简讯－　《油气输送管道穿越工程设计规范》国家标准发布　２００７年１０月２３日，建设部发布了《油气输送管道穿越工程设计规范》国家标准，编号为ＧＢ　５０４２３—　２００７，自２００８年３月１日起实施。该规范由建设部标准定额研究所组织中国计划出版社出版发行。　（本刊通讯员供稿）　・Ａ　１４・