空调水系统中定压差控制水力平衡措施相关问题探讨(二)电动调节阀实际流量特性的改善

    1 问题的提出
    《空调水系统中电动调节阀流量特性研究》一文指出，在空调水系统末端电动调节阀调节过程中，由于流量变化而引起末端支路资用压头变化，导致了两方面问题：1）各末端之间相互干扰；2）电动调节阀实际流量特性与理想流量特性和工作流量特性均存在较大程度的偏离。业内提出针对电动调节阀采用定压差控制水力平衡措施来解决上述两方面问题。基于这样的应用目的，《空调水系统中定压差控制水力平衡措施相关问题探讨（一）———自力式压差平衡阀的选型》对定压差控制水力平衡措施中的自力式压差平衡阀这一关键部件展开了选型方法的研究，通过该文献中所提及的“控制压差恒定前提下最小流量（Gmin）”这一参数可以看到，由于自力式压差平衡阀受到产品自身流量系数范围的限制，在电动调节阀调节范围的某些区段内无法保证其所控压差的恒定，因此自力式压差平衡阀的应用对电动调节阀调节特性的改善是有条件的，且改善程度与系统形式、末端在系统中所处的位置等因素息息相关。本文将以中对四类典型空调水系统末端电动调节阀所设自力式压差平衡阀的选型计算结果为基础，不采用定压差控制水力平衡措施下的电动调节阀实际流量特性为对照，分析该措施的应用对电动调节阀实际流量特性的改善程度。
    2 定压差控制水力平衡措施下电动调节阀实际流量特性的分析与比较
    为便于讨论，本文中四类典型空调水系统为研究对象进行分析计算，对于图中各流量特性曲线的定义及无定压差控制水力平衡措施下电动调节阀实际流量特性的计算结果。
    2.1 异程总管定压差系统
    图1给出了定压差控制水力平衡措施下异程总管定压差系统各末端电动调节阀的实际流量特性（未计入自力式压差平衡阀自身精度影响），图中曲线A与曲线B所围合部分为该阀的实际流量特性范围。与无定压差控制水力平衡措施下异程总管定压差系统各末端电动调节阀的实际流量特性相比，可得到以下规律：
    1）通过图1可看到在异程总管定压差系统中，末端1至末端4的曲线A、曲线B与理想流量特性曲线均有较高的吻合度，在电动调节阀小开度工况下（≤10%），3条曲线略有偏离；末端5在电动调节阀开度＞60%时，3条曲线具有较高吻合度，当开度≤60%时，曲线A、曲线B与理想流量特性曲线相比，向大流量方向偏离。在该类系统中，末端5在调节过程中所需承担的资用压差变化范围最大，因此为该末端电动调节阀所选配的自力式压差平衡阀应具有足够的流量系数可调范围，否则将无法保证所控电动调节阀两端压差始终恒定，实际流量特性将偏离理想流量特性。各末端电动调节阀实际流量特性与S＝0.3工作流量特性相比有较多的改善。

图1 定压差控制水力平衡措施下异程总
管定压差系统电动调节阀实际流量特性

    2）与无定压差控制水力平衡措施下电动调节阀实际流量特性相比，采用定压差控制水力平衡措施后，由于部分负荷下多余的资用压头被自力式压差平衡阀所承担，因此该措施可应对各末端电动调节阀有效调节开度范围减小的问题。
    3）采用定压差控制水力平衡措施后，可缓解各末端电动调节阀在调节过程中相互干扰的问题。
    2.2 异程末端定压差系统
    图2给出了定压差控制水力平衡措施下异程末端定压差系统各末端电动调节阀的实际流量特性（未计入自力式压差平衡阀自身精度影响），图中曲线A与曲线B所围合部分为该阀实际流量的可调范围。与无定压差控制水力平衡措施下异程末端定压差系统各末端电动调节阀的实际流量特性相比，可得到以下规律：

图2 定压差控制水力平衡措施下异程末端
定压差系统电动调节阀实际流量特性

    1）通过图2可看到在异程末端定压差系统中，各末端电动调节阀在大开度下（≥60%）实际流量特性与理想流量特性的吻合度较高，当电动调节阀开度＜60%时，实际流量特性与理想流量特性相比向大流量方向偏离，且末端离系统定压差点越远，偏离程度越大，这是由于离系统定压差点越远的末端所需承担的资用压差变化范围越大。各末端电动调节阀实际流量特性与S＝0.3工作流量特性相比有较多的改善。
    2）采用定压差控制水力平衡措施后，由于系统设计工况下各末端间流量的分配平衡是通过自力式压差平衡阀开度调节来实现的（即设计工况下，上游末端自力式压差平衡阀的开度并非100%，电动调节阀选型的计算资用压头按可能出现的最小资用压头设定），当系统处于部分负荷工况下，上游末端自力式压差平衡阀增大开度从而补偿了末端资用压头的减小，因此对于该类系统而言，定压差控制水力平衡措施可应对该类系统部分负荷工况下上游末端出现资用压头减小而欠流的问题。
    3）采用定压差控制水力平衡措施后，可缓解各末端电动调节阀在调节过程中相互干扰的问题。
    2.3 同程总管定压差系统
    图3给出了定压差控制水力平衡措施下同程总管定压差系统各末端电动调节阀的实际流量特性（未计入自力式压差平衡阀自身精度影响），图中曲线A与曲线B所围合部分为该阀实际流量的可调范围。与无定压差控制水力平衡措施下同程总管定压差系统各末端电动调节阀的实际流量特性相比，可得到以下规律：
    1）通过图3可看到在同程总管定压差系统中，末端1，2，4，5的曲线A、曲线B与理想流量特性曲线均有较高的吻合度，在电动调节阀小开度工况下（末端1，5为≤20%，末端2，4为≤40%），3条曲线略有偏离，各末端的偏离程度遵循同程系统对称性的规律。末端3在电动调节阀开度＞60%时，3条曲线具有较高吻合度；当开度≤60%时，曲线A、曲线B与理想流量特性曲线相比，向大流量方向偏离。在该类系统中，末端3在调节过程中所需承担的资用压差变化范围最大，因此为该末端电动调节阀所选配的自力式压差平衡阀应具有足够的流量系数可调范围，否则将无法保证所控电动调节阀两端压差始终恒定，实际流量特性将偏离理想流量特性。各末端电动调节阀实际流量特性与S＝0.3工作流量特性相比有较多的改善。

图3 定压差控制水力平衡措施下同程总
管定压差系统电动调节阀实际流量特性

    2）与异程总管定压差系统相同，定压差控制水力平衡措施可应对该类系统中各末端电动调节阀有效调节开度范围减小的问题。
    3）采用定压差控制水力平衡措施后，可缓解各末端电动调节阀在调节过程中相互干扰的问题。
    2.4 同程末端定压差系统
    图4给出了定压差控制水力平衡措施下同程末端定压差系统各末端电动调节阀的实际流量特性（未计入自力式压差平衡阀自身精度影响），图中曲线A与曲线B所围合部分为该阀实际流量的可调范围。与无定压差控制水力平衡措施下同程末端定压差系统各末端电动调节阀的实际流量特性相比，可得到以下规律：

图4 定压差控制水力平衡措施下同程
末端定压差系统电动调节阀实际流量特性

    1）通过图4可看到在同程末端定压差系统中，末端3的曲线A、曲线B与理想流量特性曲线几乎完全吻合；末端2，4的曲线A、曲线B与理想流量特性曲线均有较高的吻合度，在电动调节阀小开度工况下（≤20%），3条曲线略有偏离；末端1，5在电动调节阀开度＞50%时，3条曲线具有较高吻合度，当开度≤50%时，曲线A、曲线B与理想流量特性曲线相比，向大流量方向偏离；各末端的偏离程度遵循同程系统对称性的规律。各末端电动调节阀实际流量特性与S＝0.3工作流量特性相比有较多的改善。
    2）与异程末端定压差系统相同，定压差控制水力平衡措施可应对该类系统中部分负荷工况下上游末端出现资用压头减小而欠流的问题。
    3）采用定压差控制水力平衡措施后，可缓解各末端电动调节阀在调节过程中相互干扰的问题。
    3 结论
    3.1 本文对定压差控制水力平衡措施中自力式压差平衡阀选型计算为基础，通过与研究成果的比较，分析了四类典型空调水系统末端电动调节阀采用定压差控制水力平衡措施后实际流量特性的改善程度，文中的定量结论仅与所举算例相关，实际工程中复杂的空调水系统形式及干管阻力权重均影响着定量计算结果。
    3.2 对于文中算例而言，在不考虑自力式压差平衡阀自身精度的前提下，采用定压差控制水力平衡措施可在较大程度上改善电动调节阀的实际流量特性，但受到自力式压差平衡阀产品流量系数的限制，还无法使电动调节阀的实际流量特性与其理论流量特性完全吻合，尤其是在小开度工况下，实际流量特性与理论流量特性还存在一定的差距，这一差距与空调水系统形式、特性及末端所处的位置有关。总体而言，自力式压差平衡阀的产品流量系数范围越大，其对电动调节阀实际流量特性的改善程度越高。
    3.3　对于文中算例而言，对总管定压差系统（异程或同程）而言，定压差控制水力平衡措施可应对电动调节阀有效调节开度范围减小的问题；对末端定压差系统（异程或同程）而言，定压差控制水力平衡措施可应对部分负荷下，上游末端电动调节阀两端资用压头不足而产生的欠流问题，但前提是必须在一定程度上放大上游末端电动调节阀的口径，这将引起系统造价的增加。
    3.4 定压差控制水力平衡措施的应用可在一定程度上缓解各末端电动调节阀在调节过程中相互干扰的问题。
    3.5 需指出的是，电动调节阀只是整个空调系统动态调节过程中的一个环节，阀门实际流量特性的优劣对整个空调系统动态调节质量的影响是有限的，尤其是对于时间常数和容量滞后很大的被调对象而言，仅考虑电动调节阀的流量特性已无济于事，宜从空调系统和自控系统上予以综合解决，笔者将对此问题另行撰文研究。