提高管網(wǎng)動(dòng)態(tài)水力穩(wěn)定性的案例研究

盛 超 龔延風(fēng)，2

1南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)與安全工程學(xué)院2江蘇省綠色建筑工程技術(shù)研究中心

提高管網(wǎng)動(dòng)態(tài)水力穩(wěn)定性的案例研究

盛 超1龔延風(fēng)1，2

1南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)與安全工程學(xué)院2江蘇省綠色建筑工程技術(shù)研究中心

本文針對(duì)現(xiàn)有空調(diào)水系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的不足，即系統(tǒng)在部分負(fù)荷下各末端設(shè)備的流量分配不均現(xiàn)象，為了提高管網(wǎng)的動(dòng)態(tài)水力穩(wěn)定性，提出了一種新的壓降比例控制法，從而得出可供空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行調(diào)節(jié)參考的結(jié)論。

變流量 管網(wǎng)特性 水力失調(diào) 管路壓降

在部分負(fù)荷條件下對(duì)空調(diào)水系統(tǒng)進(jìn)行流量調(diào)節(jié)是空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的重要措施，在空調(diào)設(shè)計(jì)中幾乎成為必選動(dòng)作。影響動(dòng)態(tài)水力穩(wěn)定性的最不利因素是各用戶調(diào)節(jié)時(shí)，管網(wǎng)之間流量的相互干擾，即調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)之間的耦合。水力穩(wěn)定性正是為了解決各用戶在進(jìn)行流量調(diào)節(jié)時(shí)的相互干擾，但是水力穩(wěn)定性的要求在傳統(tǒng)管網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)并未提出。通常空調(diào)水系統(tǒng)干管的選擇是依據(jù)推薦的比摩阻或經(jīng)濟(jì)流速，確定主干管管徑后，進(jìn)行支路的水力平衡計(jì)算。這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的管網(wǎng)的水力穩(wěn)定性如何不得而知[1]。

1 水力穩(wěn)定性分析方法

對(duì)于一個(gè)具有若干個(gè)支路的管網(wǎng)系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)工況下，各末端流量分配合理，系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。當(dāng)一個(gè)支路進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，即系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷發(fā)生變化，應(yīng)重新計(jì)算其他各支路的流量值[2]。

這里，將某一支路的新流量與設(shè)計(jì)工況流量的比值定義為這一支路的水力穩(wěn)定性系數(shù)，即：

式中：x為水力穩(wěn)定性系數(shù)；Vs為用戶的實(shí)際流量；Vg為用戶的設(shè)計(jì)流量。

可見(jiàn)，x愈接近于1，說(shuō)明相對(duì)于調(diào)節(jié)的支路，此末端支路的水力穩(wěn)定性越好；反之，則說(shuō)明相對(duì)于調(diào)節(jié)的支路，此末端支路的水力穩(wěn)定性越差。

本文運(yùn)用理論計(jì)算方法，分別得到了設(shè)計(jì)工況下系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷在100%、90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%、20%時(shí)各末端支路的流量值以及水力穩(wěn)定性系數(shù)[3]；同理，增大系統(tǒng)干管的管徑后，計(jì)算得到系統(tǒng)在部分負(fù)荷時(shí)各末端支路的流量值以及水力穩(wěn)定性系數(shù)。通過(guò)前后系統(tǒng)各末端支路穩(wěn)定性的對(duì)比和分析，得出相對(duì)地減少網(wǎng)路干管的壓降對(duì)空調(diào)水系統(tǒng)固有穩(wěn)定性的影響[4]。

2 水力穩(wěn)定性計(jì)算及研究

為了得到滿足工程實(shí)際情況的分析結(jié)果，本文選取了典型的空調(diào)系統(tǒng)作為研究對(duì)象。此系統(tǒng)為風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)，分為同程系統(tǒng)和異程系統(tǒng)。

2.1 同程系統(tǒng)

2.1.1 系統(tǒng)介紹

圖1為具有16個(gè)末端支路的同程式水系統(tǒng)管網(wǎng)示意圖，各控制回路均由平衡調(diào)節(jié)閥控制該末端回路的流量，供回水干管均接自空調(diào)立管，圖中從左到右依次為1～16號(hào)末端支路。

圖1 同程式水系統(tǒng)示意圖

本案例水系統(tǒng)管網(wǎng)采用流速法設(shè)計(jì)，主干管流速在0.5～0.7m/s左右，對(duì)應(yīng)的單位長(zhǎng)度摩擦壓力損失（比摩阻）82Pa/m。如圖1所示，PAC和PDB為供回水干管壓降，PAD和PBC段為末端用戶壓降，PAB段為系統(tǒng)總壓降。設(shè)計(jì)工況下，系統(tǒng)管路的壓降與系統(tǒng)總壓降的比值為78.4%，其中，管路壓降為(PAC+PDB)/2。

2.1.2 系統(tǒng)變負(fù)荷運(yùn)行特性

設(shè)計(jì)工況下，系統(tǒng)各末端流量值均為設(shè)計(jì)流量，依次關(guān)閉各支路，可以計(jì)算出部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)各支路的流量值以及水力穩(wěn)定性系數(shù)。見(jiàn)表1。

表1 部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)各末端支路的水力穩(wěn)定性系數(shù)

由表1可以歸納出同程系統(tǒng)變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)水力穩(wěn)定性的一些規(guī)律：

1）支路4和5，6和7，8和9，10和11，12和13是純粹的并聯(lián)關(guān)系，所以它們之間的相互影響是相同的，它們受其他支路的影響也是相同的。

2）關(guān)閉某一末端用戶，其影響范圍呈現(xiàn)由近及遠(yuǎn)的規(guī)律，即距離關(guān)閉的支路越近，其水力穩(wěn)定性越差。

3）隨著系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷的不斷降低，末端支路的水力穩(wěn)定性系數(shù)變得越來(lái)越大，系統(tǒng)的水力穩(wěn)定性越來(lái)越差。

2.1.3 提高水力穩(wěn)定的方法

結(jié)合對(duì)同程系統(tǒng)變負(fù)荷運(yùn)行特性的分析，提出了提高系統(tǒng)水力穩(wěn)定性的措施：相對(duì)地減少網(wǎng)路干管的壓降，具體做法為增大干管管徑。干管管徑改變前后的水壓圖見(jiàn)圖2。

圖2 同程系統(tǒng)干管管徑變化前后的水壓圖

改變干管管徑后，同樣依次關(guān)閉各支路，計(jì)算出部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)各支路的流量值以及水力穩(wěn)定性系數(shù)。見(jiàn)表2。

表2 干路管徑變化前后支路水力穩(wěn)定性系數(shù)

由表2可知，改變干管管徑后，系統(tǒng)各末端支路的水力穩(wěn)定性系數(shù)趨近于1，各支路的流量值與設(shè)計(jì)流量接近，說(shuō)明系統(tǒng)的水力穩(wěn)定得到了提高。同時(shí)，隨著干管管徑的增大，系統(tǒng)的水力穩(wěn)定性越來(lái)越好[5]。如圖3和圖4所示。

圖3 空調(diào)負(fù)荷70%時(shí)各末端的水力穩(wěn)定性系數(shù)

圖4 空調(diào)負(fù)荷30%時(shí)各末端的水力穩(wěn)定性系數(shù)

2.1.4 實(shí)現(xiàn)水力穩(wěn)定的管路控制指標(biāo)

本文將空調(diào)水系統(tǒng)中控制回路的壓降分布分為兩個(gè)部分：S1和S2，S1表示回路中管路壓降，而S2是空調(diào)末端的壓降。通過(guò)管路壓降和系統(tǒng)總壓降的比值y來(lái)作為水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，即：

對(duì)于同程系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)計(jì)算，管網(wǎng)干管管徑增至DN100時(shí)，管路壓降所占比例為58.78%；而管網(wǎng)干管管徑增至DN125時(shí)，管路壓降所占比例則為42.54%。通過(guò)針對(duì)同程系統(tǒng)管網(wǎng)的計(jì)算和分析，繼續(xù)放大管徑會(huì)帶來(lái)水管流速過(guò)低、管道占用空間過(guò)大等一系列問(wèn)題。故可以得出結(jié)論：對(duì)于同程系統(tǒng)，當(dāng)管路壓降和系統(tǒng)壓降的比值在0.45～0.50的區(qū)間時(shí)，系統(tǒng)中各末端的流量接近于設(shè)計(jì)流量值，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。

2.2 異程系統(tǒng)

2.2.1 系統(tǒng)介紹

圖5為具有15個(gè)末端支路的異程式水系統(tǒng)管網(wǎng)示意圖，各控制回路均由平衡調(diào)節(jié)閥控制該末端回路的流量，供回水干管均接自空調(diào)立管，圖中從左到右依次為1～15號(hào)末端支路。

本案例水系統(tǒng)管網(wǎng)采用流速法設(shè)計(jì)，主干管流速在0.5～0.8m/s左右，對(duì)應(yīng)的單位長(zhǎng)度摩擦壓力損失（比摩阻）106Pa/m。如圖5所示，PAB和PCD為供回水干管壓降，PBC段為末端用戶壓降，PAD段為系統(tǒng)總壓降。設(shè)計(jì)工況下，系統(tǒng)管路的壓降與系統(tǒng)總壓降的比值為54.24%，其中：管路壓降為PAB+PCD。

圖5 異程式水系統(tǒng)示意圖

2.2.2 系統(tǒng)變負(fù)荷運(yùn)行特性

設(shè)計(jì)工況下，系統(tǒng)各末端流量值均為設(shè)計(jì)流量，依次關(guān)閉各支路，可以計(jì)算出部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)各支路的流量值以及水力穩(wěn)定性系數(shù)。見(jiàn)表3。

表3 部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)各末端支路的水力穩(wěn)定性系數(shù)

由表3可以歸納出同程系統(tǒng)變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)水力穩(wěn)定性的一些規(guī)律：

1）支路1和2，5和6，8和9，10和11，12和13， 14和15是純粹的并聯(lián)關(guān)系，所以它們之間的相互影響是相同的，它們受其他支路的影響也是相同的。

2）關(guān)閉某一末端用戶，其影響范圍呈現(xiàn)由近及遠(yuǎn)的規(guī)律，即距離關(guān)閉的支路越近，其水力穩(wěn)定性越差。

3）隨著系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷的不斷降低，末端支路的水力穩(wěn)定性系數(shù)變大，系統(tǒng)的水力穩(wěn)定性變差。

2.2.3 提高水力穩(wěn)定的方法

和同程系統(tǒng)一樣，提高系統(tǒng)水力穩(wěn)定性的措施為：相對(duì)地減少網(wǎng)路干管的壓降，具體做法為增大干管管徑。干管管徑改變前后的水壓圖見(jiàn)圖6。

圖6 系統(tǒng)干管管徑變化前后的水壓圖

改變干管管徑后，同樣依次關(guān)閉各支路，計(jì)算出部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)各支路的流量值以及水力穩(wěn)定性系數(shù)。見(jiàn)表4。

表4 干路管徑變化前后支路水力穩(wěn)定性系數(shù)

由表4可知，干管管徑改變后，系統(tǒng)各支路的水力穩(wěn)定性系數(shù)趨近于1，說(shuō)明系統(tǒng)的水力穩(wěn)定得到了提高。同時(shí)，隨著干管管徑的增大，系統(tǒng)的水力穩(wěn)定性越來(lái)越好。如圖7和圖8所示。

圖7 空調(diào)負(fù)荷70%時(shí)各末端的水力穩(wěn)定性系數(shù)

圖8 空調(diào)負(fù)荷30%時(shí)各末端的水力穩(wěn)定性系數(shù)

2.2.4 分析小結(jié)

對(duì)于異程系統(tǒng)，增大管網(wǎng)干管管徑至DN100時(shí)，經(jīng)過(guò)計(jì)算，管路壓降所占比例為28.10%；而增大管網(wǎng)干管管徑至DN125時(shí)，管路壓降所占比例則為15.46%。

故可以得出結(jié)論：對(duì)于異程系統(tǒng)，當(dāng)管路壓降和系統(tǒng)壓降的比值在0.15～0.20的區(qū)間時(shí)，系統(tǒng)中各末端的流量接近于設(shè)計(jì)流量值，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。

3 結(jié)論

對(duì)于空調(diào)水系統(tǒng)，關(guān)閉某一末端用戶，其影響范圍呈現(xiàn)由近及遠(yuǎn)的規(guī)律，即距離關(guān)閉的支路越近，其水力穩(wěn)定性越差。隨著系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷的不斷降低，末端支路的水力穩(wěn)定性系數(shù)變得越來(lái)越大，系統(tǒng)的水力穩(wěn)定性越來(lái)越差。

通過(guò)分析計(jì)算，在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工況下，適當(dāng)增大干路管徑，當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到提高。對(duì)于同程系統(tǒng)，當(dāng)管路壓降和系統(tǒng)壓降的比值在0.45～0.50的區(qū)間時(shí)，系統(tǒng)的水力穩(wěn)定性較好，而對(duì)于異程系統(tǒng)，當(dāng)干管壓降和系統(tǒng)總壓降的比值在0.15～0.21的區(qū)間時(shí)，系統(tǒng)的水力穩(wěn)定性較好。

本文通過(guò)對(duì)實(shí)際空調(diào)系統(tǒng)案例的研究，可以為空調(diào)水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)作用。

[1] 王民.一次泵變流量空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能特性研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2006

[2] 符永正.異程系統(tǒng)和同程系統(tǒng)水力穩(wěn)定性分析和比較[D].武漢:武漢科技大學(xué),2005

[3] 朱明杰.空調(diào)冷凍水系統(tǒng)運(yùn)行控制策略[D].上海:同濟(jì)大學(xué), 2007

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[5] 秦緒忠,江億.供熱空調(diào)水系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析[J].暖通空調(diào), 2002,32(1):12-17

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Case Studies to Improve the Stability of Dynamic Hydraulic Pipe Network

SHENG Chao1,GONG Yan-feng1,2

1 College of Urban Construction and Safety Engineering,Nanjing Tech University
2 Green Building Research Center of Jiangsu Province

Aiming at the shortcomings of existing air conditioning system exists in the design process,that system at part load uneven distribution of each terminal equipment,in order to improve the stability of the dynamic hydraulic pipe network,a new drop proportional control method was proposed,to arrive at the reference design and operation of adjusting the conclusion conditioning water system available.

variable flow,network characteristics,hydraulic imbalance,pipeline pressure drop

1003-0344（2015）04-051-4

2014-3-24

盛超（1988～），男，碩士研究生；南京市鼓樓區(qū)中山北路200號(hào)南京工業(yè)大學(xué)圖書館315（210009）；E-mail:shengchao8811@163.com