空調變流量系統(tǒng)中壓差控制對水力穩(wěn)定性的影響

1、空調變流量系統(tǒng)中壓差控制對水力穩(wěn)定性的影響武漢市建筑設計院 張再鵬 陳焰華武漢科技大學 符永正摘 要: 分析了空調變流量系統(tǒng)中不同壓差控制對各種空調水系統(tǒng)水力穩(wěn)定性的影響。根據(jù)壓差控制方法和水系統(tǒng)形式的不同，可分為異程系統(tǒng)干管壓差控制、異程系統(tǒng)末端壓差控制、同程系統(tǒng)干管壓差控制、同程系統(tǒng)末端壓差控制、環(huán)形管網(wǎng)干管壓差控制和環(huán)形管網(wǎng)末端壓差控制，計算結果表明，同程系統(tǒng)/環(huán)形管網(wǎng)末端壓差控制具有最好的水力穩(wěn)定性。關鍵詞: 變流量系統(tǒng) 末端壓差控制 干管壓差控制 水力穩(wěn)定性1 概述流體輸送系統(tǒng)中，各支路或用戶的流量隨其它支路或用戶的流量改變而改變的問題就是水力穩(wěn)定性（簡稱穩(wěn)定性）問題。例如，一個支路

2、的流量主動減小或增大，對其它支路的流量影響較大，就說明該系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差；反之，一個支路的流量主動減小或增大，對其它支路的流量影響較小，就說明該系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。水力穩(wěn)定性的好壞對實現(xiàn)流量的合理分配，進而降低流體輸送能耗有著重要影響，因此，研究清楚各種空調水系統(tǒng)形式的水力穩(wěn)定性，對降低空調水系統(tǒng)輸送能耗，提高能源利用效率都是有幫助的。文獻1,2給出了各支路的可調性和穩(wěn)定性的定義，并分析了異程系統(tǒng)、同程系統(tǒng)、分布式變頻泵系統(tǒng)、混水系統(tǒng)以及環(huán)形管網(wǎng)的穩(wěn)定性，文獻3則采用依次關閉各支路，然后計算未關閉支路流量的方法，比較了同程系統(tǒng)和異程系統(tǒng)的水力穩(wěn)定性。但是計算和比較管網(wǎng)的水力穩(wěn)定性，還需要考慮壓差

3、控制的影響。例如在一次泵定流量系統(tǒng)中，往往采用干管壓差信號控制旁通流量，此時供回水干管之間的壓差保持恒定不變，它對管網(wǎng)的水力穩(wěn)定性存在一定的影響。在二次泵變流量系統(tǒng)中，往往采用壓差信號控制水泵變頻，此時壓差控制點之間的壓差也保持恒定不變，因此該系統(tǒng)也需要考慮壓差控制對管網(wǎng)水力穩(wěn)定性的影響。隨著一次泵變流量系統(tǒng)的提出，空調水系統(tǒng)又產(chǎn)生了末端壓差控制和溫差控制等水泵控制方法。但是在這些控制法中依然存在壓差控制，例如末端壓差控制法就是采用最不利支路兩端的壓差信號控制水泵變頻，此時最不利支路兩端的壓差保持恒定不變。而在溫差控制法中，某些系統(tǒng)需要采用壓差旁通法平衡用戶側和冷熱源側的流量和溫差（將另文加以

4、說明），此時兩控制點之間的壓差也保持恒定不變。因此，在比較管網(wǎng)的水力穩(wěn)定性時，應該考慮壓差控制的影響。本文針對壓差控制設置在干管和支管的不同以及應用于同程系統(tǒng)、異程系統(tǒng)和環(huán)形管網(wǎng)的不同進行了管網(wǎng)水力穩(wěn)定性分析。2 分析方法對于一個具有若干個支路的管網(wǎng)，如圖1所示。當關閉某一支路后，從新計算其它未關閉支路的流量，然后對各支路的流量進行計算分析。分析方法有三種：關閉第個支路時，第個支路的新流量與設計流量的比值稱為支路關閉時，支路的相對流量。顯然越接近1，則說明支路關閉時，相對于支路，支路的穩(wěn)定性越好；反之，則說明相對于支路，支路的穩(wěn)定性越差。當分別關閉其它支路時，支路實際流量偏離設計流量的平均值與

5、設計流量的比值稱為支路的流量偏離系數(shù)：式中為系統(tǒng)的支路數(shù)。的大小，反映了支路的穩(wěn)定性強弱，值越接近0，則說明支路越穩(wěn)定。當?shù)趥€支路關閉時，其它支路實際流量偏離設計流量的平均值與設計流量的比值稱為支路的流量干擾系數(shù)： 顯然值越接近0，則說明支路的調節(jié)對其它支路的干擾越小，簡稱干擾性小，反之則干擾性大。所有支路的平均值稱為管網(wǎng)水力失調系數(shù)，顯然越接近0，則說明管網(wǎng)的穩(wěn)定性越好，反之則穩(wěn)定性越差。雖然實際的流量調節(jié)通常是開大或者關小，而不是關閉，但是這種影響是類似的，具有可比性。3 異程系統(tǒng)干管壓差控制的穩(wěn)定性分析圖1所示為具有七個支路的異程系統(tǒng)，各末端裝置的型號相同，設計流量均為4m3/h，各管段

6、和支路的阻抗大小見表1。通過計算得旁通管兩端的壓差為22mH2O，以此值為壓差控制值，計算分別關閉各支路時，其它支路的相對流量，并進行穩(wěn)定性和干擾性分析，結果見表2。圖1 異程系統(tǒng)表1 各管段阻抗分布（h2/m5）管段S11.2521.1253140.87550.7560.62570.5管段891011121314S1/7841/5761/4001/2561/1441/641/16管段S81/78491/576101/400111/256121/144131/64141/16表2 異程系統(tǒng)干管壓差控制計算結果ji1234567Yi101.0121.0121.0121.0121.0121.012

7、0.01221.01101.0271.0271.0271.0271.0270.02431.0101.02501.0461.0461.0461.0460.03741.0101.0231.04201.0721.0721.0720.04951.0091.0211.0391.06601.1111.1110.06061.0081.0191.0361.0611.10301.1800.06871.0081.0191.0361.0611.1031.18000.0680.0090.0200.0320.0460.0610.0750.075從表2中計算結果可以得出以下規(guī)律：無論關閉哪一個支路，其它各支路的流量都會增

8、大。利用水壓圖可以定性的看出這種變化趨勢：圖2反映了關閉支路4時，各支路作用壓差的變化趨勢。當關閉某一支路時，系統(tǒng)的總阻抗增大，被關支路前面干管內的流量減小，水壓線變得平緩，被關支路之前各支路的作用壓差從前到后增加量逐漸增大。被關支路之后各支路的作用壓差和流量也會增加，但是由于干管內的流量增加，因此水壓線變得較陡峭。圖2 異程系統(tǒng)干管壓差控制水壓圖被關支路之后各支路的相對流量相同，說明被關支路之后各支路的流量是等比例變化的。和從前到后逐漸增大，說明前面支路（靠近旁通管的支路）的穩(wěn)定性好于后面支路，前面支路的干擾性小于后面支路。4 異程系統(tǒng)末端壓差控制的穩(wěn)定性分析通過計算得最不利支路兩端的壓差為

9、8mH2O，以此值為壓差控制值，計算分別關閉各支路時，其它支路的相對流量，并進行穩(wěn)定性和干擾性分析，結果見表3。表3 異程系統(tǒng)末端壓差控制計算結果ji1234567Yi10111111020.9850111110.00330.9660.980011110.00940.9420.9540.97201110.02250.9090.9190.9350.9590110.04660.8550.8640.8780.9000.935010.09570.7640.7730.7850.8050.8370.89400.1900.0970.0850.0720.0560.0380.0180從表3中計算結果可以得出以下

10、規(guī)律：無論關閉哪一個支路，被關支路之前的各支路流量將減小，被關支路之后的各支路流量不變。利用水壓圖可以定性的看出這種變化趨勢：圖3反映了關閉支路4時，各支路作用壓差的變化趨勢。由于最不利支路兩端的壓差保持不變，流經(jīng)該支路的流量也不變，則管段14、14'的流量和壓降也不變，在圖中反映為該管段的水壓線斜率不變。依次類推，則被關支路之后的各支路作用壓差和流量都不變。被關支路之前的干管內流量減少，該管段水壓線變平緩，因此被關支路之前的各支路作用壓差和流量都將減小。支路越靠近冷熱源，其作用壓差減小量越大，流量偏離系數(shù)也越大。圖3 異程系統(tǒng)末端壓差控制水壓圖從前到后逐漸減小，被控支路的達到最小值，

11、且為0，說明前面支路的穩(wěn)定性弱于后面支路，被控支路的穩(wěn)定性最好。從前到后逐漸增大，說明前面支路的干擾性小于后面支路，最前面支路對其它支路無干擾。末端壓差控制的各支路穩(wěn)定性變化趨勢與干管壓差控制的各支路穩(wěn)定性變化趨勢相反，末端壓差控制的各支路干擾性變化趨勢與干管壓差控制的各支路干擾性變化趨勢相同。5 同程系統(tǒng)干管壓差控制的穩(wěn)定性分析同程系統(tǒng)如圖4所示，為了使各支路的作用壓差基本相同，而增加了一條管路，消耗多余的壓差。圖4為具有七個支路的同程系統(tǒng)，各末端裝置的型號相同，設計流量均為4m3/h，各管段和支路的阻抗大小見表4。通過計算得旁通管兩端的壓差為22mH2O，以此值為壓差控制值，計算分別關閉各

12、支路時，其它支路的相對流量，并進行穩(wěn)定性和干擾性分析，結果見表5。圖4 同程系統(tǒng)表4 各管段阻抗分布（h2/m5）管段S10.520.530.540. 550. 560.570.5管段891011121314S1/7841/5761/4001/2561/1441/641/16管段S87/78491/16101/64111/144121/256131/400141/576表5 同程系統(tǒng)干管壓差控制計算結果ji1234567Yi101.1581.1141.0841.0611.0431.0300.08221.14501.1271.0951.0721.0541.0390.08931.1001.1220

13、1.1151.0891.0691.0530.09141.0721.0911.11301.1131.0911.0720.09251.0531.0691.0891.11501.1221.1000.09161.0391.0541.0721.0951.12701.1450.08971.0301.0431.0611.0841.1141.15800.0820.0730.0900.0960.0980.0960.0900.073從表5中計算結果可以得出以下規(guī)律：無論關閉哪一個支路，其它各支路的流量都會增大，并且這種變化具有對稱性，即支路1與支路7的穩(wěn)定性和干擾性相同，支路2與支路6的穩(wěn)定性和干擾性相同。各支路

14、的穩(wěn)定性從中間支路向兩端支路逐漸增強，中間支路的穩(wěn)定性最差；各支路的干擾性從中間支路向兩端支路逐漸減弱，中間支路的干擾性最大。6 同程系統(tǒng)末端壓差控制的穩(wěn)定性分析通過計算得各支路兩端的壓差為8mH2O，以此值為壓差控制值，計算分別關閉各支路時，其它支路的相對流量，并進行穩(wěn)定性和干擾性分析，結果見表6。為了便于比較計算結果和不破壞管網(wǎng)的對稱性，把壓差控制點設在中間支路上。表6 同程系統(tǒng)末端壓差控制計算結果ji1234567Yi101.0691.02810.9790.9630.9500.03421.04501.02910.9790.9620.9490.03130.9871.007010.9770.

15、9590.9450.02340.9390.9550.97500.9750.9550.9390.04450.9450.9590.977101.0070.9870.02360.9490.9620.97911.02901.0450.03170.9500.9630.97911.0281.06900.0340.0460.0400.02500.0250.0400.046從表6中計算結果可以得出以下規(guī)律：關閉某支路，其它支路的流量有的會減小，有的會增大，而被控支路的流量不變。流量增大的支路出現(xiàn)在被關支路的兩側，且相鄰的兩支路流量增量最大。隨著支路遠離被關支路，流量逐漸減小，并從流量增大狀態(tài)過渡到流量減小狀態(tài)

16、。各支路的和具有對稱性，穩(wěn)定性從中間支路向兩端支路逐漸減弱，中間支路的穩(wěn)定性最好。各支路的干擾性從中間支路向兩端支路逐漸增大，但是被控支路的干擾性最大。末端壓差控制的各支路穩(wěn)定性變化趨勢與干管壓差控制的各支路穩(wěn)定性變化趨勢相反，末端壓差控制的各支路干擾性變化趨勢與干管壓差控制的各支路干擾性變化趨勢相反，但是干擾性最強的支路都是被控支路。7 環(huán)形管網(wǎng)干管壓差控制的穩(wěn)定性分析環(huán)形管網(wǎng)如圖5所示，當末端設備布置成環(huán)形時，供回水干管均沿末端設備布置成環(huán)形，且供回水的流向相同。從圖中可以看出，環(huán)形管網(wǎng)也是一種同程系統(tǒng)，具有各支路流量流過路程基本相同的特點，只是較同程系統(tǒng)少了一根干管。干管的減少，將減小系

17、統(tǒng)的總阻力，并使支路阻力占管網(wǎng)總阻力的比重有所增大。由于支路阻力比重對管網(wǎng)的水力穩(wěn)定性也存在影響3，因此需要將環(huán)形管網(wǎng)從同程系統(tǒng)中分離出來加以分析。為了比較環(huán)形管網(wǎng)與同程系統(tǒng)對管網(wǎng)水力穩(wěn)定性的影響，將環(huán)形管網(wǎng)除了管段8'的各管段阻抗依然采用表4的數(shù)據(jù)，管段8'的阻抗則減小為1/784 h2/m5。圖5 環(huán)形管網(wǎng)計算發(fā)現(xiàn)環(huán)形管網(wǎng)采用末端壓差控制時，相對流量不受管段8'的影響，因此，其水力穩(wěn)定性與同程系統(tǒng)末端壓差控制的水力穩(wěn)定性相同，在此不再列出計算結果。環(huán)形管網(wǎng)采用干管壓差控制時，計算結果見表7。從中可以看出，環(huán)形管網(wǎng)的變化規(guī)律與同程系統(tǒng)干管壓差控制的變化規(guī)律相同。但是環(huán)

18、形管網(wǎng)各支路的穩(wěn)定性好于同程系統(tǒng)，干擾性小于同程系統(tǒng)。表7 環(huán)形管網(wǎng)干管壓差控制計算結果ji1234567Yi101.1291.0861.0561.0341.0171.0030.05421.11801.1001.0701.0471.0291.0150.06331.0751.09701.0891.0641.0451.0290.06641.0481.0661.08801.0881.0661.0480.06751.0291.0451.0641.08901.0971.0750.06661.0151.0291.0471.0701.10001.1180.06371.0031.0171.0341.0561.0861.12900.0540.0480.0640.0700.0720.0700.0640.0488 管網(wǎng)水力失調系數(shù)計算結果上述六種情況的管網(wǎng)水力失調系數(shù)見表8。表8 管網(wǎng)水力失調系數(shù)計算結果系統(tǒng)形式異程干管壓差控制異程末端壓差控制同程干管壓差控制同程/環(huán)形管網(wǎng)末端壓差控制環(huán)形管網(wǎng)干管壓差控制X0.0450.0520.0880.0320.062從表8中計算結果可以看出：異程系統(tǒng)中，干管壓差控制的穩(wěn)定性好于