Технически доклад Битови топлофикационни абонатни станции и избор на управляващи вентили от Херман Бойсен Мениджър по Приложение на продуктите Публикуван в Новини от DBDH 2/1999 г. District Heating Academy
Битови топлофикационни абонатни станции Избор на управляващи вентили Инж. Херман Бойзен Мениджър по Приложение на продуктите 1. Въведение Предпоставката за добре функциониращи битови абонатни станции е оптималният избор на правилните управляващи компоненти за абонатните станции и това те да бъдат използвани целесъобразно. Така правилното използване на компонентите гарантира оптимално функциониране. Оптималното функциониране осигурява: Нисък разход на енергия Голяма степен на охлаждане на топлофикационната вода Високо ниво на комфорт Минимум експлоатационни повреди Дълъг експлоатационен живот Минимум техническо обслужване Правилно избрани са компонентите с такива свойства, които отговарят на зададените спецификации относно налягане и температури на захранващата мрежа, както и управляващи вентили, които са оразмерени правилно. Освен това, необходимо е абонатните станции да бъдат регулирани в съответствие с действителното потребление и условията в системата, като налягане и температури. Условията, които са особено важни за постигане на добър резултат са посочени по-долу. Всяко от упоменатите условия ще бъде обяснено по-нататък в настоящата статия. 1. Управляващото съотношение на регулиращия вентил 2. Автономност на вентила 3. Точност на регулиране 4. Регулиране на диференциално налягане 5. Настройка 2. Управляващо съотношение Управляващото съотношение на регулиращия вентил изразява доколко постоянна е управляващата характеристика на вентила. Текстът по-долу обяснява, че колкото по-високо е управляващото съотношение на един управляващ вентил, толкова по-добри са регулиращите му възможности. Германската препоръка VDI/VDE 2173 посочва правилата за определяне на управляващото съотношение на даден вентил. Управляващото съотношение тук е дефинирано като отношението между k vs и k vr стойността на вентила. k R = k vs vr k vs е макс. капацитет на управляващия вентил,, m3/h. Капацитетът на вентила се базира на предварително изчислена необходимост от капацитет, k v = Q/ÖDP v. Q е изчисления поток топлофикационна вода през управляващия вентил в m 3 /h, а DP v е диференциалното налягане през управляващия вентил в bar. k v е най-ниският капацитет на вентила, при който управляващата характеристика е равномерна. Регулирането на температурите на битовата гореща вода в системи с топлообменник със степени на отваряне на вентила под стойностите, които отговарят на k vr може да стане причина за колебания в температурата на битовата гореща вода. Повдигане, което отговаря на kvr обикновено е най-ниската степен на отваряне, при която може да се очаква стабилно регулиране. Препоръката определя k vr по следния начин: Ако измерената управляваща характеристика на даден регулиращ вентил се сравни с базовата характеристика на въпросния тип вентили, често се оказва, че има разлика между базовата характеристика и измерената характеристика на вентила. Отклонението от идеалната характеристика нерядко е по-голямо в по-ниската част на управляващата характеристика на вентила. Стойността на k vr вентила при идеалната характеристика се определя между 0 и 10 % от хода на вентила на мястото, където наклона на действителната характеристика на вентила се отклонява с повече от 30% от базовата форма на характеристиката (вж. фиг. 1). 2 VF.HB.F1.44 09/2002
За регулиране на топлофикационни системи линейни характеристики обикновено се използват във връзка с вентили с пряко действие за регулиране на диференциалното налягане и термостатично регулиране на температурата. При мотор-вентили за регулиране на температурата се използват или експоненциални характеристики или друга форма на регулирани характеристики. Вентили с линейно управляващо съотношение обикновено имат голямо управляващо съотношение, R = 50-200, докато типичното управляващо съотношение на експоненциалните и логаритмичните вентили е R = 30-50. Управляващо съотношение при регулиране на топлофикационна инсталация. Изискванията за управляващото съотношение са особено важни при системи за битова гореща вода, където първичният поток варира много в зависимост от потреблението на гореща вода. Необходимо е температурата на битовата гореща вода да е стабилна при променящо се потребление. Опитът ни показва, че постигането на тези технически условия поставя сериозни изисквания по отношение на регулиращото оборудване и ни наймалко по отношение на управляващото съотношение на мотор-вентилите. Измерване на управляващо съотношение Форма на измерената характеристика Форма на базовата характеристика Ход на вентила Н/Н 100 Фиг. 1. Пример за измерване на k vr стойността на вентил с линейна характеристика. Тъй като не може да се очаква стабилно регулиране при потоци с k v стойности < k vr, както бе посочено вече, необходимо е да се гарантира, че вентилът ще работи при ход на повдигане между k vr и k vs. При големи системи за битова гореща вода приложимо изискване може да бъде и това системата да е в състояние да регулира потока до количеството, което се равнява на подаването на гореща вода в момент, когато в системата се използва само един душ. За постигане на това изискване моторвентилът трябва да се подбере така, че да е в състояние да регулира при степен на отваряне k v > k vr, когато в системата се използва само един душ. kvr се изчислява чрез посочените данни за R and kvs на управляващия вентил, k vr = k vs /R. По-нататък в настоящата статия следва допълнителна информация за изискванията относно регулирането. Най-критични системи за битова гореща вода при топлофикационните инсталации са двустепенните системи във връзка с прекия топлообмен, вж. фиг. 2. Ако разгледаме една двустепенна система ще видим, че връщаната вода от радиаторния кръг предварително подгрява битовата гореща вода в топлообменника на гореща вода. Задачата на мотор-вентила е да осигури допълнително загряване на горещата вода в топлообменника. Най-ниският капацитет на този мотор-вентил в системата за гореща вода е тогава, когато радиаторният кръг е на максимален товар. Тогава нормалната температура на битовата гореща вода след предварителното подгряване често достига 35-39 C. Следователно ще е необходимо само ограничено количество допълнителна топлофикационна вода за достигане на необходимата температура на битовата вода от около 55 C. VF.HB.F1.44 09/2002 3
Външен сензор Стаен сензор Вход от топлофикация T 22 Система за БГВ Отоплителна система T 21 Изход към топлофикация T 12 Фиг. 2 Двустепенна битова абонатна станция с един радиаторен кръг и един кръг за битова гореща вода. Най-критичните обстоятелства, при които мотор-вентилът трябва да работи в кръга за гореща вода, без да има колебания са налице, когато потреблението на гореща вода е ниско, а връщаната температура от отоплителната система е висока. Това често се случва през зимата, когато натоварването на отоплителната система е високо. При тези условия мотор-вентилът работи с ниска степен на отваряне. Изчисляването на минималния капацитет на мотор-вентил за подгряване на битова гореща вода може да се базира на следните съображения: Фиг. 2 показва някои от типичните температурни условия на двустепенна битова абонатна станция. Таблици 1 и 2 изчисляват моторвентил за система с мощност 300 kw. Освен това, таблица 3 изчислява изискванията за този вентил, които ще бъдат необходими за осъществяване на стабилно регулиране при поток, който съответства на количеството вода необходимо за един душ. Изчислението се базира на минималното препоръчано действащо диференциално налягане в системата = 0.1 mpa (1 bar) и P v100 = 0.5 bar през мотор-вентила. Наличното диференциално налягане често ще бъде по-високо от базата за изчисляване на вентилите. Освен това, изчислението показва как изискването за управляващото съотношение става по строго, ако диференциалното налягане P в примера се увеличи на 3 bar. В този пример за изчисляване системата не е оборудвана с регулатор на диференциалното налягане. Изчислението включва разхода за циркулация на битовата гореща вода. Изчислението се базира на поток циркулираща гореща вода равняващ се на 10% от максималния дебит и охлаждане с 5 C на циркулиращото количество вода. 4 VF.HB.F1.44 09/2002
Изчисление на потока - топлофикационна система (центр. топлоснабд.) Дебит за един душ и подгряваща мощност един консуматор Нормален дебит на душа, QSH Температура на водата от душа, TSH Температура на студената вода, T 21 Нагряване на студената вода от 10 C до 41 C за душ Мощност, един работещ душ, PHW 12 l/min. (0.2 l/sec) 41 C 10 C 31 C = 0.2*3600*(41-10)*1.16/100 25.9 kw (22.7 Mcal) Дебит на гореща вода централизирано топлоснабдяване Температура на горещата вода, T 22 Температура на студената вода, T 21 Дебит за душа, QHW C 55 C 10 C = 25.9*1000/(55-10)/1.16/3600 0.14 l/sec Дебит за централно отопление един консуматор Повишаване на температурата T във втората степен на топлообменната система: Съгласно таблицата Отоплителна мощност, PDH1 Подавана температура от топлофикация, T 11 (зимно време) T ~ 39-55 C, 16 C = 0.14*3600*(55-39)*1.16/1000 9.35 kw (8.04 Mcal/h) 100 C Връщана температура в топлофикационната мрежа (втора степен), T 12 43 C Дебит за отопление, QDH min = 9.35*1000/(100-43)/1.16/3600 0.039 l/sec (0.14 m 3 /h) Таблица 1 Капацитет на вентила: Капацитет на топлообменника 300 kw ΔPDH подаваща тръба ΔP v, ΔP през вентила, база за оразмеряване на вентила Мощност Подавана температура от топлофикация (лятно време) T 11 Връщана температура T 12 Дебит на топлофикационна вода, Q max Капацитет на вентила, k v Избор на вентил 1.0 bar 0.5 bar 300 kw (258 Mcal/h) 65 C 25 C = 300*1000/(65-25)/1.16/3600 1.8 l/sec (6.4 m 3 /h) = Q max / P v ; k v = 6.4/ 0.50 9.05 m 3 /h VF2, DN 25, k vs = 10 m 3 /h Таблица 2 VF.HB.F1.44 09/2002 5
Управляващо съотношение Първичен поток, един консуматор: Потребление от един душ Циркулация на гореща вода Общо P v min при един консуматор (без регулатор на P) ( P v ~ P в системата) 0.14 m 3 /h 0.06 m 3 /h 0.20 m 3 /h ~ 1.0 bar Капацитет на вентила, k v min k vmin = QDH min / P v min = 0.20/ 1 0.20 m 3 /h P = 1 bar (100 kpa) Управляващо съотношение R = k vs /k v min = 10.0/0.20 ~ 50 (1:50) P = 3 bar (300 kpa) P v min Капацитет на вентила, Управляващо съотношение R = k vs /k v min ~ 3.0 bar (300 kpa) k vmin = QDH min / P v min = 0.20/ 3.0 0.12 m 3 /h = 10.0/0.12 ~ 86 (1:86) Таблица 3 Фиг. 3 илюстрира изискванията за управляващото съотношение като функция на диференциалното налягане и различните капацитети в система за битова гореща вода с и без регулатор на диференциално налягане. Фигурата показва че един вентил в съответствие с посочените изисквания за стабилно регулиране е в състояние да регулира работата на топлообменници с управляващо съотношение R = 50 при мощности до 300 kw и надолу до мощност, която ще съответства на консумацията на един душ без опасност от коребания. Системи без регулатори на диференциално налягане. Съгласно фиг. 3, изискването по отношение на k vr стойността се засилва при повишена мощност и при увеличено диференциално налягане P през системата, ако в нея не се използват регулатори на диференциално налягане. Пример: От таблица 3 видяхме, че изискването по отношение на управляващото съотношение ще бъде R = 86 ако диференциалното налягане P се увеличи на 3 bar. Системи с регулатори на диференциално налягане. Ако се използват регулатори на диференциално налягане, те ще осигурят постоянно диференциално налягане през управляващия вентил независимо от измененията в диференциалното налягане на мрежата. Изискванията за k vr на управляващия вентил няма да се променят в съответствие с променящото се диференциално налягане на системата. Практическият опит показва, че регулаторите на диференциално налягане имат стабилизиращ ефект върху регулирането на температурата ако диференциалните налягания в топлофикационната система са високи и варират. k vs /k vr като функция на мощността С регулатор на dp Фиг. 3. Изискването R=k vs /k vr за управляващи вентили като функция на мощността и DP на системата. Мощност в kw 2. Автономност на вентила Автономността на вентила Va изразява степента на влиянието му върху този кръг от системата, който той е предвиден да управлява. Vа се изразява чрез отношението между диференциалното налягане през управляващия вентил при 100% товар (т.е. отворен вентил) Pv100 и диференциалното налягане през управляващия вентил, когато е напълно затворен (няма потребление в системата) P v0. Va = P v100 / P v0 ( P vmin / P vmax. ) Автономността на вентила обикновено се изразява като процент. 6 VF.HB.F1.44 09/2002
Едно от изискванията, които често се използват при избора на управляващи вентили е те да се избират с автономност от мин. 50%, т.е. поне 50% от диференциалното налягане през системите да се дроселира в управляващите вентили. Va = P v100 / P v0 *100 50% Колкото по-добра е автономността на вентила, толкова по-добре се регулира потока в съответствие с управляващата характеристика. При ниска автономност на вентила диференциалното налягане през управляващия вентил Pv ще спада силно при увеличаване на степента на отваряне. Следователно, промяната в потока при малко повдигане ще бъде голяма, докато при голямо повдигане ще бъде малка. Това ще доведе до голямо усилване на мощността и опасност от нестабилно регулиране при малък ход на вентила, докато увеличаването на мощността при голямо повдигане на вентила ще бъде малко, което от своя страна ще доведе до големи отклонения в регулирането. Степен на отваряне на вентила, f Степен на отваряне на вентила, f Положение на вентила, z Експоненциална характеристика на вентила. Фиг. 4. Ефективни характеристики на вентили с диапазон на автономност 0.1 до 1.0 (10% до 100%). Положение на вентила, z Линейна характеристика на вентила. Системи без регулатор на диференциално налягане. В системи без регулатор на диференциално налягане, диференциалното налягане през управляващия вентил в затворено състояние ( P v0 ) = диференциалното налягане на цялата система. Диференциалното налягане на системата може да се изчисли също и като общ сбор от падовете на налягането през всички компоненти в абонатната станция, които могат да бъдат топломер ( P hm ), топлообменник ( P he ) и други индивидуални съпротивления ( P pipe ) и при напълно отворен управляващ вентил ( P v100 ). Следователно автономността на вентила ще бъде: Va =( P v100 /( P v100 + P hm + P str + P he + P pipe )) * 100 (%). Системи с регулатор на диференциално налягане. В системи с регулатор на диференциално налягане, диференциалното налягане през управляващия вентил в затворено състояние = зададената стойност на регулатора на диференциално налягане ( P v100 + P he ). Диференциалното налягане през управляващия вентил при макс. товар (100%) ще бъде зададената стойност на диференциалния регулатор пада на налягане през топлообменника ( P set P he ). Va = или Va = P set P P set P he ( P + P ) v100 v100 x 100% he x 100% 3. Точност на регулиране Битовите топлофикационни абонатни станции често съдържат кръг за битова гореща вода и радиаторен кръг. Обикновено радиаторният кръг се регулира от уред за компенсация по външна температура и тъй като варирането на товара се ограничава в рамките на 24 часа, а променянето на товара е бавно, управлението на тези системи е доста безпроблемно. Освен това, има известна степен на предварителна компенсация от самата топлофикационна станция посредством подаване на поток с температура компенсирана според метеорологичните условия. Регулирането на кръга за битова гореща вода е различно. Измененията в товара са моментни и големи. Този тип товар поставя тежки изисквания по отношение на възможностите на управляващото оборудване да регулира точно температурата на битовата гореща вода. Често прилагани изисквания за точност на регулиране що се отнася до управляващото оборудване на инсталации за битова гореща вода в централизирани системи за топлоподаване са препоръките за регулиране на системи за битова гореща вода издадени от Финландската асоциация по топлофикация, вж. Фиг. 5. VF.HB.F1.44 09/2002 7
Постоянно трайно отклонение от зададена стойност след температурна промяна, +/-2К Максимално трайно колебание на температурата, +/-2К Максимално температурно отклонение след моментна промяна на товара, 10 К Преходно време след изменение на товара <+/ - 2 K в рамките на 120 sec Фиг. 5. Предписанията на Финландската асоциация по топлофикация касаят изискванията за точност на регулиране на температурата на битовата гореща вода изисквания, които често се използват във връзка с изготвянето на технически спецификации за търгове. Опитът показва, че често се оказва трудно да бъдат спазени тези изисквания. Причината за проблемите често е: Свръхоразмерени управляващи вентили Твърде големи колебания на диференциалното налягане в системата. Твърде ниско качество на управляващите вентили. Неправилни настройки на регулаторите. Неправилно поставяне на сензор. Въз онова на лабораторни изпитания и симулиране на работата на въпросните системи, могат да се предложат следните съвети за избор на регулиращо оборудване за кръговете за битова гореща вода: Избирайте мотор-вентили с краткотрайно задействане, макс 20-25 секунди от напълно затворено положение до напълно отворено положение на вентила. Времевата константа на сензора трябва да бъде 3 секунди, а самият сензор да бъде поставен колкото е възможно по-близо да топлообменника. Съблюдавайте за спазването на необходимото управляващо съотношение. Това може да се постигне отчасти чрез избиране на правилните вентили и отчасти чрез правилно настройване на системите, теми, които ще бъдат обсъдени подолу. Настройвайте системите да работят с напълно отворени вентили при 100% товар, вж. указанията дадени понататък в настоящата статия. Избирайте вентили с достатъчна автономност в системата. Автономността е особено важна при системи с ниско диференциално налягане. Предотвратете големи колебания на налягането в системите чрез използване регулатори на диференциалното налягане. Регулаторите на диференциално налягане имат също положително въздействие и върху регулиращите възможности на вентила. Поподробна информация можете да намерите по-нататък в тази статия. 8 VF.HB.F1.44 09/2002
4. Регулиране на диференциално налягане Ако в абонатна станция се използват регулатори на диференциално налягане, ще може да се постигне постоянно диференциално налягане през абонатната станция независимо от изменението на налягането в мрежата. Това предлага подобрени условия за работа на управляващия вентил. Преимущества за крайния потребител: Опростена настройка на абонатната станция. Стабилизиране на процеса на регулиране на температурата. Ниско ниво на шум в системата. Удължен живот на регулиращото оборудване. Преимущества за производителя: Добро разпределение на водата в захранващата мрежа. Определяне на граници за количеството циркулираща вода в мрежата Използването на регулатори на диференциално налягане ще гарантира, че вентилът работи при възможно най-висока степен на отваряне и така, че неговият ход на повдигане да съответства на k v стойностите > k vr. Правилният избор на продукти и правилното оразмеряване на вентилите, както и оптималната работна настройка са предпоставка за добрата работа на една абонатна станция. Избирайте вентили с управляващо съотношение, което ще осигури стабилно регулиране и достатъчна автономност на вентила. Използването на регулатори на диференциално налягане в абонатни станции е най-важната стъпка към осигуряване на горепосочените предпоставки. С други думи, регулаторът на диференциално налягане ще гарантира поддържането на диференциалното налягане, което пък е основата за оразмеряване на вентилите. Това също е важно предварително условие за стабилно регулиране на температурата. 5. Настройка Настройването на една абонатна станция осигурява възможно най-висока степен на отваряне на вентила при 100% товар. Това е предварителното условие за постигане на пълния ефект на управляващото съотношение на вентила, тъй като то се изчислява въз основа на k vs стойността на управляващия вентил. Обикновено вентилите се оразмеряват чрез изчисляване на k v стойността въз основа на потока през вентила и определен пад на налягането през вентила като се взема предвид управляващата автономност на вентила (k v = Q/ Pv m 3 /h). Въз основа на изчислената kv стойност се избира вентил с подходяща k vs стойност, т.е. със стойност, която често е малко повисока от изчислената. Процедурата по настройката след това се състои в настройване на регулатора на диференциално налягане на по-ниска стойност на диференциалното налягане, така че управляващите вентили да са напълно отворени при 100% товар. Тъй като често се оказва трудно да се симулира ситуация на 100% натоварване, налягането ΔP v, което трябва да се настрои може да се изчисли с помощта на k v формулата P = (Q/ kvs )2 bar. Заключение Както се посочва в статията, постигането на перфектен резултат при регулирането зависи от управляващото съотношение на вентила, както и от достатъчната автономност на управляващия вентил през целия цикъл на натоварване. Освен това, важно е битовата абонатна станция да бъде настроена преди началото на нормалната експлоатация. Управляващо съотношение Управляващото съотношение на вентилите за топлофикационни цели предлагани на пазара е в рамките на R = 30-50. Въз основа на тези стойности е възможно да се изчисли найниската мощност, при която може да се очаква устойчиво регулиране. Все пак, предварителни условия за това са стабилната работа на подаващата мрежа и нивото, на което се базира оразмеряването. Тъй като това рядко се случва, препоръчва се използването на регулатори на диференциално налягане. Автономност на вентила За разлика от въздействието на управляващото отношение, автономността на вентила се увеличава при повишаване на диференциалното налягане в топлофикационната мрежа и по този начин влияе положително на стабилността на регулиране. При битовите абонатни станции без регулатори на диференциално налягане повишеното диференциално налягане ще влияе на управляващия вентил. Тъй като диференциалното налягане на мрежата обикновено е по-високо от налягането въз основа на което е било направено оразмеряването, по принцип няма да съществуват проблеми с автономността на вентилите в битовите абонатни станции. При системи с ниско диференциално системно налягане, регулаторите на диференциално налягане ще осигурят добра автономност на вентила и следователно стабилно регулиране. Настройка Както се посочва в статията, настройката на топлофикационната абонатна станция е важна предпоставка за оптималната работа на управляващите вентили. Използването на регулатори на диференциално налягане в абонатните станции осигурява следните предимства: Непроменени изисквания по отношение на управляващото съотношение на управляващия вентил при увеличено диференциално налягане в мрежата. Запазване на добра автономност на управляващия вентил дори при ниско диференциално налягане в мрежата. Настройката на битовите абонатни станции ще се опрости в голяма степен. Работата на абонатната станция остава непроменена дори и при големи колебания на товара и диференциалното налягане в топлофикационната мрежа. VF.HB.F1.44 09/2002 9
Бележки 10 VF.HB.F1.44 09/2002
Други статии на същата тема Характеристики на моторни вентили в абонатни станции за централно отопление Atli Benonysson и Herman Boysen Оптимално управление на топлообменници Atli Benonysson и Herman Boysen Автоматична настройка и защита на двигателя като част от процедурата за регулиране на отоплителна инсталация Herman Boysen Регулаторите на диференциално налягане като инструмент за оптимизиране на отоплителни инсталации Herman Boysen kv: Какво, защо, кога, откъде? Herman Boysen Пилотно управляван вентил без спомагателно захранване за отоплителни и охлаждащи инсталации Martin Hochmuth Колебание на налягането в топлофикационни инсталации от Bjarne Stræde Динамична симулация на битови абонатни станции Jan Eric Thorsen District Heating Academy Данфос ЕООД, 1510 София, ул. Резбарскa 5, тел. 02/942 49 16; 942 49 21; факс: 02/942 49 11; e-mail: danfoss.bg@danfoss.com http://www.bg.danfoss.com VF.HB.U1.44 VF.JA.N1.44 09/2002