太陽能集熱場閥堵故障對水力熱力性能影響研究

摘 要：針對閥門卡堵故障對太陽能集熱場性能影響進行探討，通過搭建太陽能集熱場閥堵故障實驗系統(tǒng)獲得閥堵程度與局部阻力系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系[ξ=0.0531K1.7351]，建立集熱場閥堵故障性能仿真模型分析閥堵故障對集熱場水力熱力影響規(guī)律，并提出閥堵故障對集熱場水力熱力性能綜合影響評價指標[ECP]。研究結(jié)果表明，閥門卡堵故障會導致太陽能集熱場壓力不平衡率顯著增加；當卡堵程度超過50%后，供暖期集熱量衰減更加明顯，同時易出現(xiàn)系統(tǒng)過熱問題。此外，在相同的集熱面積和故障程度下，集熱場支路數(shù)量越少，其綜合性能影響越嚴重。

關(guān)鍵詞：太陽能集熱器；集熱量；熱力性能；水力性能；閥門卡堵故障

中圖分類號：TK512 " " " " " " 文獻標志碼：A

0 引 言

建筑領(lǐng)域的碳排放占總排放的42%，而建筑運行能耗占總能耗的23%，因此建筑領(lǐng)域的節(jié)能減碳是實現(xiàn)2030碳達峰、2060碳中和目標的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。以太陽能供熱為核心的零碳供暖技術(shù)體系是在太陽能資源豐富地區(qū)實現(xiàn)雙碳目標的必經(jīng)之路［1］。太陽能集熱場作為太陽能供熱系統(tǒng)的核心，其性能的優(yōu)劣直接決定了整個系統(tǒng)的運行效果，其與多個因素密切相關(guān)，包括當?shù)靥栞椪斩?、集熱場連接形式、系統(tǒng)運行流量及阻力特征等，其中運行流量的分配與閥門工作狀態(tài)密切相關(guān)［2］。然而，在實際工程應用中，由雜質(zhì)混入［3］、高壓高溫工況閥芯卡滯［4］等因素引起的閥門卡堵故障頻繁發(fā)生，使得系統(tǒng)運行流量及閥門局部阻力系數(shù)出現(xiàn)變化，輕則影響太陽能集熱系統(tǒng)工質(zhì)的流速及分布，導致系統(tǒng)水力熱力性能下降，重則導致系統(tǒng)癱瘓［5-6］。

目前國內(nèi)外眾多學者對太陽能集熱系統(tǒng)進行了多方面的深入研究，但大多集中在集熱場性能優(yōu)化方面［7-8］。Furbo等［9］提出不同的熱水流量、集熱器連接方式以及安裝方式都會影響集熱系統(tǒng)的熱性能；喻勇等［10］通過動態(tài)模擬仿真分析了不同流量對太陽能集熱系統(tǒng)集熱量、水泵電耗的影響。另外，針對閥門自身故障研究也較為成熟，黃愛芹等［11］對調(diào)節(jié)閥前法蘭泄漏、后法蘭泄漏、閥蓋泄漏和卡堵４類故障進行了模擬試驗；劉志龍等［12］針對核級閘閥卡滯故障，提出一種基于運行過程變量特征分析的閘閥故障診斷方法。但仍缺乏太陽能集熱場中相關(guān)閥門故障特性及故障影響相關(guān)研究。

基于此，本文針對閥門卡堵后運行流量變化以及閥門局部阻力系數(shù)變化引起的集熱場性能影響進行探討，搭建太陽能集熱場閥門卡堵故障實驗系統(tǒng)及仿真模型，通過實驗測試得到閥門局部阻力系數(shù)隨卡堵程度的一般變化規(guī)律，并通過性能實驗對模型進行驗證，得到在集熱面積一定時，不同集熱器布置方式、不同閥門卡堵故障支路數(shù)以及不同閥門卡堵程度對集熱場水力熱力性能的影響規(guī)律。以期為后續(xù)太陽能集熱系統(tǒng)的故障檢測與診斷從數(shù)據(jù)方面提供依據(jù)。

1 理論分析

1.1 集熱場閥門卡堵故障的運行流量分配機制

閘閥作為太陽能集熱場中最常用的閥門，其卡堵最直接的表現(xiàn)為流通面積變小，即開度的變化。忽略二次效應及假定工質(zhì)性質(zhì)恒定條件下，閘閥開度與流量理論上呈線性流量特性，如式（1）所示［13］。

[Q/Qmax=（R-1）τ/R+1/R] （1）

式中：[Q]——流過閥門的流量大小，kg/h；[Qmax]——閥門流量的最大值，kg/h；[R]——流量大小調(diào)節(jié)比，[R=QmaxQmin]；[τ]——閥門開度大小。

1.2 集熱場閥門卡堵故障的阻力特性評價指標

壓力不平衡率是用來描述水力系統(tǒng)中因閥門、管道等元件引起的局部阻力不平衡程度的指標。以最不利支路壓力損失為基準，其余支路壓力不平衡率通過式（2）計算得出。

[Δp=Δpi-Δp0Δpi×100%] （2）

式中：[Δp]——壓力不平衡率，%；[Δpi]——最不利支路壓力損失，kPa；[Δp0]——最小支路壓力損失，kPa。

集熱場支路總壓力損失包括集熱器壓力損失、管道沿程壓力損失、系統(tǒng)局部壓力損失，即：

[Δp=Δpl+Δpj+Δpc] （3）

式中：[Δpl]——管道沿程壓力損失，kPa；[Δpj]——系統(tǒng)局部壓力損失，kPa；[Δpc]——集熱器壓力損失，kPa。

由某平板型太陽能集熱器檢測報告可知，集熱器壓力損失與工質(zhì)質(zhì)量流量的關(guān)系為：

[Δpc=-1.4148+1.2819exp（m0.0413）10] （4）

式中：[m]——工質(zhì)質(zhì)量流量，kg/s。

管道沿程壓力損失是管壁粗糙度和流體黏滯性共同作用造成的，可表示為：

[Δpl=λlDh×ρv22] （5）

式中：[λ]——沿程阻力系數(shù)；[l]——管道長度，m；[Dh]——管道水力直徑，m；[ρ]——流體密度，kg/m3；[v]——流體流速，m/s。

局部壓力損失是流體流經(jīng)局部構(gòu)件時，由于流速分布和流動方向迅速改變造成的，可表示為：

[Δpj=ξρv22] （6）

式中：[ξ]——局部阻力系數(shù)。

閥門局部阻力系數(shù)與開度及管徑密切相關(guān)［14］。目前閥門局部阻力系數(shù)的獲取方法主要有實驗方法、經(jīng)驗公式及數(shù)值模擬3種：

1）實驗方法：采用流量測量法或差壓法等獲得閥門局部阻力系數(shù)。

2）經(jīng)驗公式：基于實驗數(shù)據(jù)，建立經(jīng)驗公式用于閥門局部阻力系數(shù)的計算。

3）數(shù)值模擬：采用CFD等數(shù)值分析工具，通過數(shù)值方法求解流體在閥門中的運動和物理規(guī)律，獲得閥門局部阻力系數(shù)。

實驗方法通過對流體進行精確的流量或壓力測量，具有較高的準確性；通過經(jīng)驗公式可得任意開度下的局部阻力系數(shù)，而閘閥局部阻力系數(shù)與相對開度的數(shù)學模型為[ξ=ab1kkc]［14］。故本研究可采用實驗方法和經(jīng)驗公式相結(jié)合的研究方法得到閥堵程度與其局部阻力系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，用于后續(xù)閥堵故障對集熱場阻力性能影響中的局部阻力部分計算。

1.3 集熱場閥門卡堵故障的熱力性能評價指標

有效集熱量是評價集熱場熱力性能的主要指標。太陽能集熱場瞬時集熱量可表示為［15］：

[qsolar（t）=AC{IT（t）FR（τα）-FR[ULTS（t-1）-Ta（t-1）]}+1000]

（7）

式中：[Ta]——環(huán)境溫度，℃；[AC]——集熱器面積，m2；[+]——只有集熱量為正時，熱量才會傳遞給水箱；[IT]——入射到集熱器傾斜表面的太陽輻照度，W/m2；[FR（τα）]——集熱器性能系數(shù)；[UL]——集熱器熱損失系數(shù)，W/m2。

1.4 集熱場綜合性能評價指標

為綜合評價閥門卡堵故障對集熱場水力熱力性能的影響程度，提出集熱場綜合性能評價指標[ECP]定義式。[ECP]越大，閥門卡堵故障對集熱場性能影響程度越大，集熱場綜合性能越差。

[ECP=aΔP+bη] （8）

式中：[a、b]——壓力不平衡率、集熱效率的權(quán)重，系統(tǒng)效率和安全穩(wěn)定性同等重要，故取[a=0.5、b=0.5]；[ΔP]——歸一化壓力不平衡率，[ΔP=（ΔP-ΔPmin）]/[（ΔPmax-ΔPmin）]；[η]——歸一化集熱效率，集熱效率越小，故障對集熱場熱力性能影響越大，[η=-（η-ηmin）（ηmax-ηmin）]。

2 閥堵局部阻力系數(shù)測試實驗研究

2.1 實驗系統(tǒng)與方法

為研究太陽能集熱場閥門卡堵后局部阻力系數(shù)的變化規(guī)律以及閥門卡堵故障對集熱場水力熱力性能的影響，搭建如圖1所示的實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由平板太陽能集熱器、散熱器、蓄熱水箱和循環(huán)泵等部分組成，利用鍍鋅鋼管將各部件連接，其干管管徑DN40，支管管徑DN25。將水作為集熱工質(zhì)，設(shè)定總循環(huán)流量1 m3/h［16］；集熱器正南向放置，傾角45°。在集熱狀態(tài)時，工質(zhì)首先在集熱器上被加熱，經(jīng)板式換熱器加熱蓄熱水箱中的水后通過末端設(shè)備散熱器被冷卻，最后循環(huán)泵再將蓄熱水箱中的水經(jīng)板式換熱器送入集熱器完成循環(huán)。

2.2 實驗測試條件設(shè)置

集熱場由12塊平板集熱器（每塊集熱器的有效集熱面積1.857 m2）組成，其中每6塊集熱器并聯(lián)為一組，兩組集熱器同程式布置?？紤]復現(xiàn)故障的可實現(xiàn)性，采取轉(zhuǎn)動手輪調(diào)節(jié)開度的方法以模擬相應的閥門卡堵程度。實驗測試條件設(shè)置如表1所示。

2.3 實驗結(jié)果與分析

由實驗測得的5種閥門卡堵程度下閥前閥后的壓力變化，計算得到其閥門局部阻力系數(shù)。通過擬合可知，DN40閥門局部阻力系數(shù)[ξ]隨閘閥開度[k]變化的最佳數(shù)學模型為：[ξ=][21.5450×0.24781/kk-5.0658]。根據(jù)該模型得到正常工況及4種故障工況（20%、40%、60%、80%）下的閥門局部阻力系數(shù)，并重新擬合，得到其最佳擬合函數(shù)形式，如圖2所示，閥門卡堵程度[K]與局部阻力系數(shù)[ξ]之間的函數(shù)關(guān)系式為：[ξ=0.0531K1.7351]。

3 集熱場閥堵故障性能模擬研究

由于太陽輻射波動及閥門實際開度精準控制等原因，無法通過實驗方法復現(xiàn)氣象參數(shù)一定時不同卡堵程度的故障場景，以及無法通過仿真模擬得到出口閥門卡堵的復雜的“雙向”影響過程。因此搭建太陽能集熱場進口閥門卡堵性能仿真模型，用于分析對比不同集熱器布置方式下，不同進口閥門卡堵數(shù)量、卡堵程度對系統(tǒng)運行性能影響規(guī)律。

3.1 集熱場閥門卡堵性能仿真模型

本研究通過Matlab2015b建立集熱場阻力模型，通過TRNSYS18建立太陽能集熱系統(tǒng)模型，圖3為太陽能集熱場閥門卡堵故障仿真系統(tǒng)原理圖。

3.2 模型驗證

根據(jù)表1中測試條件1～3的設(shè)置情況連續(xù)3天對太陽能集熱系統(tǒng)運行工況進行測試。由于受太陽輻射、溫度波動等限制，本文選取測試條件1、3（氣象參數(shù)基本相同）11：00—15：00的系統(tǒng)運行參數(shù)數(shù)據(jù)進行性能影響分析。將實測氣象數(shù)據(jù)通過外部輸入文件導入仿真模型，設(shè)置與實驗相同的流量運行得到模擬結(jié)果，并與實驗結(jié)果進行對比。由圖4可知，模擬結(jié)果與實測結(jié)果具有較高一致性，且平均相對誤差在3%以內(nèi)，故該模型可反映集熱系統(tǒng)的運行變化特性。

3.3 模擬工況設(shè)置

為獲取閥門卡堵故障對系統(tǒng)運行性能影響規(guī)律，對西安整個供暖期（11月15日—次年3月15日）進行動態(tài)模擬。集熱場總進口流量500 kg/h［17］。進一步探究集熱器面積一定時，閥門卡堵故障在不同集熱器布置方式、不同卡堵程度、不同卡堵支路數(shù)等影響因素下對集熱場水力熱力性能的影響，模擬工況設(shè)置如表2所示。

3.4 模擬結(jié)果與分析

3.4.1 不同卡堵程度對集熱場水力熱力性能的影響

不同卡堵程度對集熱場性能的影響如圖5所示（以2組×12塊集熱器布置方式、單支路故障為例）。由圖5a可看出，當單支路發(fā)生閥門卡堵故障時，故障支路流量隨故障程度的增加而減小，由于系統(tǒng)總流量一定，故其余正常支路隨之增大；各支路間阻力不平衡程度隨故障程度逐漸加重，進而導致熱水循環(huán)受阻，熱損將持續(xù)增大，其中閥門卡堵故障程度較小時其壓力不平衡率增長趨勢更明顯。由圖5b可看出，供暖期有效集熱量隨閥門卡堵的故障程度而有所衰減，在卡堵程度大于50%后較為明顯，同時其故障支路集熱器出口溫度將逐漸升高，易出現(xiàn)系統(tǒng)過熱的情況，造成工質(zhì)蒸發(fā)，降低集熱場運行安全可靠性。這是由于閘閥卡堵限制流體流動，從而降低了熱量傳遞效率。

3.4.2 不同故障支路數(shù)目對集熱場水力熱力性能的影響

不同卡堵故障支路數(shù)量對集熱場性能的影響如圖6所示（以4組×6塊集熱器布置方式、50%閥門卡堵程度為例）。由圖6a可看出，除正常情況及4個支路閥門均故障外，其余情況阻力最不利不平衡率隨故障支路數(shù)量的增加呈增長趨勢。這是由于閥門卡堵程度一定，其局部阻力及所在支路流量均一致，但正常支路流量增長程度隨故障支路數(shù)的增大而增大，其支路阻力也隨之增大。由圖6b可看出，供暖期有效集熱量隨故障支路數(shù)量的增加呈先增大后減小的趨勢。集熱場推薦單位面積流量0.009～0.012 m3/（h·m2）［17］，故該系統(tǒng)初始流量設(shè)置為500 kg/h，但從集熱量衰減趨勢來看，初始流量并不是該規(guī)模集熱場的最優(yōu)運行流量。

3.4.3 不同集熱器布置方式下故障對集熱場水力熱力性能的影響

不同集熱器布置方式下閥門卡堵故障對集熱場性能的影響如圖7所示（以單支路故障、50%閥門卡堵程度為例）。由圖7a可看出，4組×6塊集熱器布置方式阻力不平衡程度較優(yōu)于其他布置方式。這是因為其各支路初始流量小于其余布置方式，同時集熱場內(nèi)正常支路數(shù)量也多于其余布置方式。因此，單一支路閥門故障后其運行流量及支路總阻力下降幅度均較低。由圖7b可看出，集熱場布置形式中組數(shù)越多，故障影響越小。4組×6塊集熱器布置方式下，故障供暖期集熱量較正常情況下衰減幅度最小，這是因為集熱場支路數(shù)多，其余正常支路流量增幅較小，故總體影響較小。但此時故障支路集熱器出口溫度在所有布置方式中最大（高達83.4 ℃），這也意味著系統(tǒng)處于高過熱損害風險中。這是由于4組×6塊集熱器布置方式較其他布置方式分配熱量更均勻，導致出口溫度其較高。而故障情況下流量更小，故其故障支路集熱器出口溫度更高。

3.4.4 集熱場故障閥門定位

在工程實際中，通常只在集熱場進出口點設(shè)置流量、溫度等監(jiān)測設(shè)備，僅通過總管路實時流量、溫度無法實現(xiàn)閘閥卡堵故障辨識。進一步探究通過集熱場進出口溫度、運行流量等直接監(jiān)測參數(shù)及集熱量、壓力不平衡率等間接參數(shù)相結(jié)合的方式實現(xiàn)集熱場閘閥卡堵故障初步識別，為系統(tǒng)是否需要停機維修甚至閥門更換提供依據(jù)。

對于集熱場閥門故障的初步識別，以集熱場同程式布置（3組×8塊）為例，分析獲得該系統(tǒng)故障運行情況下的關(guān)鍵參數(shù)波動范圍，如表3所示。集熱場所有支路進口閥門均故障情況下，可通過總管路流量數(shù)據(jù)變化判斷閘閥卡堵故障是否發(fā)生；而對于單一支路故障或兩個支路同時故障，還需結(jié)合集熱場進出口溫差、壓力不平衡率、集熱量等參數(shù)進行閾值分析確定故障支路數(shù)量，如需精準定位故障位置，應采用超聲波流量計等可移動式流量測量儀器對不同支路流量進行測定。以單支路進口閥門故障、故障程度50%為例，根據(jù)其模擬結(jié)果（最大集熱溫差增加14.5 ℃，壓力不平衡率增至77.50%，集熱量衰減0.05 kWh）結(jié)合圖8可初步判斷系統(tǒng)中有一個支路進口閥門發(fā)生卡堵故障，進一步通過超聲波流量計對3個支路流量分別監(jiān)測，分析集熱場進出口溫差及流量監(jiān)測數(shù)據(jù)與正常運行數(shù)據(jù)的變化幅度以大致確定故障閥門位置及卡堵程度。

3.4.5 閥門卡堵故障對集熱場綜合性能的影響

由上述分析可知，閥門卡堵故障的發(fā)生對集熱場水力熱力性能均會產(chǎn)生一定影響，因此采用集熱場綜合性能評價指標[ECP]評判故障對集熱場水力熱力性能的整體影響。圖9為不同工況下集熱場閥門卡堵故障的[ECP]數(shù)據(jù)匯總一覽圖。由

圖9可看出，[ECP]隨故障程度的增加而逐漸增大。當故障支路數(shù)量一定時，同等閥門卡堵程度下集熱場[ECP]由大到小為2組×12塊、3組×8塊、4組×6塊集熱器布置方式，即集熱面積一定時，不同布置方式下，支路數(shù)量越少閥門卡堵故障對集熱場綜合性能影響越大，即集熱場性能相對越差。這是因為閥門卡堵故障發(fā)生后，支路數(shù)量少其故障支路及其余正常支路中流量變化程度就大，進而對系統(tǒng)水力熱力性能影響更嚴重。但當某一集熱器布置方式下所有支路進口閥門均出現(xiàn)卡堵故障時，其[ECP]數(shù)值較小，這是因為支路均故障情況下，其壓力不平衡率為0。

4 結(jié) 論

本文搭建了太陽能集熱場閥門卡堵故障實驗系統(tǒng)及仿真模型，通過實驗測得并分析得到閥門局部阻力系數(shù)隨閥門卡堵程度變化的最佳數(shù)學模型為：[ξ=0.0531K1.7351]。通過仿真模擬得到并分析了集熱面積一定時，不同布置方式、不同故障位置、不同故障程度對集熱場運行性能的影響，為系統(tǒng)是否需要停機維修甚至閥門更換提供依據(jù)。得到以下主要結(jié)論：

1）集熱場各支路間阻力不平衡程度隨閥門卡堵程度的增加而增大，在故障程度較小時各支路阻力不平衡趨勢更嚴重；供暖期有效集熱量隨閥門卡堵的故障程度而有所衰減，在卡堵程度大于50%后較為明顯，同時系統(tǒng)易出現(xiàn)過熱情況。

2）集熱器布置方式及故障程度一定時，閥門卡堵支路與正常支路間的阻力不平衡程度呈一定的增長趨勢，而供暖期集熱量隨故障支路數(shù)量的增加呈先增大后減小的趨勢。

3）從集熱場綜合性能角度來看，故障對集熱場綜合性能的影響隨故障程度的增加而增大；在集熱面積一定，不同布置方式下，支路數(shù)量越少，閥門卡堵故障對集熱場綜合性能影響越大。

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STUDY ON IMPACT OF VALVE BLOCKAGE FAULT ON HYDRAULIC AND THERMAL PERFORMANCE OF SOLAR COLLECTOR FIELD

Jiang Le’nan1，Mo Zhelong1，Wang Dengjia1，2，Chen Zhan3，Huo Xingcheng3，Yuan Xipeng1，4

（1. School of Building Services Science and Engineering， Xi’an University of Architecture and Technology， Xi’an 710055， China；

2. State Key Laboratory of Green Building in Western China， Xi’ an 710055， China；

3. China Construction Third Bureau First Construction Engineering Co.， Ltd.， Wuhan 430000， China；

4. Energy Research and Demonstration Center of Tibet Autonomous Region， Lhasa 850000， China）

Abstract：To study the effect of valve blockage fault on solar collector field performance， an experimental system was constructed to obtain the functional relationship between the degree of valve blockage and the local resistance coefficient：[ξ=0.0531×K1.7351]. A comprehensive simulation model was developed to analyze hydraulic and thermal impacts of valve blockage faults on the solar thermal field. The Effective Comprehensive Performance index （ECP） was introduced to evaluate the collective influence on system performance. Research findings indicate that valve blockage significantly amplifies resistance imbalances in the solar collector field. Beyond a 50% blockage degree， there is a notable decline in the imbalance of resistance in the solar collector field， escalating the risk of overheating. Additionally， under the same collector area and degree of blockage， the fewer the number of branch circuits in the collector field leads to the more serious the impact on the overall performance.

Keywords：solar collectors； heat-collecting capacity； thermal properties； hydraulic performance； valve blockage fault