调节阀特性对变流量空调水系统的影响分析.doc

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1、调节阀特性对变流量空调水系统的影响分析 在空调设计中，变流量空调系统以其显著的节能优势已深入人心。然而在实际工程中，变流量空调系统经常会出现监而不控、控而不优的情况，这与控制系统的调节阀有着直接的联系1-2。在变流量空调水系统中，末端盘管采用电动两通阀调节，根据室内温度变化调整其开度或状态，使整个系统循环流量随负荷变化而变化。调节阀作为流量控制中的执行器，在流量调节中起着调节和控制流量的作用。调节阀作为系统的一个控制环节，它选择的正确与否直接关系到变流量系统是否能够正常运行。国外在这方面的研究已相对成熟，国内则正处于研究起步阶段。变流量空调水系统与控制系统紧密结合，必须将调节阀的特性与系统的调

2、节特性和系统稳定性联系起来综合考虑，进而采取相应的控制算法与策略3。 由于变流量空调系统末端盘管的水流量动态跟踪负荷变化，需要研究末端盘管热力特性。本文旨在根据末端盘管的热力特性，找出盘管热力特性与水流量之间的关系，并且考虑调节阀对系统调节特性的影响因素，为调节阀的选择提供理论依据。 1 末端盘管热力特性与水流量之间的关系 水力系统中所有形式的末端盘管具有一个共同点，当水侧温度恒定时，传热量与水量呈非线性关系46。如图1是某型号盘管冷却时的热力特性曲线，表明了供冷量与水流量之间的关系。可以看出，当末端盘管的流量减少至设计值的50%时，传热能力(供冷量)仍可高达75%左右。 现行设计中，由于末端

3、盘管及水泵扬程裕量过大，当系统的实际流量超过设计流量时，系统将处于大流量小温差的运行工况。即使实际流量为设计流量的1.2倍甚至更高，盘管的传热量也只是有稍许增加而不随之成比例的变化。 末端盘管的传热量一般与水流量呈非线性关系，这种非线性特性可以用具有相反特性的调节阀来补偿。所以，应正确选择调节阀的特性，以调节阀放大系数的变化来补偿末端装置放大系数的变化，使调节阀与末端装置组成的系统总的放大系数保持常数78，这样，末端装置的输出(传热量)与系统输入(阀杆行程)呈线性关系，使得控制环路的稳定性不取决于负荷，从而提高系统的控制质量与稳定性。 2 调节阀的调节特性 2.1 调节阀的流量特性 流量特性是

4、指阀门相对流量随调节阀相对开度变化的某种关系式。调节阀的流量特性直接影响着控制系统的控制质量与稳定性。常见调节阀的特性有直线、对数、快开和抛物线等四种。在变流量空调水系统中，应用最为广泛的是直线流量特性与对数流量特性。这两种特性均指调节阀的理想流量特性，理想流量特性是在调节阀前后压差在一定的情况下得到的。在实际工况下，调节阀与管路系统串联或并联，前后压降不可能保持恒定，因此，就必须研究工作条件下的流量特性，即调节阀在前后压差随负荷变化的工作条件下，调节阀的相对流量与相对开度之间的关系。 由直线流量特性的定义9，其数学表达式为 (1) 式中：k为常数，调节阀的放大系数；Q、Qmax为调节阀在某一

5、开度的流量与调节阀全开时的流量；l、lmax为调节阀某一开度时阀芯的行程与调节阀全开时阀芯的行程。 对式(1)积分，将边界条件l=0时Q=Qmax；l=lmax时，Q=Qmax代入，得 (2) 式中：R为可调比。即调节阀全开时最大流量Qmax与最小可控流量Qmin的比值，由对数流量特性的定义9，用数学式可表示为 (3) 积分式(3)，同理可得： (4) 调节阀的对数特性曲线见图2 2.2 由调节阀作用时盘管热力特性随水流量的实际运行特性 对数特性阀门有着良好的流量特性，在负荷变化较大的情况下，在末端盘管的热力特性上凸与调节阀对数特性的下凸共同作用下。盘管的传热量随阀杆行程的实际运行组合特性近似

6、呈线性特性，如图3。 需要注意的是用于变流量空调系统中的压差旁通阀，由于它仅控制水量而不控制冷、热量，即控制系统要求为线性，且两侧无较大的水流阻力或压差控制器接点在阀门两端，应选用直线型阀门，配以比例控制器。 2.3 阀权度对调节特性的影响 阀权度SV定义是指调节阀全开时阀门前后压差与系统总压差的比值，也成为阀门能力。即： (5) 由于阀权度SV值的不同，工作流量特性也不同，所以在选择调节阀特性时必须结合调节阀与管网的连接情况来考虑。这里讨论调节阀与管网串联的情况(见图4)。 由此，可推导出调节阀的实际工作流量特性9。 (6) 由式(6)可以得出，阀门在同一开度时，其实际相对流量将不小于理想相

7、对流量，即阀门特性将出现偏移由生产厂家确定的阀门特性，会由于该调节阀在系统中的阀权度值而有不同程度的偏离。阀权度越小，阀门特性偏离越大，控制系统的稳定性与控制质量就越差，反之亦然。(如图5所示)。可以得出，随着阀权度的减小，阀门对数特性发生严重偏离，阀门特性曲线与盘管热力特性曲线叠加不再是线性关系，造成阀门在工作范围内调节困难，使控制系统变得不稳定。 由于调节阀与盘管串联连接，则实际可调比 (7) 图6为可调比R与阀权度SV的关系曲线。对于一般的调节阀，由于其最小可控流量是3.3%，故其最大可调比为30。 在实际工程中，为保证调节阀有一定的可调比，调节阀应具有相当的阻抗值，使之在管路中保持一定

8、的阀权度。它的大小对调节质量有着重要的影响，应引起设计人员的重视。 在大多数变流量系统设计中，是以温差不变为前提来进行设计与分析的，由于末端盘管及水泵扬程裕量过大，系统经常处于大流量小温差的运行工况10-11。工程实例表明，很多空调系统供回水温差为23，与标准设计的5温差相差很大。由盘管热力特性，可以看出大流量小温差运行将使系统可调性变得极差。供回水温差越小，可调性则越差。这违背了变流量系统设计的初衷，在设计中是应当避免的。 3 调节阀的阻力特性 调节阀的阻力特性是阀门选择的依据。从流体力学的观点看，调节阀是一个局部阻力可以变化的节流元件9。得： (8) 式中：Cmax为调节阀的流通能力；P为

9、调节阀前后压差，102kPa；Q1为流体流量，m3/s；为流体的密度，kg/m3。 阀门的SV值应保持在合理的范围内，使阀门在系统中有足够的权度12，特别是在系统两端压差不大的情况下，两通调节阀的选择应按阀门所在管路供回水压差的0.50.7倍确定调节阀的压差P，然后由管路最大流量和阀门两端压差计算调节阀的最大流通能力。在工程中，调节阀一定按照其流通能力来选择口径，选择流通能力最接近且大于Cmax的调节阀。在系统压力波动较大的情况下，应采用压差控制器来稳定系统压差，作用于调节阀上的压差，应符合生产厂家的有关规定。以保证电动调节阀能在有效的调节范围内工作13-14。 如果调节阀实际的Cmax值比需

10、要的Cmax值偏离较大，调节阀实际工作在特性曲线比较平坦的区域，控制灵敏度就会降低甚至失去控制作用，过小的阀门可能提供不了需要的流量，相反阀门选择过大，则会使阀门的调节质量变差，并且造成了不必要的投资。阀上阻力占系统总阻力的比例越大，则此阀越接近其理想特性，调节品质就好，反之则调节品质变差，从这一点来看，加大阀权度对改善调节品质是有利的；但是，从整个水系统来看，SV的提高意味着整个系统压差的提高，系统水阻力增加，将使水泵能耗增加。因此，改善调节品质应与系统能耗情况进行综合平衡考虑。 4 结语 变流量空调水系统的可调节性主要取决于进出口温差与调节阀的阀权度。为使调节阀在工作环境下具有良好的调节特性，一方面应保证盘管的进出口温差；一方面还应保证调节阀有足够的阀权度，调节阀的选择应以阀的流通能力为依据，而不应根据管路管径粗略估算挑选调节阀门口径。变流量空调水系统的调节特性尚需工程实践来总结和完善。