基于旁通壓差控制的冷凍水管網(wǎng)穩(wěn)定性研究

黃 慶，孫 攀，謝 晴，謝軍龍

（華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

基于旁通壓差控制的冷凍水管網(wǎng)穩(wěn)定性研究

黃 慶，孫 攀，謝 晴，謝軍龍

（華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

建立了異程式與同程式布置的旁通壓差控制冷凍水系統(tǒng)仿真模型。采用關(guān)閉某一支路，計算其它支路水力失調(diào)度的方法，分析了末端采用通斷調(diào)節(jié)時，系統(tǒng)水力穩(wěn)定性隨壓差監(jiān)測點位置的變化規(guī)律。結(jié)果表明：壓差監(jiān)測點位置離冷源越遠，系統(tǒng)整體的水力穩(wěn)定性越差；用戶支路距離壓差監(jiān)測點越近，其穩(wěn)定性越好，同時干擾性越強；旁通壓差控制的壓差監(jiān)測點宜設(shè)置在旁通管兩端。在冷源側(cè)采用溫差控制水泵變頻調(diào)節(jié)后，管網(wǎng)的水力穩(wěn)定性明顯提升。

異程； 同程； 旁通壓差控制； 水力穩(wěn)定性； 壓差監(jiān)測點； 溫差控制

0 引言

在集中空調(diào)冷凍水系統(tǒng)中，用戶通常需要調(diào)節(jié)流量以滿足舒適性和節(jié)能的需求。因為系統(tǒng)的流量分布取決于管網(wǎng)的阻抗分布，某一用戶支路流量的主動調(diào)節(jié)勢必引起其他用戶流量變化，這不僅影響了室內(nèi)的溫濕度環(huán)境，還造成能源浪費。雖然運用先進的控制手段可以基本消除此類調(diào)節(jié)干擾，但卻增加了初投資。因此合理設(shè)計管網(wǎng)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，減小各支路間的調(diào)節(jié)干擾，并輔助自動調(diào)節(jié)設(shè)備是最經(jīng)濟有效的方法。對于管網(wǎng)穩(wěn)定性的研究，秦緒忠，江億[1]提出水力穩(wěn)定性的定性評價指標(biāo)，并分析比較了一次泵同/異程系統(tǒng)、分散式動力系統(tǒng)、環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。符永正等人[2-3]用流量偏離系數(shù)全面分析同程、異程與壓差變頻控制的管網(wǎng)穩(wěn)定性。關(guān)于旁通控制的研究，張再鵬等人[4]推導(dǎo)不同旁通控制法旁通流量的計算公式；劉金平[5]研究了旁通閥的工作特性，將其劃分為欠壓區(qū)、定壓區(qū)與超壓區(qū)。關(guān)于溫差控制的研究，李蘇瓏[6]和陳峰[7]提出溫差控制法適用于末端不設(shè)調(diào)節(jié)閥、負荷分布均勻且變化規(guī)律相近的場合，否則易造成水力失調(diào)；Xinqiao Jin等人[8]提出應(yīng)同時優(yōu)化冷凍水供回水溫差設(shè)定值與二次泵揚程以使系統(tǒng)能耗最低。Xuefeng Liu等人[9]研究了供回水溫差隨水泵頻率的變化規(guī)律。在上述研究水力穩(wěn)定性的文章中，均忽略了旁通回路的調(diào)節(jié)作用，對于一次泵變流量系統(tǒng)，部分負荷下壓差控制點設(shè)置于最不利末端比干管位置更為節(jié)能已成為共識，但對于采用旁通壓差控制的一次泵定流量系統(tǒng)，壓差監(jiān)測點對于系統(tǒng)穩(wěn)定性與節(jié)能運行的影響卻知之甚少，且鮮有對溫差控制變流量系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究。

針對上述問題，首先建立了異程式與同程式一次泵冷凍水管網(wǎng)計算模型，模型采用旁通定壓差控制，采用關(guān)閉某一支路，計算其它支路水力失調(diào)度的方法，分析了壓差監(jiān)測點位置對管網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，為壓差監(jiān)測點位置的選取提供理論指導(dǎo)。由于旁通壓差控制冷源側(cè)實際上仍是定流量運行，不利于水泵節(jié)能運行，故引入溫差控制水泵變頻調(diào)節(jié)，并研究其水力穩(wěn)定性。

1 旁通壓差控制管網(wǎng)水力特性

1.1 冷凍水管網(wǎng)布置形式

冷凍水管網(wǎng)主要有同程布置和異程布置形式，如圖1所示，每個用戶支路均包括AHU，通斷二通閥Vn，靜態(tài)調(diào)節(jié)閥VJn及連接管道等元件。

圖1 冷凍水管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 Topological structure of chilled water pipe network

1.2 基本計算條件

冷凍水系統(tǒng)仿真模型由10個支路組成，為簡化分析，假設(shè)每個用戶的設(shè)計流量相同且均為12 m3/h。管道的絕對粗糙度K取0.3 mm，用戶與旁通支路管徑統(tǒng)一為0.05 m，管長為5 m，供回水干管管徑標(biāo)識于圖1中，管長除回水同程管長50 m，其余均取10m。管網(wǎng)中主要設(shè)備見表1。

表1 冷凍水系統(tǒng)設(shè)備列表Tab.1 Parameters of equipment for chiller water system

風(fēng)機盤管額定流量12 m3/h，制冷量70 kW，壓降66 kPa阻抗S=458.3 Pa/（m3/h）2

1.3 水力失調(diào)

對于一個具有若干支路的冷凍水管網(wǎng)，設(shè)計工況確定后，當(dāng)某一支路流量主動調(diào)節(jié)，其余支路將發(fā)生不同程度的水力失調(diào)，并導(dǎo)致系統(tǒng)流量分配不合理：有些用戶出現(xiàn)過流量現(xiàn)象，表現(xiàn)為空調(diào)區(qū)過冷；而有些用戶出現(xiàn)欠流量現(xiàn)象，表現(xiàn)為空調(diào)區(qū)過熱。為此必須提高系統(tǒng)的水力穩(wěn)定性減輕由于調(diào)節(jié)干擾造成的水力失調(diào)，以滿足用戶的舒適性需求。

水力失調(diào)程度可用實際流量與設(shè)計流量的偏差與設(shè)計流量的比值X衡量：

式中 X—水力失調(diào)度；

Qs—實際流量，m3/h；Qd—設(shè)計流量，m3/h。

顯然X愈接近0，該支路的水力穩(wěn)定性越好，反之，穩(wěn)定性越差。將以水力失調(diào)度指標(biāo)進行穩(wěn)定性的對比和分析。

2 模擬分析

2.1 假設(shè)條件

（1）用戶支路的AHU均采用雙位電動閥通斷控制。

（2）支路距冷源由遠至近分別編號為Z1，Z2，…，Z10，ZPT。

（3）調(diào)整各支路靜態(tài)平衡閥VJn，使各末端通斷控制閥門全開時各用戶的流量均等于設(shè)計流量。

（4）用戶支路二通閥在全開時的阻抗為常數(shù)，設(shè)備及管道阻抗為常數(shù)。

（5）用戶支路AHU冷負荷恒為70kW。

2.2 模擬結(jié)果分析

以設(shè)計工況下某支路壓降作為壓差監(jiān)測點設(shè)置于該支路兩端時的壓差設(shè)定值，研究壓差信號監(jiān)測點位置變化對管網(wǎng)水力穩(wěn)定性的影響。將壓差監(jiān)測點分別設(shè)置于支路Z1、Z5、和ZPT兩端，均依次關(guān)閉各用戶支路通斷二通閥V1至V10，觀察其余支路的流量分配情況。

2.2.1 異程式管網(wǎng)壓差信號監(jiān)測點的優(yōu)化

圖2-圖4分別為異程式管網(wǎng)壓差信號監(jiān)測點設(shè)置于Z1，Z5，ZPT兩端時，關(guān)閉某一支路Zn，其余支路的流量分配結(jié)果。

圖2 異程式壓差監(jiān)測點位于Z1兩端時的流量分配Fig.2 The flow distribution of the differential pressure controlling point located at the end of Z1 for direct return network

如圖2所示，壓差監(jiān)測點設(shè)置于Z1兩端，關(guān)閉任意支路Zn，Zn下游用戶（Z1-Zn-1）的資用壓頭不變，表現(xiàn)為其下游支路水力失調(diào)度均為0；而Zn上游用戶實際流量均小于設(shè)計流量，且距Z1越遠，欠流量現(xiàn)象越明顯；主動關(guān)閉支路Zn距壓差監(jiān)測點越近，其余支路的水力失調(diào)現(xiàn)象越嚴(yán)重。如關(guān)閉Z1時，Z10的水力失調(diào)度達到25%，嚴(yán)重影響空調(diào)區(qū)的舒適性。

圖3 異程式壓差監(jiān)測點位于Z5兩端時的流量分配Fig.3 The flow distribution of the differential pressurecontrolling point located at the end of Z5 for direct return network

如圖3所示，壓差監(jiān)測點設(shè)置于Z5兩端，關(guān)閉Zn（n＜5），所有末端均出現(xiàn)水力失調(diào)。Z5上游的用戶欠流量，而Z5下游的用戶過流量，其中Zn下游的用戶過流率相同；關(guān)閉Zn（n≥5），Zn下游各支路資用壓差不變，水力失調(diào)度為0，Zn上游各支路欠流量，各末端水力失調(diào)不一致；距Z5越遠的支路，同一工況下的水力失調(diào)越嚴(yán)重。

如圖4所示，壓差監(jiān)測點設(shè)置于ZPT兩端，關(guān)閉Zn，其余末端均發(fā)生過流量現(xiàn)象，其中Zn下游的支路過流率相等，Zn上游的支路過流率由遠至近（距冷源）依次減??；主動關(guān)閉支路Zn越遠，其余支路的過流率相對越大。

圖4 異程式壓差監(jiān)測點位于ZPT兩端時的流量分配Fig.4 The flow distribution of the differential pressure controlling point located at the end of ZPT for direct return network

為深入探究壓差信號監(jiān)測點位置對異程式管網(wǎng)水力穩(wěn)定性的影響，將監(jiān)測點分別設(shè)置在支路Z1、Z3、Z5、Z7、Z9、ZPT兩端，依次關(guān)閉支路Z1-Z10，觀察90%用戶率下旁通回路與水泵的流量變化特性。如圖5、圖6所示，旁通流量與水泵流量同步變化。壓差監(jiān)測點設(shè)置在支路Zi兩端，Zi越遠（距冷源，下同），旁通與水泵流量越大，意味著水泵能耗浪費嚴(yán)重；由遠至近關(guān)閉支路Zj，旁通與水泵流量均先增大后減小，在i=j時達到最大；當(dāng)壓差監(jiān)測點設(shè)置在旁通管兩端時，旁通回流量最小，水泵始終定流量運行，即壓差監(jiān)測點設(shè)置在旁通管兩端時，在旁通回路水力可調(diào)的情況下，即使負荷側(cè)的阻抗改變，旁通閥的調(diào)節(jié)作用仍維持管網(wǎng)的總阻抗恒定。從水力穩(wěn)定性角度，因為靠近壓差監(jiān)測點位置的用戶，其資用壓差相對穩(wěn)定，所以用戶以壓差監(jiān)測點為分界向兩側(cè)由遠至近穩(wěn)定性逐漸變好，但其干擾性逐漸增強[1]，即靠近壓差監(jiān)測點的支路其閥位變化對其他支路流量影響較大。因此盡量將壓差監(jiān)測點設(shè)置于閥位不頻繁變動的用戶兩端。以壓差監(jiān)測點設(shè)置在Z1兩端為例，關(guān)閉Z1，該工況下，系統(tǒng)水力失調(diào)嚴(yán)重，旁通回流達到59m3/h，多支路水力失調(diào)度＞15%，嚴(yán)重影響室內(nèi)舒適度。究其原因，此時Z1兩端壓差為7.36mH2O，旁通閥失控。因此，對于采用旁通定壓差控制的異程式系統(tǒng)，綜合考慮節(jié)能及水力穩(wěn)定性，宜將壓差監(jiān)測點設(shè)置于旁通管兩端。

圖5 異程式管網(wǎng)90%用戶率下水泵流量的變化特性Fig.5 Flow rate variation characteristics of pump under 90%user rate of direct return network

圖6 異程式管網(wǎng)90%用戶率下旁通流量的變化特性Fig.6 Flow rate variation characteristics of bypass pipeunder 90%user rate of direct return network

2.2.2 同程式管網(wǎng)壓差信號監(jiān)測點的優(yōu)化

圖7-圖9分別為同程式管網(wǎng)壓差信號監(jiān)測點設(shè)置于Z1，Z5，ZPT兩端時，關(guān)閉某一支路Zn，其余支路的流量分配結(jié)果。

如圖7所示，壓差監(jiān)測點設(shè)置于Z1兩端時，對于某一被動支路Zi，關(guān)閉其上游支路對其流量的影響幾近相同，表現(xiàn)為包絡(luò)線AB上匯交的一點；而關(guān)閉其下游支路對其流量的影響差異較大，且主動關(guān)閉支路越靠近壓差監(jiān)測點Z1，其關(guān)閉造成Zi分配到的流量越少。例如對支路Z5，依次關(guān)閉Z1-Z4，Z5的欠流率由9%降至1%左右，而關(guān)閉Z6-Z10對支路Z5影響幾乎相同。關(guān)閉某一支路Zn，其余支路的流量將以Zn為分界向兩側(cè)由近至遠逐漸降低。

圖7 同程式壓差監(jiān)測點位于Z1兩端時的流量分配Fig.7 The flow distribution of the differential pressure controlling point located at the end of Z1 for reverse return network

如圖8所示，當(dāng)壓差監(jiān)測點設(shè)置于Z5兩端時管網(wǎng)的流量分配呈現(xiàn)明顯的對稱性，這是由同程式管網(wǎng)對稱的拓撲結(jié)構(gòu)導(dǎo)致。以Z5為分界，關(guān)閉某一支路Zn（i≠5），同側(cè)的支路過流量，且過流率以Zn為分界向兩側(cè)減??；異側(cè)的支路欠流量，且欠流率由近至遠（距Z5）增大。關(guān)閉Z5，其余支路均發(fā)生欠流量，且欠流率以Z5為分界向兩側(cè)增大。

如圖9所示，當(dāng)壓差監(jiān)測點設(shè)置于ZPT兩端時，管網(wǎng)的流量分配同樣呈現(xiàn)對稱性。關(guān)閉任一支路，其余支路僅發(fā)生過流量現(xiàn)象，且過流率以主動關(guān)閉支路Zn為分界向兩側(cè)減小。

圖8 同程式壓差監(jiān)測點位于Z5兩端時的流量分配Fig.8 The flow distribution of the differential pressure controlling point located at the end of Z5 for reverse return network

圖9 同程式壓差監(jiān)測點位于ZPT兩端時的流量分配Fig.9 The flow distribution of the differential pressure controlling point located at the end of ZPTfor reverse return network

為深入探究壓差信號監(jiān)測點位置對同程式管網(wǎng)水力穩(wěn)定性的影響，將監(jiān)測點分別設(shè)置在支路Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、ZPT兩端，依次關(guān)閉支路Z1-Z10，觀察90%用戶率下旁通回路與水泵的流量變化特性。如圖10、圖11所示，與異程式管網(wǎng)類似，同程式管網(wǎng)旁通流量與水泵流量同步變化，且流量變化規(guī)律類似。同樣，對于采用旁通定壓差控制的同程式系統(tǒng)，宜將壓差監(jiān)測點設(shè)置于旁通管兩端。

圖10 同程式管網(wǎng)90%用戶率下水泵流量的變化特性Fig.10 Flow rate variation characteristics of pump under 90%user rate of reverse return network

圖11 同程式管網(wǎng)90%用戶率下旁通流量的變化特性Fig.11 Flow rate variation characteristics of bypass pipe under 90%user rate of reverse return network

2.2.3 溫差控制水力穩(wěn)定性研究

旁通定壓差控制雖然在負荷側(cè)是變流量運行，但由于旁通回路的調(diào)節(jié)作用，冷源側(cè)實際仍是定流量運行，并且導(dǎo)致“大流量小溫差”，冷水機組效率降低，不利于系統(tǒng)的節(jié)能運行。而在實際應(yīng)用中壓差旁通法通常與供回水溫差控制結(jié)合作為變流量控制方法。下面將根據(jù)供回水溫差信號控制水泵變頻，同時考慮旁通回路的調(diào)節(jié)作用，壓差監(jiān)測點設(shè)置于旁通管兩側(cè)，分析在90%用戶使用率下，用戶的流量分配情況。

圖12 異程式溫差控制管網(wǎng)流量分配Fig.12 The flow distribution of temperature differential control for direct return network

圖13 同程式溫差控制管網(wǎng)流量分配Fig.13 The flow distribution of temperature differential control for reverse return network

水泵采用供回水溫差控制調(diào)節(jié)變頻后，如圖12、圖13所示，用戶側(cè)均出現(xiàn)不同程度的水力失調(diào)現(xiàn)象，這是因為系統(tǒng)處于旁通回路欠壓區(qū)[6]，部分用戶資用壓差下降。對比圖4、圖9，系統(tǒng)的最大水力失調(diào)度都有所下降，對于異程式管網(wǎng)，由20%下降至15%以下，對于同程式管網(wǎng)，由10%下降至8%以下。由此可知，水泵采用溫差控制調(diào)節(jié)變頻后，管網(wǎng)的水力穩(wěn)定性相對于冷源側(cè)定流量運行的旁通定壓差控制系統(tǒng)水力穩(wěn)定性有所提升。因為管網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)未改變，所以各支路水力穩(wěn)定性的相對大小并未改變。

3 結(jié)論

基于旁通定壓差控制的末端設(shè)置通斷調(diào)節(jié)閥的一次泵系統(tǒng)，壓差監(jiān)測點的位置對于系統(tǒng)的節(jié)能穩(wěn)定運行有重要影響。當(dāng)壓差監(jiān)測點設(shè)置于用戶支路兩端，90%用戶率下，冷源側(cè)非定流量運行，且壓差監(jiān)測點距離冷源越遠，旁通回流與水泵流量越大，意味著水泵能耗的浪費。而將壓差監(jiān)測點設(shè)置于旁通管兩側(cè)，雖然用戶側(cè)阻抗變化，但是旁通閥開度調(diào)節(jié)使得系統(tǒng)總阻抗不變，冷源側(cè)定流量運行，所以將壓差監(jiān)測點設(shè)置于旁通管兩側(cè)，更有利于系統(tǒng)的節(jié)能穩(wěn)定運行。

當(dāng)壓差監(jiān)測點設(shè)置于Zn兩端，Zn流量調(diào)節(jié)對于其他支路影響最大，應(yīng)盡量避免將定壓點設(shè)置于流量需要經(jīng)常調(diào)節(jié)的支路上。從水力穩(wěn)定性角度，距離壓差監(jiān)測點越近的用戶穩(wěn)定性越好，干擾性越強。

當(dāng)冷源側(cè)引入溫差控制水泵變頻流量調(diào)節(jié)手段，相對于旁通定壓差控制，系統(tǒng)的水力穩(wěn)定性明顯提升。

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Study on Hydraulic Stability of Chilled Water System Based on Bypass Differential Pressure Control

HUANG Qing， SUN Pan， XIE Qing， XIE Junlong
（School of Energy and Power Engineering of Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China）

A direct return and reversed return chilled water system simulation network with bypass differential pressure control is established.By the method that shutting certain subcircuit,and computing hydraulic imbalance degree of other subcircuits,then the influence of the position of the differential pressure signal on the hydraulic stability of the system with on-off valves at the terminal is analyzed.The result indicates that the farther away from the cold source,the worse the hydraulic stability of the system is as a whole,the closer the subcircuit to the position of pressure difference feedback signal,the better the stability,while the stronger the interference of the subcircuit is.So it’s best to use the bypass loop as the signal taking position.When the pump frequency adjustment based on the temperature difference control is applied in the cold source side,the hydraulic stability of the pipe network significantly improved.

directreturn; reversed return; bypass pressure difference control; hydraulic stability; position of differential pressure signal; temperature difference control

TU831

B

2095-3429（2017）05-0078-07

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.05.019

2017-09-04

黃慶（1992-），男，安徽合肥人，碩士研究生，主要研究空