電動(dòng)可調(diào)式動(dòng)態(tài)流量平衡閥和末端電動(dòng)調(diào)節(jié)定壓差閥結(jié)合的水力平衡與控制策略

　　分析了集中空調(diào)系統(tǒng)水力失調(diào)的原因和解決措施，通過比較末端恒壓差控制系統(tǒng)和應(yīng)用電動(dòng)可調(diào)式動(dòng)態(tài)流量平衡閥的控制系統(tǒng)的控制原理以及變流量條件下的能耗高低，研究了這兩個(gè)控制系統(tǒng)對管網(wǎng)中調(diào)節(jié)閥流量特性曲線的影響，具體分析了設(shè)備效率對系統(tǒng)性能的影響。

引言

　　在全球化節(jié)能減排的大環(huán)境下，集中空調(diào)系統(tǒng)能耗的有效降低，將會(huì)為整個(gè)社會(huì)的節(jié)能減排作出一定的貢獻(xiàn)。然而空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能應(yīng)該在滿足負(fù)荷要求的條件下進(jìn)行，并在此基礎(chǔ)上力求系統(tǒng)管網(wǎng)的全面水力平衡和設(shè)備的高效率運(yùn)行，這樣才能保證系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。為此，本文著重從水系統(tǒng)的全面水力平衡和控制兩方面分析其對系統(tǒng)性能的影響。

1、集中空調(diào)系統(tǒng)水力失調(diào)原因以及解決措施

　　如果集中空調(diào)系統(tǒng)失去水力平衡，會(huì)使某些區(qū)域的冷量或熱量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，造成某些區(qū)域太冷或太熱，甚至造成制冷機(jī)、換熱器等設(shè)備出現(xiàn)故障。對于某些區(qū)域的水流量達(dá)不到設(shè)計(jì)流量的問題，常采用加大水泵功率的解決方法，使最不利環(huán)路達(dá)到設(shè)計(jì)流量，但會(huì)導(dǎo)致最有利環(huán)路的流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)流量，水泵能耗大大增加，不利于實(shí)現(xiàn)集中空調(diào)系統(tǒng)低能耗運(yùn)行。為實(shí)現(xiàn)空調(diào)水系統(tǒng)的水力平衡，常用的措施有：在供、回水主管上設(shè)置旁通平衡管路;區(qū)域管路上采用同程水力系統(tǒng)，增大主管管徑，減小支管管徑;使用靜態(tài)平衡閥等。這些解決方法沒有抓住水力失衡的癥結(jié)，相反有的方法通過增大能耗來滿足末端的要求，掩蓋了水力失衡的存在。例如末端流量不夠并不一定是水泵流量和揚(yáng)程不夠，而有可能是沒有合理匹配，盲目提高水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程和流量，不僅增加水泵初投資，而且增加運(yùn)行成本;增大供回水溫差并非因?yàn)橹评渲鳈C(jī)出力不夠，而是沒有把能量有效地輸配到末端設(shè)備，而增大供回水溫差對主機(jī)要求較高，不僅使主機(jī)初投資增大，而且會(huì)讓主機(jī)工作在低效工況下，增加主機(jī)的運(yùn)行成本，還會(huì)導(dǎo)致夏季末端送風(fēng)溫度過低，送風(fēng)管道易結(jié)露，如果沒有良好的氣流組織保障，容易導(dǎo)致空調(diào)病的產(chǎn)生等。同程管路和靜態(tài)平衡閥都是適應(yīng)定流量系統(tǒng)的比較簡單的平衡方式。隨著變流量水系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，同程系統(tǒng)暴露出不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，即動(dòng)態(tài)失衡突出，靜態(tài)平衡閥不僅不能消除變流量系統(tǒng)中壓力擾動(dòng)導(dǎo)致的失衡現(xiàn)象和控制閥的失調(diào)現(xiàn)象，對于各個(gè)回路阻力本身可調(diào)的變流量系統(tǒng)，還增加了局部阻力，會(huì)相應(yīng)地增加水泵的揚(yáng)程，反而不利于系統(tǒng)能耗的降低。

　　隨著水力平衡技術(shù)的不斷提升，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的變流量運(yùn)行，保持系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平衡，電動(dòng)可調(diào)式動(dòng)態(tài)流量平衡閥的應(yīng)用逐漸增多。與傳統(tǒng)的平衡調(diào)控方式相比，采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的控制系統(tǒng)，由于其變換系統(tǒng)復(fù)雜，控制精度、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性都會(huì)受到影響，執(zhí)行機(jī)構(gòu)一直處于調(diào)節(jié)狀態(tài)。而電動(dòng)可調(diào)式動(dòng)態(tài)流量平衡閥，采用了單參數(shù)簡單函數(shù)控制邏輯，省略了壓差測量環(huán)節(jié)和測試設(shè)備，只要根據(jù)流量指令選擇開度就可以實(shí)現(xiàn)精確控制，因而控制系統(tǒng)非常簡單，具有響應(yīng)快、控制精度高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，其控制原理如圖1所示：通過接收上位機(jī)反饋的電信號值的大小來改變閥門的開度，調(diào)整設(shè)定流量，以滿足末端用戶變負(fù)荷的要求。

圖1 電動(dòng)可調(diào)式動(dòng)態(tài)流量平衡閥的流量-壓差-開度關(guān)系

2、電動(dòng)可調(diào)式動(dòng)態(tài)流量平衡閥以及末端電動(dòng)調(diào)節(jié)定壓差閥在流量變化前后對管網(wǎng)系統(tǒng)和水泵運(yùn)行工況點(diǎn)的影響與能耗分析

2.1、電動(dòng)可調(diào)式動(dòng)態(tài)流量平衡閥對系統(tǒng)的控制

　　電動(dòng)可調(diào)式動(dòng)態(tài)流量平衡閥的控制原理如圖2(圖中曲線Ⅰ，Ⅱ分別為支路阻力特性曲線，Ⅲ為管網(wǎng)總的阻力特性曲線)所示，Ⅳ為支路以外管路的阻力特性曲線。當(dāng)系統(tǒng)的最有利環(huán)路達(dá)到設(shè)計(jì)流量Q1時(shí)，最不利環(huán)路的流量為Q2，則系統(tǒng)的總流量Q4=Q1+Q2，此時(shí)最有利環(huán)路的動(dòng)態(tài)流量平衡閥剛好到達(dá)其工作的起始壓差狀態(tài)點(diǎn)，該支路的阻抗值隨著系統(tǒng)總流量的增加而變大，然而最不利支路的動(dòng)態(tài)流量平衡閥的流通面積為設(shè)計(jì)流量Q3對應(yīng)開度下的最大值，阻抗值S保持恒定不變，壓差隨流量變大以二次冪的關(guān)系增大，直到最不利支路流量達(dá)到設(shè)計(jì)流量Q3，此時(shí)，系統(tǒng)總設(shè)計(jì)流量Q5=Q1+Q3。理想的平衡狀態(tài)是最不利支路的動(dòng)態(tài)流量平衡閥剛好處于其工作壓差的起始點(diǎn)，而最有利支路的動(dòng)態(tài)流量平衡閥處在其正常工作范圍內(nèi)。狀態(tài)點(diǎn)A，D之間的壓差Δp就是兩個(gè)支路的阻力差，動(dòng)態(tài)流量平衡閥就是依靠自動(dòng)改變閥體的流通面積平衡這一部分阻力差來維持管網(wǎng)系統(tǒng)的平衡。

圖2　電動(dòng)可調(diào)式動(dòng)態(tài)流量平衡閥控制原理

2.2、兩個(gè)系統(tǒng)流量變化后能耗大小的比較分析

　　在全負(fù)荷運(yùn)行的條件下電動(dòng)可調(diào)式動(dòng)態(tài)流量平衡閥控制系統(tǒng)中的末端支路壓差Δp1與末端用戶恒壓差控制系統(tǒng)中末端控制壓差Δp2(當(dāng)流量發(fā)生變化后，電動(dòng)可調(diào)式動(dòng)態(tài)流量平衡閥控制系統(tǒng)中的末端支路壓差變?yōu)?Delta;p'1，而末端用戶恒壓差控制系統(tǒng)中末端控制壓差恒定為Δp2)之間的關(guān)系以及運(yùn)行過程中系統(tǒng)最不利環(huán)路阻力的變化與系統(tǒng)能耗有很大的關(guān)系。

　　1、當(dāng)Δp1<Δp2時(shí)，在兩個(gè)系統(tǒng)的各末端用戶負(fù)荷變化相同的情況下，無論流量如何發(fā)生變化，Δp1始終小于Δp2，系統(tǒng)運(yùn)行工況點(diǎn)如圖3所示，L1，L2，L3，L4分別為不同頻率下水泵的特性曲線，R1，R3分別為電動(dòng)可調(diào)式動(dòng)態(tài)流量平衡閥控制系統(tǒng)流量變化前后管網(wǎng)系統(tǒng)的控制曲線，R2為末端恒壓差系統(tǒng)的控制曲線。從圖3中可以看出，電動(dòng)可調(diào)式動(dòng)態(tài)流量平衡閥控制系統(tǒng)管網(wǎng)阻力較小，能耗較低。

圖3 電動(dòng)可調(diào)式動(dòng)態(tài)流量平衡閥控制系統(tǒng)末端支路壓差

　　小于末端恒壓差系統(tǒng)的控制壓差時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)行工況點(diǎn)

　　2、當(dāng)Δp1=Δp2時(shí)，在兩個(gè)系統(tǒng)的末端用戶負(fù)荷變化相同的情況下，流量變化后各系統(tǒng)能耗情況為：

　�、匐妱�(dòng)可調(diào)式動(dòng)態(tài)流量平衡閥控制系統(tǒng)中最不利支路的壓差Δp'1保持不變時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行工況點(diǎn)如圖4a所示，L1，L3，L5，L6分別為不同頻率下水泵的特性曲線，R4，R5分別為電動(dòng)可調(diào)式動(dòng)態(tài)流量平衡閥控制系統(tǒng)流量變化前后管網(wǎng)系統(tǒng)的控制曲線，R2為末端恒壓差系統(tǒng)的控制曲線。從圖中可以看出兩個(gè)控制系統(tǒng)的管網(wǎng)阻力壓差和流量都相同，所以這兩個(gè)系統(tǒng)的能耗相同。

　�、诋�(dāng)電動(dòng)可調(diào)式動(dòng)態(tài)流量平衡閥控制系統(tǒng)中最不利支路的壓差Δp'1變小時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行工況點(diǎn)如圖4b所示，L1，L3分別為不同頻率下水泵的特性曲線，R6，R7分別為電動(dòng)可調(diào)式動(dòng)態(tài)流量平衡閥控制系統(tǒng)流量變化前后管網(wǎng)系統(tǒng)的控制曲線，R2為末端恒壓差系統(tǒng)的控制曲線。從圖中可以看出電動(dòng)可調(diào)式動(dòng)態(tài)流量平衡閥控制系統(tǒng)的管網(wǎng)阻力壓差較小，故電動(dòng)可調(diào)式動(dòng)態(tài)流量平衡閥控制系統(tǒng)能耗較低。

圖4　電動(dòng)可調(diào)式動(dòng)態(tài)流量平衡閥控制系統(tǒng)末端支路壓差

　　等于末端恒壓差系統(tǒng)的控制壓差時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)行工況點(diǎn)

　　3、當(dāng)Δp1>Δp2時(shí)，在兩個(gè)系統(tǒng)各末端用戶負(fù)荷變化相同的情況下，流量變化后各系統(tǒng)的能耗情況為：

　�、倭髁孔兓�后，電動(dòng)可調(diào)式動(dòng)態(tài)流量平衡閥控制系統(tǒng)中最不利支路的壓差Δp'1保持不變時(shí)，或者Δp'1減小，但仍然比Δp2大時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行工況點(diǎn)如圖5a所示，L1，L3，L7，L8分別為不同頻率下水泵的特性曲線，R8，R9分別為電動(dòng)可調(diào)式動(dòng)態(tài)流量平衡閥控制系統(tǒng)流量變化前后管網(wǎng)系統(tǒng)的控制曲線，R2為末端恒壓差系統(tǒng)的控制曲線。從圖中可以看出末端恒壓差控制系統(tǒng)的管網(wǎng)阻力較小，故此時(shí)末端恒壓差控制系統(tǒng)能耗相對較低。

圖5 電動(dòng)可調(diào)式動(dòng)態(tài)流量平衡閥控制系統(tǒng)末端支路壓差