李森生

中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司

某城市地鐵空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中平衡閥的應(yīng)用

李森生

中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司

通過比較平衡閥單獨(dú)使用和平衡閥組合壓差控制器使用對(duì)水力穩(wěn)定的影響，認(rèn)為平衡閥組合壓差控制器使用，能有效地吸收被控對(duì)象外的壓力波動(dòng)，使被控對(duì)象能在穩(wěn)定的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)線性控制?？紤]安裝條件的有限性，建議地鐵車站采用動(dòng)態(tài)流量平衡閥，同時(shí)通過比較分析，建議空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用末端壓差控制法。

平衡閥 線性控制 干管壓差 末端壓差

1 平衡閥控制原理及選取

1.1 平衡閥控制原理

比例積分控制閥具有調(diào)節(jié)和測(cè)量流量的功能，靜態(tài)平衡閥和動(dòng)態(tài)壓差控制閥組合能保證在系統(tǒng)壓力變化時(shí)比例積分控制閥兩端的壓降基本保持不變?？照{(diào)末端裝置設(shè)計(jì)選型好之后，其出力曲線是客觀固定的，如圖1（a）所示，這就要求控制閥的流量特性曲線為等百分比的特性曲線（如圖1（b）），這樣才能為自控提供簡單可靠的線性控制（如圖1（c）），從而實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫度的準(zhǔn)確控制，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的舒適度。比如，當(dāng)比例積分控制閥開度為40%時(shí)，系統(tǒng)流量約為14%，對(duì)應(yīng)空調(diào)末端的負(fù)荷出力約為40%，也就實(shí)現(xiàn)閥開度為40%，負(fù)荷出力亦為40%，從而實(shí)現(xiàn)了線性控制。因此，等百分比的特性是電動(dòng)控制閥的一個(gè)最基本的要求。

其次，還需要保證在系統(tǒng)壓力變化的時(shí)候電動(dòng)控制閥部分兩端的壓降基本保持不變。此功能對(duì)動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調(diào)節(jié)閥來說是非常重要的功能，也是真正檢驗(yàn)動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調(diào)節(jié)閥是否能發(fā)揮作用的根本，只有保證控制閥在設(shè)計(jì)流量下其兩端的壓降保持不變的情況下，才能真正保證控制閥有很好的閥權(quán)度。閥門特性隨閥權(quán)度按比例偏離理想特性，閥權(quán)度越小，閥門特性的偏離越大。

當(dāng)閥門在較小閥權(quán)度下工作時(shí)，如果負(fù)荷變化使閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的偏離。

1.2 平衡閥的選取

1.2.1 平衡閥的單獨(dú)使用

圖2所示的空調(diào)冷凍水系統(tǒng)是一個(gè)帶有多個(gè)并聯(lián)環(huán)路。該系統(tǒng)為一次泵變流量系統(tǒng)。系統(tǒng)的末端是多臺(tái)空調(diào)器和風(fēng)機(jī)盤管，均采用電動(dòng)二通調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)水量以實(shí)現(xiàn)末端負(fù)荷需求的變流量系統(tǒng)，但當(dāng)某個(gè)用戶進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)時(shí)所引起干管的壓差變化會(huì)影響到其他回路的閥門工作環(huán)境，這種變化可能會(huì)引起電動(dòng)二通調(diào)節(jié)閥的控制失靈，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成不利的影響，從而達(dá)不到調(diào)節(jié)目的。

圖1 動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的控制曲線圖

例如，當(dāng)圖2中的1-1支路控制某臺(tái)空調(diào)器的電動(dòng)二通調(diào)節(jié)閥的傳感器檢測(cè)到室溫降低時(shí)，電動(dòng)二通調(diào)節(jié)閥在傳輸信號(hào)作用下關(guān)小，此時(shí)，水泵揚(yáng)程近似不變。由于系統(tǒng)流量減小，在其他管道閥門沒有調(diào)節(jié)的情況下，消耗在這些管件上的壓降減小，導(dǎo)致1-1支路上電動(dòng)閥兩端的壓差增高。由于閥門特性隨閥權(quán)度按比例地偏離，再結(jié)合空調(diào)器的靜特性（圖1（a）），則空調(diào)器換熱能力隨閥權(quán)度的偏離也越大（例如直線流量特性的調(diào)節(jié)閥，當(dāng)閥權(quán)度低于0.3時(shí)，其工作流量特性曲線嚴(yán)重偏離理想流量特性，近似快開特性）。此時(shí)實(shí)際的流量會(huì)高于理論流量，導(dǎo)致電動(dòng)調(diào)節(jié)閥在該開度下的冷量高于預(yù)期值。即使閥門再關(guān)小，但因壓差進(jìn)一步增高，流量仍將高于需要量，電動(dòng)二通調(diào)節(jié)閥只有繼續(xù)關(guān)小，直至關(guān)閉。電動(dòng)二通調(diào)節(jié)閥關(guān)閉后，房間溫度很快就會(huì)上升，傳感器檢測(cè)到室溫升高時(shí)，電動(dòng)二通調(diào)節(jié)閥在傳輸信號(hào)的作用下就會(huì)全部打開。當(dāng)房間負(fù)荷減小時(shí)，電動(dòng)二通調(diào)節(jié)閥重復(fù)調(diào)節(jié)，其結(jié)果使在較低負(fù)荷運(yùn)行的閥門不停開關(guān)，導(dǎo)致振蕩現(xiàn)象。

同時(shí)，總流量的減少，亦導(dǎo)致其他支路上作用壓頭增大，使得這些支路上流量增大，出現(xiàn)過流現(xiàn)象，最終導(dǎo)致房間溫度過低，造成能源的浪費(fèi)。

圖2 電動(dòng)二通閥單獨(dú)使用

1.2.2 平衡閥的組合使用

采用在電動(dòng)二通調(diào)節(jié)閥前串聯(lián)一個(gè)壓差控制閥的方法，可以改善電動(dòng)二通調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)效果。動(dòng)態(tài)壓差控制閥（簡稱壓差控制閥）能自動(dòng)恒定被控環(huán)路的壓差[1]，且不需外力作用。對(duì)具有多個(gè)支路的環(huán)路裝設(shè)壓差控制閥，不但可以吸收外網(wǎng)的壓力波動(dòng)，隔離被控環(huán)路以外的干擾對(duì)其影響，而且可以減弱被控環(huán)路內(nèi)部各支路負(fù)載間的相互影響，使電動(dòng)二通調(diào)節(jié)閥始終在閥開度接近1.0的情況下工作，避免閥開度過小，從而避免出現(xiàn)調(diào)節(jié)振蕩。如圖3。

圖4的連接也可以保證電動(dòng)二通調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)不受外網(wǎng)或其他支路調(diào)節(jié)的影響，且在已建地鐵車站中應(yīng)用較多。但是，這種連接由于受到負(fù)荷側(cè)設(shè)備壓降的影響，qv=△P2/(△P1+△P2)），閥權(quán)度大大減小，即不能保證電動(dòng)二通調(diào)節(jié)閥的工作特性與理想特性一致，導(dǎo)致其工作流量特性較理想流量特性有所偏離。

圖3 靜態(tài)平衡閥設(shè)于回水管路上的情況

圖4 靜態(tài)平衡閥設(shè)于供水管路上的情況

1.3 地鐵車站冷凍水系統(tǒng)控制閥選用

通過1.2.1-1.2.2節(jié)對(duì)平衡閥單獨(dú)使用和組合使用比較分析，設(shè)計(jì)中建議該地鐵線采用圖3的連接形式。

但由于地鐵車站土建條件的局限性，機(jī)房空間不是很寬裕，要同時(shí)裝設(shè)三種閥門及其他附件，需要較大的安裝空間。故建議該地鐵線采用一種“動(dòng)態(tài)流量平衡調(diào)節(jié)閥”，這種功能閥它集前述三種閥門（靜態(tài)平衡閥、比例積分控制閥、壓差控制器）控制功能于一體，因此也極大壓縮了閥門部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)閥體的加工精度要求也高。

圖5 地鐵車站水力系統(tǒng)簡化圖

2 地鐵空調(diào)水系統(tǒng)壓差控制點(diǎn)的選擇

2.1 末端壓差控制方法

末端壓差控制方法，如圖5，即在環(huán)路上每個(gè)末端支路均設(shè)置動(dòng)態(tài)流量平衡調(diào)節(jié)閥。部分負(fù)荷下，室內(nèi)溫控器根據(jù)室內(nèi)溫度的變化改變控制閥的開度，末端支路兩端作用壓差隨末端調(diào)節(jié)閥開度的改變而改變。

控制曲線為：

管路系統(tǒng)特性曲線為：

式中：S1為1-1支路前管路系統(tǒng)的總阻抗；Hm為1-1小支路間的作用壓頭；Q為空調(diào)冷凍水系統(tǒng)流量。

圖6中①為設(shè)計(jì)工況下管路特性曲線；②為系統(tǒng)控制曲線；③為設(shè)計(jì)工況水泵性能曲線。①②③相交于一點(diǎn)Ao(Q0，H0)，即設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，它同時(shí)滿足式（1）和式（2），則：H0=S1Q02+Hm，H0=SQ02。

理論上S1不變，令Hm=S2Q0（2S2為設(shè)計(jì)工況末端支路阻抗），則S2=Hm/Q02，S=S1+S2。

部分負(fù)荷情況下，系統(tǒng)流量變?yōu)镼，此時(shí)被控環(huán)路阻抗S2'=Hm/Q2，S'=S1+S2'。顯然部分負(fù)荷情況下S2'＞S2，即部分負(fù)荷情況下末端支路阻抗增加，且與流量的二次方成反比關(guān)系；S'＞S意味著部分負(fù)荷情況下系統(tǒng)阻抗增加，管路特性曲線發(fā)生改變。

圖6 末端壓差控制工況變化示意圖

2.2 干管壓差控制方法

干管壓差控制方法，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)地鐵工程，是指每個(gè)車站供回水總管上，如圖7。

系統(tǒng)控制曲線為：

管路系統(tǒng)特性曲線為：

式中：S1為兩點(diǎn)間冷熱源側(cè)阻抗；Hg為兩點(diǎn)間壓差；Q為空調(diào)冷凍水系統(tǒng)流量。

圖7 地鐵車站水力系統(tǒng)簡化圖

圖8 干管壓差控制工況變化示意圖

圖8中①為設(shè)計(jì)工況下管路特性曲線；②為系統(tǒng)控制曲線；③為設(shè)計(jì)工況水泵性能曲線。①②③相交于一點(diǎn)Ao(Q0，H0)，即設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，它同時(shí)滿足式（3）和式（4），則H0=S1Q02+Hg，H0=SQ02。

理論上S1不變，令Hg=S2Q02，則S2=Hg/Q02，S=S1+S2。部分負(fù)荷情況下，系統(tǒng)流量變?yōu)镼，被控環(huán)路阻抗S2'=Hg/Q2，S'=S1+S2'，此時(shí)管路特性曲線為H=S'Q2。

顯然部分負(fù)荷情況下S2'＞S2，即部分負(fù)荷情況下被控環(huán)路阻抗增加，且與流量的二次方成反比關(guān)系；S'＞S意味著部分負(fù)荷情況下系統(tǒng)阻抗增加，管路特性曲線發(fā)生改變。阻抗增大，意味著閥門消耗的壓頭增大。

2.3 兩種控制方法能耗比較

末端壓差控制條件下管路阻抗的增加遠(yuǎn)小于干管壓差控制條件下管路阻抗的增加[2]。

干管壓差控制條件下，△S=△S2=Hm/Q2-Hm/Q02；末端壓差控制條件下，△S=△S2=Hm/Q2-Hm/Q02。

故，建議地鐵車站冷凍水系統(tǒng)采用末端壓差控制方法進(jìn)行水力穩(wěn)定。即對(duì)末端每個(gè)控制對(duì)象均設(shè)置動(dòng)態(tài)流量平衡電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。

3 結(jié)論

通過比較分析，建議該地鐵線空調(diào)水系統(tǒng)末端選用動(dòng)態(tài)流量平衡調(diào)節(jié)閥，可以有效地實(shí)現(xiàn)冷量與閥門開度的線性控制。同時(shí)建議在地鐵車站的每個(gè)末端空調(diào)器，或者每個(gè)控制單元的回水管路上設(shè)置動(dòng)態(tài)流量平衡閥。

目前該條地鐵線已投入試運(yùn)營，采用該控制方式的空調(diào)水系統(tǒng)已基本通過調(diào)試驗(yàn)收。

[1]符永正.自力式壓差控制閥在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].閥門,2008, (1):38-40

[2]周紅丹.空調(diào)冷凍水系統(tǒng)輸送節(jié)能的研究[D].武漢:武漢科技大學(xué),2009

Applic a tion of Ba la nc e Va lve in the De s ign of the Subw a y Air Conditioning

LI Sen-sheng
China Raiway Siyun Survey and Design Group Co.,Ltd.

Through comparing balance valve used only with it used with pressure difference controller,it can conclude that balance valve used with pressure difference controller will absorb the pressure fluctuation to achieve linear control. Given limited installation conditions,this paper suggests using dynamic flow balance valve and terminal pressure difference control.

balance valve,linear control,pressure difference in main pipe,pressure difference in air terminal

1003-0344（2015）03-099-4

2014-2-20

李森生（1985～），男，碩士，工程師；湖北武漢市武昌區(qū)和平大道745號(hào)（430063）；E-mail:45386209@qq.com