控制阀:探讨循环系统平衡与压差稳定

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发布时间:2017年6月17日
控制阀的特性

      在设计任何采暖与空调装置系统时主要目的都是获得舒适的室内气候,同时尽可能降低成本和减少运行问题。

      在理论上,新的控制技术好像足以满足最苛刻的要求,能够能够提高舒适度并能切实节约能源。

      但在实践中,即使最精密的控制器也不能完全实现其理论性能。原因很简单:往往忽略了那些必须满足的正确的运行条件,而其对于舒适度和成本的重要意义是不容忽视的。

      如果我们系统地分析暖通空调系统的工作情况,往往会觉察到以下问题:

      并非所有的房间内都能达到所需的室温,尤其是在发生高负荷变化之后。

       在可以达到所需的室温时,尽管在末端装置上使用了精密的控制器,它仍然会不断地波动起伏。这种现象通常发生在低负负荷和中等负荷的情况下。

尽管生产装置具有足够的装机容量,但却不能在高负荷下输送,特别是在启动阶段。

即使用精密的控制器也不能纠正这些故障。其原因往往与循环系统本身的设计缺陷有关,主要是因为三个基本条件没有得到满足。

系统接口处的流量必须相互兼容。

所有末端处都必须达到设计流量。

控制阀两端的压差不能变化过大。

控制阀的特性

控制阀的特性是由水流量与阀门开度之间的关系决定的。在压差恒定时,这两个量用最大值的百分比来表示。



对于具有线性特性的阀门,水流量与阀门开度成比例关系。在低负荷和中等负荷下,由于末端装置的非线性特性(图1a),控制阀少许的开度就会明显地增大通过阀门的流量。因此低负荷下控制回路就可能不稳定。

本文主要是有关第二个条件的一些信息,以及在末端装置上使用二通控制阀一些启示。

通过选择控制阀特性来补偿非线性,可以解决这一问题,从而使末端装置的输出量与阀门开度成比例关系。

在供水流量为其设计流量的20%时,如果末端装置的输出为其设计值的50%,则可以对阀门进行设置,使它在开度达到50%时只允许有20%的设计流量。这样,当阀门达到50%的开度时,就可以获得50%的热量输出(图1c)。以此类推到所有流量上,我们所得到阀门的特性就可以补偿典型末端换热装置的非线性。这一特性(图1b)称为等百分比修正“EQM”。

但是,要获得这一补偿,必须满足两个条件:

如果控制阀两端的压差不是恒定的,或者如果阀门尺寸过大,则控制阀特性发生偏移,就可能会影响到调节控制性能。

控制阀两端的压差必须是恒定的。

当控制阀完全打开时,必须能够获得设计流量。

控制阀阀权度

当控制阀关闭时,末端、管道和附件中的流量和压降降低。导致控制阀上的压差升高。压差的增大会使控制阀的特性发生偏移。这种偏移可以通过控制阀阀权度表现出来。



分子是恒定的,只取决于控制阀的选择和设计流量值。

分母对应于回路上达到的ΔH。与所选择的控制阀串联安装的平衡阀不会改变这两个因素,因而对控制阀阀权度没有影响。

所选择的控制阀应当能够达到可能的最佳阀权度。根据市场供应的产品范围,一般都会尺寸偏大。平衡阀可以使控制阀完全打开时获得设计流量。使其特性更加接近理论特性,从而改善控制功能(图3b)。

在一个异程分配(图2a)中,远程回路会承受较高的ΔH变化。在低流量情况下,得到的控制阀阀权度最差。也就是当控制阀几乎承受全部水泵扬程时。



用变速泵时,一般要使接近最后一个回路的压差保持恒定(图2b)。在这种情况下,ΔH的变化将会转移到第一个回路上。

Δp传感器用于控制变速泵。如果它的位置接近最后一个回路,在理论上可以将泵送成本降到最低,但接近泵的回路也会产生问题。当系统在平均小负荷的状况下运行时,这些回路可能发生流量不足;或者,如果控制阀是按照最小Δp设计的,则在设计条件下的阀权度将会很差。为此,一个较好的折中方案就是将Δp传感器设置在系统的中部与定速泵相比可以将Δp的变化减小50%以上。

图2c显示了功率输出与阀门开度之间的关系(为获得正确全开流量而选择的EQM控制阀,设计阀权度为0.25)。当回路上获得的ΔH增大时,控制阀特性可能会变差,从而使控制回路产生不规则振荡。在这种情况下,采用一个局部压差控制器可以稳定控制阀两端的Δp,使其阀权度接近一(图4a)。

调节控制阀的选择

在以下条件下,二通控制阀的尺寸正确:

1- 在设计条件下完全打开的控制阀可以达到设计流量。

2- 保持足够的控制阀阀权度,一般高于0.25。

当控制阀在较长时间内保持全开时,需要满足第一个条件才能避免过流而在其他盘管中产生流量不足。在每天夜间停机回设后早晨启动期间,盘管尺寸偏小时,温控器设定在制冷工况最低值时(这是一种常见的做法),以及控制回路不稳定时,都会发生这种情况。



为了在设计条件下得到设计流量,设计流量下全开控制阀中的压降必须等于局部可得到的压差ΔH减去盘管和附件中的设计压降(图3a)。在选择控制阀时是否可利用这些信息?我们假设可以。

对于1.6 l/s的流量,市场上可以找到的控制阀所产生的设计压差为13、30或70 kPa,而没有中间值。计算的数值一般在市场上找不到相应的产品。因此,控制阀一般都会尺寸偏大。所以要安装一个平衡阀,以便在设计条件下得到设计流量,改进控制阀的特性,而不增大压降(图3b)。

选择控制阀之后,我们必须验证它的阀权度ΔpVc/ΔHmax是否足够。如果不足,则必须重新考虑系统的设计,以便能够在较小的控制阀两端形成较高的Δp。


  用于解决局部问题的一些特殊设计

对于一些特殊情况, 进行单独处理总比让系统其余部分也对异常状况有反应要好。

当对控制阀的选择处在临界状态, 或者当回路出现大的ΔH变化时, 可以采用一个局部压差控制器来稳定控制阀两端的压差, 如图4a所示。这就是一般的控制阀最小阀权度降低于0.25的情况。

原理很简单。自力式压差控制阀STAP的膜片与温度控制阀的入口和出口相通。当这一压差增大时,膜片上的受力增大,相应地按比例关闭STAP。这样,控制阀上的压差实际上就可以保持恒定。选择这一压差值,使得控制阀完全打开时能够在STAM 处获得设计流量。控制阀绝对不会尺寸偏大,其阀权度也保持接近一。



所有的额外压差都施加在STAP上。与温度控制相比,压差的控制较为容易,可用一个合适的比例带来避免不规则振荡。


将局部压差控制器与变速泵相结合可以保证最佳的控制条件,提高舒适度,并且能够节约泵的能耗、降低系统中的噪音。

出于经济原因, 这一解决方案通常适用于小型系统。

对于较大的系统,其ΔH变化较大,可以利用一个与平衡阀相连的压差传感器来限定流量( 图4b)。当测得的压差与设计流量相符时, 控制阀就不允许进一步打开了。当BMS系统同时要求测量的流量值在设计值附近时, 非常适合采用这一解决方案。

当末端装置由开关控制阀或时间比例控制阀控制时, 对压差的限制可以降低噪音、简化平衡程序。在这种情况下, 压差控制器可以应用在一组末端装置上的稳定压差, 如图5 所示。

这一解决方案也可应用于由调节控制阀控制的一组小型装置上,同时还能提高其阀权度。




这些例子不是限制性的,只是表明一些特殊问题可以通过特定的解决方案来解决。

供暖设备中压差的稳定

变流量分配

  在具有散热器的供暖设备中,恒温调节阀的预设定通常要考虑使压差ΔHo=10kPa。

在平衡过程中,将支路中的平衡阀STAD设定为能够在支路上获得正确的总流量。这样就可证实预设值,且支路的中心可以达到预期的10kPa。

如果恒温调节阀上承受的压差可以超过30kPa,则装置中可能产生噪音,特别是当水中残留一些空气时。在这种情况下,最好按照图7采用一个STAP来稳定压差。



在每个支路或小立管上,一个STAP可稳定压差。

流量qs可通过测量阀STAM来测量。

定流量分配

在住宅楼中,供水温度是由中央控制器依据室外状况来调节的。

刺激泵的扬程可能很高(相对于恒温调节阀太高),就会造成噪音。如果对回水温度没有限制的话,可以使用定流量分配。



一种解决方案是为每套住宅配置一条旁通管AB和一个平衡阀STAD-1(图8a)。这一平衡阀带走产生的ΔH。每套住宅还配置一台具有适当水泵扬程(低于30kPa)的二次泵。当恒温调节阀关闭时,施加在恒温调节阀上的Δp保持在可以接受的水平上,从而避免在系统中产生噪音。设计的二次流量必须稍低于一次流量,避免旁路AB中产生回流,从而在A处产生混合点以及降低供水温度。这就是在二次回路上设置平衡阀STAD-2的原因。

为了避免用二次泵和STAD-2,可按照图8b为每套住宅设置一个比例泄压阀BPV。该BPV与平衡阀STAD-1相连,以获得需要的一次流量。BPV设定点的选择要满足要求。当恒温调节阀关闭时,A和B之间的压差增大并有超过BPV设定点的趋势。BPV打开,可保持A和B之间的压差恒定。

一般设计建议

一套循环系统的设计取决于其具体特性和工作条件。比如在变流量分配系统的设计阶段,应考虑:

异程还是同程。

恒速泵还是变速泵。

末端装置上是调节控制还是开关控制。

有些一般性建议在所有的情况下都是有效的:

1.系统必须在设计条件下达到液压平衡, 从而使装机功率能够输送。从这一点来看, 末端装置采用调节模式还是开关模式控制是没有区别的。

2.必须采用补偿方法或“TA平衡”来优化平衡程序。这就避免了对整个系统进行来回反复地检测,从而大大降低了人工费用。用这两种方法可以清楚地查明泵尺寸是否偏大,并对泵进行修改,因此能够降低泵送成本。平衡程序提供了检测大部分不规则循环点的可能性。手动平衡阀则始终能够测量流量,以便进行诊断。

3.必须仔细选择调节二通控制阀

正确的特性(多数为EQ% 或EQM)。

正确的尺寸:控制阀在全开及设计流量下,必须能够承受设计条件下大部分的可用回路压差。

控制阀阀权度不应当降到0.25以下。

4.如果在有些回路中不能满足上述最后一个条件, 则在这些回路中安装一个局部Δp控制器, 以提高控制阀的阀权度, 降低产生噪音的危险。

5.当使用变速泵时,Δp传感器必须安置于正确的位置上,以便既降低泵送成本,又达到减小控制阀两端Δp变化的要求,在二者之间实现最佳的折衷效果。采用计算机模拟的手段, 就能很容易找到传感器的最佳位置。

结论

一套暖通空调系统是为一定的最大负荷而设计的。如果因为设计条件下系统不平衡而无法达到满负荷, 那么整个装置的总投资就得不到回报。当需要最大负荷时, 控制阀完全打开仍不能处理这种状况。确定二通控制阀的尺寸是很困难的, 计算所得的阀门一般在市场上买不到, 因此通常都会尺寸偏大。这样循环系统平衡就变得非常关键,一般来说这部分的投入小于暖通空调总投资的百分之一。

每天早晨, 经过一夜的停机回设之后, 需要调动全部的功率来尽快恢复舒适度。平衡良好的系统可以很快做到。如果启动时间可以节约30分钟的话,相对于8小时的工作时间, 每天就可以节约6%的能耗。这比所有的分配泵送成本还要多。

在变流量分配中,泵送能耗一般占制冷装置季节消耗的5%以下。而将室内温度多降低1度需要的费用是10至16%。因此,获得正确的舒适度是节约能源的最佳方式。所以, 必须采取一切旨在降低泵送能耗的措施, 使它们不会对末端装置控制回路的运行造成不利影响。

通过尽可能增加设计水温差.T以及使用最佳定位Δp传感器的变速泵, 可以降低泵送成本。在中等负荷下,稳定的调节PI控制(图1a)比开关控制所需要的流量低, 因而也可以降低泵送成本。

但最重要的是补偿泵的尺寸偏大问题。用补偿方法设置的平衡阀可显示这种尺寸偏大状况。可以发现所有的超压都位于靠近泵的平衡阀上。对泵实施修正措施之后, 此平衡阀可以重新打开。

循环平衡需要正确的工具、最新的程序和有效的测量装置。手动平衡阀显然是在设计条件下获得正确流量的最可靠、最简单的产品,而且始终能够对流量进行测量以便实施诊断。必要时还可以与压差控制器相连。