《供热空调水系统的稳定性分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《供热空调水系统的稳定性分析（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、供热空调水系统的稳定性分析清华大学 秦绪忠 江亿Stability analysis of hydraulic networks in heatingand air conditioning systemsBy Qin Xuzhong and Jiang Yi摘要摘要为研究不同网络连接方式和系统调节方式对系统水力稳定性的影响，采用一个通用的水力稳定为研究不同网络连接方式和系统调节方式对系统水力稳定性的影响，采用一个通用的水力稳定性定量分析指标对常用的异程系统、同程系统、分布式变频泵系统、混水系统以及环形网的稳定性性定量分析指标对常用的异程系统、同程系统、分布式变频泵系统、混水系统以及环形网的稳
2、定性作了分析比较，得出了可供供热空调水系统设计和运行调节参考的结论。作了分析比较，得出了可供供热空调水系统设计和运行调节参考的结论。关键词：稳定性关键词：稳定性/水系统水系统/集中供热集中供热/控制控制/设计设计AbstractAdopts a general criterion evaluating the hydraulic stability of several types of networks including direct return, reverse return, distributed-pumps and loop networks in detail, which r
3、eveals the stability differences between these networks and the factors influencing the stability and reaches a few conclusions helpful to design and regulation in operation.Keywords：stability/ hydraulic networks/ district heating/ control/ design 0 引言引言目前，随着变频技术的发展以及系统规模的不断扩大，供热空调水系统的形式在不断发展，各种设计思想
4、层出不穷。对这些系统性能的评价需要一些通用的指标，水力稳定性就是其中之一。水系统的功能就是通过水的循环来传输冷量和热量，系统的运行调节也主要表现为对水力参数如流量、压力或压差的调节，一个供热空调水系统往往由许多水力调节回路组成，水力稳定性就是对各回路之间相互影响程度的反映。例如当一个支路开大阀门以增加流量，其他支路的流量相应地大幅度减小时，我们就称该系统“水力稳定性差“。在设计管网系统时，水力稳定性是系统设计是否合理的一重要指标，它可以帮助确定合理的系统形式，指导管网参数的合理选择。对于一个设计好的系统，在设计其控制系统或进行运行调节时，水力稳定性的研究同样具有指导意义。通过对水力稳定性的分析
5、，可以明确系统可能达到的控制效果，找到系统控制中的薄弱环节，确定相应的调节手段和控制算法。本文采用一种通用的水力稳定性分析方法1，2对几种典型的系统形式进行分析，比较不同系统形式在水力稳定性方面的差异以及影响系统水力稳定性的主要因素，分析如何在经济上可行的情况下尺可能提高系统的水力稳定性，从而为系统的设计和运行调节提供参考。1 水力稳定性的定义水力稳定性的定义将水系统中的所有水力参数控制回路分为两个部分：D 和 F。D 表示其中的一个回路，而 F 是其它所有控制回路的集合。以 F 中所有回路均不控制和全部采用理想闭环控制两个过程作为基础，定义回路 D 和 F 的水力稳定性为：(1) 其意义为：
6、在某一工况下，若 F 中的回路全为开环，改变回路 K 的调节量 MD使被调量 CD 变化 CDF；上述改变可能同时引起 F 中各回路被调量的变化，若 F 中的回路全部采用理想闭环控制，则各回路将通过调整其调节量来恢复相应回路的被调量，这些调整又会使得 D 回路的被调量变化-CDF；二者的比值就是该工况下回路 D 对 F 的水力稳定性。对某一网络的一个特定工况，Ks随集合 D，F 的选取而变化。经过上述一个回合的调整，回路D 的被调量与设定值 Ci+CDF的偏差为- KsCDF。经过 n 个回合的调整，其与设定值的偏差为（-Ks）nCDF。若| Ks |1，系统就会发散。应该指出，水力稳定性是水
7、系统本身的属性，它与具体的调节器、控制器特性以及控制参数等没有关系。为了反映水系统本身的特性，上述的调节量一般是管段的阻力特性系数（对应阀门调节）或水泵的转速（对就变频调节），而被调量一般是管段的流量、节点的压力或节点间的压差。通过理论计算或在线辨识可以得到对应某一工况和一组 D 和 F 的水力稳定值2。由于实际系统并非完全按照上述理想的运行方式来调节，因此水力稳定性与运行调节的关系也并非如前面所述的那样简单。结合实际系统的运行调节，得到水力稳定性的一般意义：| Ks |1 时，D 回路被调量对调节量的响应在 F 中所有回路闭合时将会反向。这就是说，如果 D 回路单独整定后可以独立正常工作的话
8、，只要 F 中的所有回路一闭合，这个本来稳定的回路马上就不稳定。当然在闭合运行时也可以通过将 D 回路的调节器动作方向反过来以使得系统的调节恢复稳定，但这显然是一种不安全的情况，因为如果 F 中的回路置于手动或受到约束，系统的运行调节就将变成正反馈。因此，在输配系统的设计和控制变量的配对上要极力避免这种情况。2 异程系统异程系统图 1 是一个异程供热水网，该网络共有 6 个流量控制回路一个压差控制回路。各流量控制回路是由每一用户的调节阀控制该用户的流量，在图中从左到右依次为 1 至 6 回路；第 7 回路是压差控制回路，通过调节主循环泵的转速来控制某一用户两端的压差。水泵特性为：Hp=32.0
9、0.025G0.008G2，式中 G 为流量，m3/h。Hp为扬程，m。各管段的阻力特性如表 1 所示，对应的各用户流量均为 3.0 m3/h。图 1 异程系统表 1 异程管网各支路的阻力特性系数 h2/ m5 21 不带末端压差控制的系统一般的家庭式供暖系统通常采用质调节的运行方式，整个供暖季流量基本保持不变，系统运行好坏的关键是初调节。初调节有多种方式，最基本的是根据各用户分支的流量调节相应的阀门，相应地形成 6 个调节回路。水力稳定性的好坏将直接影响管网初调节的难易程度，对于已经完成初调节的管网，水力稳定性则反映了当其它用户流量发生空变或扰动时，自身流量保持不变的能力。另外，近几年自力式
10、流量调节阀开始在一些管网中应用，对于这些系统，管网的水力稳支路 711223344556172839Si0.0104 0020 0020 0040 0040 0020 28444 1.8444 1.2055支路 78899101011 1112 410511612Si 0020 0020 0040 0040 0020 04866 0.1666 0.1266定性是保证自力式流量调节阀正常工作的必要条件，管网设计不合理，各用户流量耦合严重，将可能使系统发生振荡，影响系统的调节品质。仍以图 1 为例，该网络共包括 6 个流量调节回路，在设计工况下各种组合情况的水力稳定性列于表 2。由表 2 可以看出
11、，前面 3 个用户的 Ks值都小于 0.2，水力稳定性很好，而后 3 个用户的水力稳定性则较差，在该工况下距离热源越远的用户其稳定性越差，这主是因为末端用户的压力损失占整个环中的压力损失比例很小造成的。从这个意义上讲，对简单枝状管网而言，该水力稳定性指标与传统的评价方法结论是基本一致的。表 2 表异程系统各用户的水力稳定性 回路回路 FKs回路回路 FKs12-6000641-3，5-6045421，3-6006051-4，6072531-2，4-6015961-50725下面结合对水力稳定性的分析，讨论为了满足各用户的流量要求，同时提高其水力稳定性的具体措施。加粗部分干管的管径或提高水泵的扬
12、程从表 2 可以看出，用户 4，5 和 6 的水力稳定性较差，可以考虑将 3-4 和 4-5 供回水侧的管径加粗一号，然后调整各用户阀门，使各用户的流量仍然达到 3.0 m3/h，则对应各种组合的水力稳定度如表 3 所示。表 3 管径调整后各用户的水力稳定性 回路回路 FKs回路回路 FKs12-6000641-3，5-6017621，3-6006051-4，6018231-2，4-6015961-50182从表中可以看出，干管末端局部加粗后就可大幅度提高末端用户的水力稳定性，使得所有用户的 Ks值小于 0.2，从而满足系统对稳定性的要求。在初调节时，可以根据各回路水力稳定值的差别按由差到好的
13、顺序调节，这样可以减少初调节的回合数。特别是对表 3 所示的各回路稳定度都很好的情况，可以大大简化初调节的过程，在初调节时可以不考虑各用户的相互作用，简单地根据各用户的流量调节相应的阀门即可。另外，对改动后的系统，由于各用户的稳定度较高，当某一用户流量发生扰动甚至关闭阀门停止运行时，其它用户所受的影响很小，基本不会影响其它用户正常运行。如当用户 6 关闭时，对于改动后的系统导致其它用户的水力失调度最大只有 21%，而改动前的系统导致用户的 5 的水力推敲失调度却达到 66.7%。同样，提高水泵扬程也可以起到提高其水力稳定性的作用，这两种方法都是通常所说的通过提高用户压降与干管压降的比值来达到提
14、高水力稳定性的目的。方法虽然可行，但它们都是通过增加运行费用或初投资作为代价的，因此是有局限性的。改变系统形式能否找到一种在不增加或少增加系统投资和运行费用的基础上提高各用户水力稳定性的方法，这在实际应用中更有现实意义。特别是随着调节手段的增加和各种解耦设计思想的涌现，为这一设想的实现提供了更大的余地。后面的章节将对各系统形式进行比较，为选择合适的系统形式提供参考。22 带末端压差的控制的系统对于 VWV（变水量）系统的控制，通常要在上述基础上增加一个压差控制回路，也就是前面所说的第 7 回路。在这种情况下，若网络结构一定，对于特定的工况，影响水力稳定度的因素主要是循环水泵的特性和压差控制点的
15、位置。图 2 显示了 3 种泵的特性曲线，其中泵 a 就是前面讨论中所引用的循环泵；泵 c 是一种理想的平缓型水泵，其扬程在工作区内保持恒定；泵 b 是一种陡峭型的泵，水泵特性为：Hp=65.68-1.5G-0.0.3G2。表 4 列出了不同情况下各回路的 Ks值，压差控制点的压力设定值即为该点当水泵转速为标准转速时对应点的压差。图 2 泵与管网特性曲线通过对带末端压差控制回路异程系统的水力稳定性分析，可以得到以下结论：末端压差控制回路往往是所有回路中水力稳定性最差的，这一方面要求在设计时要着重考虑该回路的稳定性，另一方面在实际控制时一般需要采取一些特殊的措施，包括解耦控制等，例如可以采用前馈
16、加反馈的方式来调节水泵转速，如同 VAV 中采用的总风量控制法3。主循环泵选用特性曲线平坦型的有利于提高各回路的水力稳定性，特别是压差控制回路。众表 4 可以看出，同样是控制用户 2 两端的压差，当选用陡峭型的泵时回路 7 的稳定度为-2.14,而当选用来平坦型的泵时稳定度为-0.744，该回路的稳定性得到了很大的提高。 表 4 带末端压差控制的异程系统水力稳定度 D 23456726F1，3-71-2，1-3，1-4，1-5，71-6774-75-76-7 511-0.143-0.203-0.364-0.725-0.725-33.8-0.143-0.725410-0.143-0.203-0.3640.1200.120-10.9-0.143-0.158泵 b 控制压差/m 28-0.143-0.0620.2510.6040.604-2.14-0.143-0.020511-0.090-0.164-0.343-0.713-0.713-
