基于旁通壓差控制的冷凍水管網穩定性研究

黃 慶，孫 攀，謝 晴，謝軍龍

（華中科技大學能源與動力工程學院，湖北 武漢 430074）

基于旁通壓差控制的冷凍水管網穩定性研究

黃 慶，孫 攀，謝 晴，謝軍龍

（華中科技大學能源與動力工程學院，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仿真模型。采用關閉某一支路，計算其它支路水力失調度的方法，分析了末端采用通斷調節時，系統水力穩定性隨壓差監測點位置的變化規律。結果表明：壓差監測點位置離冷源越遠，系統整體的水力穩定性越差；用戶支路距離壓差監測點越近，其穩定性越好，同時干擾性越強；旁通壓差控制的壓差監測點宜設置在旁通管兩端。在冷源側采用溫差控制水泵變頻調節后，管網的水力穩定性明顯提升。

異程； 同程； 旁通壓差控制； 水力穩定性； 壓差監測點； 溫差控制

0 引言

在集中空調冷凍水系統中，用戶通常需要調節流量以滿足舒適性和節能的需求。因為系統的流量分布取決于管網的阻抗分布，某一用戶支路流量的主動調節勢必引起其他用戶流量變化，這不僅影響了室內的溫濕度環境，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節干擾，但卻增加了初投資。因此合理設計管網，提高系統穩定性，減小各支路間的調節干擾，并輔助自動調節設備是最經濟有效的方法。對于管網穩定性的研究，秦緒忠，江億[1]提出水力穩定性的定性評價指標，并分析比較了一次泵同/異程系統、分散式動力系統、環網系統的穩定性。符永正等人[2-3]用流量偏離系數全面分析同程、異程與壓差變頻控制的管網穩定性。關于旁通控制的研究，張再鵬等人[4]推導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、定壓區與超壓區。關于溫差控制的研究，李蘇瓏[6]和陳峰[7]提出溫差控制法適用于末端不設調節閥、負荷分布均勻且變化規律相近的場合，否則易造成水力失調；Xinqiao Jin等人[8]提出應同時優化冷凍水供回水溫差設定值與二次泵揚程以使系統能耗最低。Xuefeng Liu等人[9]研究了供回水溫差隨水泵頻率的變化規律。在上述研究水力穩定性的文章中，均忽略了旁通回路的調節作用，對于一次泵變流量系統，部分負荷下壓差控制點設置于最不利末端比干管位置更為節能已成為共識，但對于采用旁通壓差控制的一次泵定流量系統，壓差監測點對于系統穩定性與節能運行的影響卻知之甚少，且鮮有對溫差控制變流量系統穩定性的研究。

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計算模型，模型采用旁通定壓差控制，采用關閉某一支路，計算其它支路水力失調度的方法，分析了壓差監測點位置對管網穩定性的影響，為壓差監測點位置的選取提供理論指導。由于旁通壓差控制冷源側實際上仍是定流量運行，不利于水泵節能運行，故引入溫差控制水泵變頻調節，并研究其水力穩定性。

1 旁通壓差控制管網水力特性

1.1 冷凍水管網布置形式

冷凍水管網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，靜態調節閥VJn及連接管道等元件。

圖1 冷凍水管網拓撲結構Fig.1 Topological structure of chilled water pipe network

1.2 基本計算條件

冷凍水系統仿真模型由10個支路組成，為簡化分析，假設每個用戶的設計流量相同且均為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一為0.05 m，管長為5 m，供回水干管管徑標識于圖1中，管長除回水同程管長50 m，其余均取10m。管網中主要設備見表1。

表1 冷凍水系統設備列表Tab.1 Parameters of equipment for chiller water system

風機盤管額定流量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

對于一個具有若干支路的冷凍水管網，設計工況確定后，當某一支路流量主動調節，其余支路將發生不同程度的水力失調，并導致系統流量分配不合理：有些用戶出現過流量現象，表現為空調區過冷；而有些用戶出現欠流量現象，表現為空調區過熱。為此必須提高系統的水力穩定性減輕由于調節干擾造成的水力失調，以滿足用戶的舒適性需求。

水力失調程度可用實際流量與設計流量的偏差與設計流量的比值X衡量：

式中 X—水力失調度；

Qs—實際流量，m3/h；Qd—設計流量，m3/h。

顯然X愈接近0，該支路的水力穩定性越好，反之，穩定性越差。將以水力失調度指標進行穩定性的對比和分析。

2 模擬分析

2.1 假設條件

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

（4）用戶支路二通閥在全開時的阻抗為常數，設備及管道阻抗為常數。

（5）用戶支路AHU冷負荷恒為70kW。

2.2 模擬結果分析

以設計工況下某支路壓降作為壓差監測點設置于該支路兩端時的壓差設定值，研究壓差信號監測點位置變化對管網水力穩定性的影響。將壓差監測點分別設置于支路Z1、Z5、和ZPT兩端，均依次關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 異程式管網壓差信號監測點的優化

圖2-圖4分別為異程式管網壓差信號監測點設置于Z1，Z5，ZPT兩端時，關閉某一支路Zn，其余支路的流量分配結果。

圖2 異程式壓差監測點位于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，壓差監測點設置于Z1兩端，關閉任意支路Zn，Zn下游用戶（Z1-Zn-1）的資用壓頭不變，表現為其下游支路水力失調度均為0；而Zn上游用戶實際流量均小于設計流量，且距Z1越遠，欠流量現象越明顯；主動關閉支路Zn距壓差監測點越近，其余支路的水力失調現象越嚴重。如關閉Z1時，Z10的水力失調度達到25%，嚴重影響空調區的舒適性。

圖3 異程式壓差監測點位于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，壓差監測點設置于Z5兩端，關閉Zn（n＜5），所有末端均出現水力失調。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；關閉Zn（n≥5），Zn下游各支路資用壓差不變，水力失調度為0，Zn上游各支路欠流量，各末端水力失調不一致；距Z5越遠的支路，同一工況下的水力失調越嚴重。

如圖4所示，壓差監測點設置于ZPT兩端，關閉Zn，其余末端均發生過流量現象，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）依次減小；主動關閉支路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測點位置對異程式管網水力穩定性的影響，將監測點分別設置在支路Z1、Z3、Z5、Z7、Z9、ZPT兩端，依次關閉支路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。壓差監測點設置在支路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重；由遠至近關閉支路Zj，旁通與水泵流量均先增大后減小，在i=j時達到最大；當壓差監測點設置在旁通管兩端時，旁通回流量最小，水泵始終定流量運行，即壓差監測點設置在旁通管兩端時，在旁通回路水力可調的情況下，即使負荷側的阻抗改變，旁通閥的調節作用仍維持管網的總阻抗恒定。從水力穩定性角度，因為靠近壓差監測點位置的用戶，其資用壓差相對穩定，所以用戶以壓差監測點為分界向兩側由遠至近穩定性逐漸變好，但其干擾性逐漸增強[1]，即靠近壓差監測點的支路其閥位變化對其他支路流量影響較大。因此盡量將壓差監測點設置于閥位不頻繁變動的用戶兩端。以壓差監測點設置在Z1兩端為例，關閉Z1，該工況下，系統水力失調嚴重，旁通回流達到59m3/h，多支路水力失調度＞15%，嚴重影響室內舒適度。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，綜合考慮節能及水力穩定性，宜將壓差監測點設置于旁通管兩端。

圖5 異程式管網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 同程式管網壓差信號監測點的優化

圖7-圖9分別為同程式管網壓差信號監測點設置于Z1，Z5，ZPT兩端時，關閉某一支路Zn，其余支路的流量分配結果。

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

圖7 同程式壓差監測點位于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，當壓差監測點設置于Z5兩端時管網的流量分配呈現明顯的對稱性，這是由同程式管網對稱的拓撲結構導致。以Z5為分界，關閉某一支路Zn（i≠5），同側的支路過流量，且過流率以Zn為分界向兩側減小；異側的支路欠流量，且欠流率由近至遠（距Z5）增大。關閉Z5，其余支路均發生欠流量，且欠流率以Z5為分界向兩側增大。

如圖9所示，當壓差監測點設置于ZPT兩端時，管網的流量分配同樣呈現對稱性。關閉任一支路，其余支路僅發生過流量現象，且過流率以主動關閉支路Zn為分界向兩側減小。

圖8 同程式壓差監測點位于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測點位置對同程式管網水力穩定性的影響，將監測點分別設置在支路Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、ZPT兩端，依次關閉支路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，與異程式管網類似，同程式管網旁通流量與水泵流量同步變化，且流量變化規律類似。同樣，對于采用旁通定壓差控制的同程式系統，宜將壓差監測點設置于旁通管兩端。

圖10 同程式管網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 溫差控制水力穩定性研究

旁通定壓差控制雖然在負荷側是變流量運行，但由于旁通回路的調節作用，冷源側實際仍是定流量運行，并且導致“大流量小溫差”，冷水機組效率降低，不利于系統的節能運行。而在實際應用中壓差旁通法通常與供回水溫差控制結合作為變流量控制方法。下面將根據供回水溫差信號控制水泵變頻，同時考慮旁通回路的調節作用，壓差監測點設置于旁通管兩側，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節變頻后，如圖12、圖13所示，用戶側均出現不同程度的水力失調現象，這是因為系統處于旁通回路欠壓區[6]，部分用戶資用壓差下降。對比圖4、圖9，系統的最大水力失調度都有所下降，對于異程式管網，由20%下降至15%以下，對于同程式管網，由10%下降至8%以下。由此可知，水泵采用溫差控制調節變頻后，管網的水力穩定性相對于冷源側定流量運行的旁通定壓差控制系統水力穩定性有所提升。因為管網的拓撲結構未改變，所以各支路水力穩定性的相對大小并未改變。

3 結論

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

當壓差監測點設置于Zn兩端，Zn流量調節對于其他支路影響最大，應盡量避免將定壓點設置于流量需要經常調節的支路上。從水力穩定性角度，距離壓差監測點越近的用戶穩定性越好，干擾性越強。

當冷源側引入溫差控制水泵變頻流量調節手段，相對于旁通定壓差控制，系統的水力穩定性明顯提升。

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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