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      能量閥在地鐵中央空調(diào)系統(tǒng)中的應用探討

      2019-10-12 02:59:28夏三縣
      制冷 2019年3期
      關鍵詞:水流量壓差溫差

      夏三縣

      (鄭州市軌道交通有限公司,鄭州 450000)

      我國地鐵起步較晚,但經(jīng)過50年,尤其是近20年的高速發(fā)展,中國的軌道交通,不管是技術還是里程上,均處在世界領先的位置,根據(jù)中國城市軌道交通協(xié)會發(fā)布《2017年城市軌道交通行業(yè)統(tǒng)計報告》截至2017年末,中國內(nèi)地城市軌道交通運營里程為5033公里。地鐵中央空調(diào)系統(tǒng),也經(jīng)歷了從無到有,從簡單就地控制、制冷機群控到能效管理平臺三個階段。中央空調(diào)系統(tǒng),不僅要保障工藝及舒適性要求,同時對節(jié)能的要求也越來越高。

      地鐵車站中央空調(diào)系統(tǒng),通常設計成大系統(tǒng)及小系統(tǒng)兩部分[1]。大系統(tǒng)是指服務于公共區(qū)(含站廳、站臺)的通風、空調(diào)及防排煙系統(tǒng);小系統(tǒng)是指服務于車站設備及管理用房的通風、空調(diào)及防排煙系統(tǒng)。為了提高設備的工作效率、節(jié)能和方便運行管理,工程中經(jīng)常采用樓宇控制系統(tǒng),在組合式空調(diào)機組的回水側,安裝電動調(diào)節(jié)閥,根據(jù)負荷的變化,實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。閥門通常被用做開閉管路、控制流向、調(diào)節(jié)和控制輸送介質(zhì)參數(shù)。常見的電動調(diào)節(jié)閥,有壓力相關型及壓力無關型兩類。

      在實際運行過程中,靜態(tài)水力失調(diào)、動態(tài)水力失調(diào)及大流量、小溫差是中央空調(diào)水系統(tǒng)常見的問題。

      1.1 壓力相關型閥門

      通過閥門的水流量q,與閥門的過流面積A及閥門前后的壓差(P1-P2)相關,對應關系如公式1所示[2]:

      為了簡化分析,通常假設閥前后壓差(P1-P2)不變,則閥門的流量q與過流面積A成正比。但是,在實際運行中,普通的電動閥門前后的壓差是不可能一成不變的,閥門前后的壓差,不僅和自身相關,還跟整個管路系統(tǒng)的相關。

      1.2 壓力無關型控制閥

      “壓力無關”特性,流量變化只與輸入控制信號有關,與水系統(tǒng)的壓力波動無關。在一定的壓差范圍內(nèi),壓力無關型控制閥能夠有效地抵消因水系統(tǒng)壓力變化及波動帶來的影響,維持一個恒定的流量輸出。根據(jù)產(chǎn)品的構造及原理,分為機械式及電子式兩種方式。

      機械式壓力無關型控制閥,由控制閥及穩(wěn)定器兩部分組成, 通常也稱作組合閥或一體閥,結構如下圖所示:各個部分的壓差

      一體閥前后的壓差△(P1-P2)即使發(fā)生變化,壓力穩(wěn)定段△(P1-P0),會自動進行調(diào)整,確?!?P1-P0) ,可以抵消△(P1-P2)的變化值,從而保證控制閥前后的壓差△(P0-P2)保持不變。[3]

      圖1 一體閥壓差分布

      根據(jù)公式1可知,閥前后壓差恒定,則通過閥門的流量僅與閥門的過流面積相關。

      電子式壓力無關型控制閥,由控制閥及流量計組成。流量計測得的值與設定值進行比較,然后執(zhí)行器通過改變閥門的開度來修正偏差,使流量值與設定值保持一致。

      圖2 能量閥組成

      2.1 靜態(tài)水力失調(diào)

      靜態(tài)水力失調(diào)指的是系統(tǒng)各用戶的實際流量與設計要求流量不一致。解決靜態(tài)水力失調(diào),傳統(tǒng)的設計方式是,在各支管路上,安裝靜態(tài)平衡閥,使實際的系統(tǒng)管道特性阻力數(shù)比與設計要求保持一致。[4]在以往的工程中發(fā)現(xiàn),靜態(tài)平衡閥的調(diào)試工程量浩大,且需要熟練人員,反復調(diào)試完成,很多項目都沒有調(diào)試到位,導致水力不平衡現(xiàn)象依舊存在。由于大、小系統(tǒng)功能不同,運行時間不同,控制策略也不同,就會產(chǎn)生新的水力不平衡現(xiàn)象,靜態(tài)平衡閥變得無能為力。

      能量閥解決靜態(tài)水力失調(diào),是將末端(支路)的設計流量做為能量閥的最大值,確保每臺末端設備(支路)的實際流量不超過設計流量,在系統(tǒng)實際總流量≥設計總流量的前提下,所有的末端(支路)均不會發(fā)生過流,也不會發(fā)生欠流的情況,在能量閥全開的情況下,實際流量等于設計流量,解決了水力失調(diào)的問題。

      2.2 動態(tài)水力失調(diào)

      動態(tài)水力失調(diào),指的是當部分用戶閥門開度開化引起水流量改變時,其它用戶的流量也隨之發(fā)生改變,偏離設計要求流量。這種失調(diào)是動態(tài)的,變化的,不是系統(tǒng)本身固有的,是在系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生的。

      傳統(tǒng)設計是采用機械式壓力無關型閥門。在使用初期,會取得較好的效果,但由于壓力穩(wěn)定段的物理結構,對空調(diào)冷凍水循環(huán)泵需要額外的壓頭,事必提高循環(huán)泵的功耗,而且冷凍水,經(jīng)過長時間的運行,安裝過程中的焊渣,運行中的管壁脫落,會使水質(zhì)變差,而動態(tài)平衡閥的物理結構如下圖所示,類似于Y型過濾器的結構,在閥門的底部,非常容易形成阻塞,造成水流量減少,室溫降低等現(xiàn)象,動態(tài)平衡閥,越用越堵,流量越來越小,水泵功耗越來越高,造成惡性循環(huán)。維護人員每年都要進行清洗,拆洗困難工作量浩大,很多地方,直接將動態(tài)平衡閥芯拆掉,動態(tài)平衡閥實際變成了直管段,無法解決水力失調(diào)的問題。

      圖3 動態(tài)平衡閥剖面圖

      能量閥讀取控制器發(fā)出的設定值,與測量值進行比較,并通過調(diào)整閥門的開度,從而確保實際值保持一致,來解決動態(tài)水力失調(diào)現(xiàn)象。

      2.3 大流量、小溫差

      大流量、小溫差現(xiàn)象是中央空調(diào)系統(tǒng)中末端普通存在的一個現(xiàn)象。在變流量冷凍水系統(tǒng)中,隨著冷凍水流量的增加,換熱量也在增加。當流量達到一定值時,雖然流量增加很大,但換熱量變化很小,如下圖表冷器冷凍水流量、換熱量及供回水溫差關系圖所示,流量處于54-66GPM區(qū)間時,流量增加22%,但換熱量只增加了1.8%,供回水溫差縮小了2℃,這個區(qū)間,稱作能源浪費區(qū)間。在這個區(qū)間,大流量并沒有帶來換熱效果的顯著改善,過大的冷凍水流量,增加水泵的電費支出。

      圖4 表冷器換熱曲線與溫差關系

      3.1 能量閥

      能量閥如下圖所示,由等百分比特性的電動控制型球閥,電磁流量計或超聲波流量計,供回水溫度傳感器及內(nèi)置的控制芯片等組成。

      圖5 能量閥安裝示意圖

      能量閥的流量計,及供回水溫差,可以按照下列公式3計算出此時的熱量值,該熱量值,就是建筑物實時的熱負荷。在每一個特定時刻,熱負荷都是固定不變的,m和 △t就成反比。工程項目中,過流現(xiàn)象比較普遍,這時△t很小。能量閥溫差控制功能,將保證實際供回水溫差始終大于設定溫差,減少實際流量值。當所有能量閥的流量減少值累計到冷凍水系統(tǒng)循環(huán)水泵處,節(jié)能、降耗效果將非常顯著。

      換熱量公式如下[5]:

      Q:吸收或放出的熱量J

      c:比熱容 J/(kg·℃)

      m:質(zhì)量 kg

      △t:溫度差 ℃

      3.2 控制模式

      閥位控制。即常規(guī)的電動調(diào)節(jié)閥控制模式,是壓力相關型控制。閥門接受控制器發(fā)出的指令信號,轉(zhuǎn)換成相應的角位移,改變被控對象(冷凍水)的流量。角位移與被控流量存在著對應關系,但會受閥門前后的壓差的影響,被控效果與預期差別較大,且不能解決暖通空調(diào)系統(tǒng)中大流量、小溫差現(xiàn)象。

      流量+溫差模式,是壓力無關型控制。首先需確認每臺表冷器的設計負荷Qs, 并根據(jù)冷凍水設定的供回水溫差在△Ts, 確認設計水流量qs, 并將此流量值輸入能量閥中,設置成最大流量qmax, 流量計測量出實際水流量為qi。系統(tǒng)運行時,當qi>qmax, 能量閥將切換到限流模式,通過減少電動調(diào)節(jié)閥的開度,確保qi< =qmax, 同時,溫度傳感器測量供回水溫度,并計算出實際的溫差△Ti,當△Ti< △Ts, 能量閥將進入溫差控制模式,通過減少電動調(diào)節(jié)閥的開度,減少通過閥門的水流量,確保△Ti> =?Ts。 流量+溫差模式,是能量閥提供的兩種限制模式,防止流量過流,又防止小溫差的產(chǎn)生,限流模式相當于初調(diào),確保各個控制點的流量不超過設計的最大流量,溫差模式相當于細調(diào),在此基礎上,實現(xiàn)小流量、大溫差的控制效果。

      熱量+溫差模式。是壓力無關型,溫度無關型控制。首先需確認每臺表冷器的設計負荷Qs, 并將此流量值輸入能量閥中,作為最大熱量Qmax, 流量計測量出實際水流量為qi, 及溫度傳感器測量供回水溫度,并計算出實際的溫差△Ti,通過能量閥內(nèi)置的積分儀,計算出實時的熱量Qi。 系統(tǒng)運行時,當Qi>Qmax, 能量閥將切換到限熱模式,通過減少電動調(diào)節(jié)閥的開度,確保Qi< =Qmax,同時,當△Ti< △Ts, 能量閥將進入溫差控制模式,通過減少電動調(diào)節(jié)閥的開度,減少通過閥門的水流量,確?!鱐i> =△Ts。

      前饋控制。對于特定的場合,當裝有能量閥后,可以實現(xiàn)前饋控制。以地鐵站為中心,設立控制室,將監(jiān)控冷凍水管網(wǎng)所有的能量閥。根據(jù)天氣預報,繪制預測的室外氣溫曲線,根據(jù)此曲線,建立各建筑物預測空調(diào)負荷。根據(jù)室外溫度變化,實時修正負荷變化,將此數(shù)值發(fā)送至能量閥,能量閥將按照修正后的換熱量,給建筑物制冷,實現(xiàn)數(shù)字化供冷。

      4 結語

      能量閥是一款集供回水溫度測量,流量(熱量)測量及控制調(diào)節(jié)于一體的多功能的閥門。同時,又是一款壓力無關型的電子式平衡閥,與管網(wǎng)的水力特性無關,自適應管路水力特性,保障系統(tǒng)水力平衡,自帶溫差管理程序,有效地杜絕大流量、小溫差的現(xiàn)象。能量閥可以存儲13個月的數(shù)據(jù)支持Modbus現(xiàn)場總線及BACnet樓宇通訊協(xié)議,將現(xiàn)場的參數(shù)上傳至群控系統(tǒng),也支持將數(shù)據(jù)上傳至云端,可以繪制整個冷凍水流量變化圖,冷凍水的流量、冷量輸配,做到真正地可測、可控。

      在使用能量閥后,通過對圖4表冷器換熱特性曲線的分析,當流量從66GPM降至54GPM,換熱量下降1.8%, 溫差提升2K,流量下降22%,末端大流量小溫差現(xiàn)象極大改善。

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