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1、供热空调水系统的稳定性分析Stability analysis of hydraulic networks in heating and air conditioning system 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/水系统/集中供热/控制/设计AbstractAdopts a general criterion evaluating the hydraulic s
2、tability of several types of networks including direct return, reverse return, distributed-pumps and loop networks in detail, which reveals the stabilitydifferences between these networks and the factors influencing the stability and reaches a few conclusions helpful to design and regulation in oper
3、ation. Keywords: stability/ hydraulic networks/ district heating/ control/ design0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
4、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，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
5、系统的设计和运 行调节提供参考。1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。和F的水力稳定性为：(1)其意义为： 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 ACDF; 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-ACDF; 二者的比值就是该工况下回路D对F 的水力稳定性。对
6、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+A CDF的 偏差为-KsA CDF。经过n个回合的调整， 其与设定值的偏差为nACDF。若| Ks |1， 则该过程是收敛的，系统是稳定的。Ks =0 表示回路D与集合F中回路的调节互不影响， 因而其稳定性最好，Ks与0的偏差大小反 映了系统的水力稳定程度，偏差越小稳定性 越好。当Ks =1时，采用上述调节方式， 系统将会等幅振荡，而1 Ks |1,系统就会 发散。应该指出，水力稳定性是水系统本身的 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
7、性，上述的调节量一般是管段的阻力特 性系数或水泵的转速，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。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 |表明在该工况下D回路对F中 诸回路的水力稳定性很好。此时若各回路参 数已经单独整定，在运行时基本不需要重新 整定D回路的控制参数即可得到较好的控制 品质。在供热空调系统设计时，应尽量使各 回路的水力稳定性在此范围内，从而为系统的控制和运行
8、调节奠定基础。 V Ks表明相应工况下D回路的水 力稳定性较差。此时，如果各回路参数已经 单独整定，投入运行后一般需要对控制参数 进行一些调整才能使得系统正常运行。 I Ks |表明相应回路的水力稳定性 极差，这时如果各回路控制参数单独整定， 系统整体闭环运行时几科不可避免地发生 不可控的现象。需要考虑的一些其他的控制 措施，如解耦控制等。 当I Ks |1时，。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。回路单独整定后可以独立 正常工作的话，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
9、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=，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m3/h。图1异程系统表1异程管网各支路的阻力特性系
10、数 h2/ m52. 1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 71122334455617283. 0200. 0200. 0400. 0400. 0202.支路 7*88*
11、99*1010*1111*124*105*116 f12Si 0. 0200. 0200. 0400. 0400. 0200. 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，前面 3个用户的Ks值都小于，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
12、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 FKs12-60. 00641-3, 5-60. 45421,3- 60. 06051-4, 60. 72531-2,4- 60. 15961-50. 725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m3/h,则对应各 种组合的水力稳定度如表3所示。表3管径
13、调整后各用户的水力稳定性 回路回路FKs回路回路FKs12-60.00641-3,5- 60. 17621, 3-60. 06051-4, 60. 18231-2, 4-60. 15961-50. 182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，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
14、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%。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
15、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。2. 2带末端压差的控制的系统对于VWV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二。表4列出了不同
16、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。 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-,而当选用来平坦型的泵时稳 定度为-，该回路的稳定性得到了很大的提 高。表4带末端压差控
