動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調節閥在地鐵空調水系統中的應用
地鐵作為目前城市交通中高速、快捷和便利的代表，在對各大城市交通問(wèn)題緩解方面起到了至關(guān)重要的作用。但是由此所引發(fā)的節能降耗問(wèn)題也受到了人們的廣泛關(guān)注。在城市交通運輸中，地鐵運營(yíng)耗能巨大，某種程度上制約了地鐵的快速發(fā)展。而其中地鐵環(huán)控系統的能耗占了整個(gè)地鐵運營(yíng)總能耗的30%～40%。因此在地鐵空調水系統的設計、運行等許多環(huán)節上進(jìn)一步優(yōu)化，采取可行的節能措施，將對地鐵的經(jīng)濟運行具有十分重要的意義。
空調水系統在變水量運行中由于流量的調節，不但管路的水壓時(shí)時(shí)發(fā)生變化，而且各末端裝置的供回水管之間的壓差也每時(shí)每刻地發(fā)生變化。不但系統總供水量發(fā)生變化時(shí)要變化，其他一些末端裝置或其他一些環(huán)路供水量發(fā)生變化時(shí)也要變化，因此變流量系統的實(shí)時(shí)調節和動(dòng)態(tài)平衡是實(shí)現系統節能的關(guān)鍵。動(dòng)態(tài)平衡功能是指當任何末端設備負荷變化要求電動(dòng)調節閥動(dòng)作時(shí)，不論系統壓力如何變化，各調節閥門(mén)都能夠很有效地進(jìn)行水量的調節從而實(shí)現精確的溫度，互不干擾，實(shí)現動(dòng)態(tài)地系統平衡，使系統的負荷在輸出和需求上始終保持最佳的匹配，處于最經(jīng)濟的運行狀態(tài)。動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調節閥能有效地解決以上問(wèn)題，此閥門(mén)不受管網(wǎng)壓力波動(dòng)的影響，在工作壓差范圍內始終保持設定的水量。
1 、空調水系統的不匹配
目前，國內地鐵空調水系統在設計和運行時(shí)存在較多不匹配的情況，原因如下：
1)主要不匹配：大馬拉小車(chē)
圖1 主要不匹配
A.機組按照建筑物最大熱負荷的110%～120%設計;
B.冷凍水泵、冷卻水泵按空調機組額定工況匹配;
C.末端系統按總負荷量110%～120%匹配。
2)次要不匹配：小溫差、大流量
圖2 次要不匹配
季節/晝夜/末端負荷變化+水泵定流量→主機進(jìn)出水溫差2℃～3℃。
2、空調水系統控制分析
以廣州地鐵某線(xiàn)路號為例，該線(xiàn)路采用集中冷站提供冷源，末端支路設二通閥和壓差傳感器進(jìn)行流量控制。下圖3為集中冷站原理圖。
圖3 集中冷站原理圖
集中冷站設置在大學(xué)城南站，冷站的輸水系統按泵組劃分共有二條支路：
1號支路：水泵5臺，其中調速泵4臺(同型規格)，定速泵1臺。用戶(hù)為大學(xué)城南站、官洲車(chē)站。
2號支路：水泵3臺，其中調速泵2臺(同型規格)，定速泵1臺。用戶(hù)為大學(xué)城北車(chē)站。
上述二條支路分別由二組水泵供水，構成兩個(gè)管網(wǎng)系統。這二個(gè)管網(wǎng)系統根據車(chē)站的不同需求，完成冷凍水的輸送任務(wù)。
空調水系統末端原理圖如下圖4所示：
圖4 空調水系統末端原理圖
在末端支路中，采用“最不利末端壓差”恒定監控方式對變頻水泵進(jìn)行調節控制。
控制基點(diǎn)：結合水系統現狀實(shí)際已經(jīng)安裝了壓差傳感器的地方，大系統末端空調機組壓差ΔPab。
控制范圍：ΔPab不低于滿(mǎn)負荷工況時(shí)的ΔPabmin。
調節手段：壓差—變頻器頻率PID調節。
調試記錄如下：
1號支路，官洲站AHU—02為最不利末端。
官洲站：
表1
表中：a+b=32.37m3/h，c+d=19.91m3/h
大學(xué)城南站：
表中：a+b=33.33m3/h
2號支路，大學(xué)城北站AHU—01為最不利末端。
表2
通過(guò)滿(mǎn)負荷工況調試，變頻泵做PID自動(dòng)調節，實(shí)現了末端用戶(hù)的使用壓差始終運行在最小壓差之上，保證了各個(gè)用戶(hù)的用水壓差所需。通過(guò)“最不利末端壓差”恒定，實(shí)現了最不利末端達到設計流量即所需的最大流量。同時(shí)其他支路流量均會(huì )超過(guò)設計流量，這就形成了部分的能量損耗，且管網(wǎng)壓力對各個(gè)支路末端影響很大，水力平衡也會(huì )受到影響。
在地鐵變水量系統的末端設備中，使用不受管網(wǎng)壓力波動(dòng)的流量控制閥即動(dòng)態(tài)平衡型電動(dòng)閥來(lái)控制水量，是解決變水量系統動(dòng)態(tài)失調，真正節能、穩定運行的最佳方案。
3、動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)閥的性能分析
經(jīng)過(guò)閥門(mén)的流量可按下式計算：
式中：Q-流經(jīng)閥門(mén)的流量，
K，-閥門(mén)的流通能力，與閥門(mén)的開(kāi)度相對應;閥前后的壓差，bar。
由公式得經(jīng)過(guò)閥門(mén)的流量大小與閥門(mén)的開(kāi)啟度及閥前后的壓差有關(guān)，而控制系統則根據負荷變化向閥門(mén)輸出相應信號調節閥門(mén)的開(kāi)度，從而達到相應的流量。因此只要能恒定調節閥前后的壓差，就可以保證流量的變化完全由閥門(mén)開(kāi)度而決定，即與負荷變化相對應，而不受其它閥門(mén)開(kāi)關(guān)影響產(chǎn)生的系統壓力波動(dòng)的影響，從而達到動(dòng)態(tài)平衡的效果。任何一個(gè)支路的調節都不會(huì )對其他支路產(chǎn)生干擾，同時(shí)任何一個(gè)支路都不會(huì )受到其它支路調節的影響。
在空調水系統中，為了達到良好的受控效果，最佳的調節閥的特性應是等百分比特性，也稱(chēng)對數特性，此曲線(xiàn)也稱(chēng)閥門(mén)的理想特性曲線(xiàn)。一個(gè)空調系統如果不能夠保持調節閥開(kāi)度和空調器散熱量之間的良好線(xiàn)性關(guān)系，則會(huì )造成溫度波動(dòng)頻繁，系統穩定時(shí)間過(guò)長(cháng)。
動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調節閥區別于傳統的電動(dòng)二通閥，是動(dòng)態(tài)平衡與電動(dòng)調節一體化的產(chǎn)品，動(dòng)態(tài)壓差平衡閥直接恒定電動(dòng)調節閥兩端的壓差，可實(shí)現調節閥兩端的壓差在整個(gè)調節過(guò)程恒定，即閥權度始終為1，可實(shí)現其理想特性曲線(xiàn)，從而實(shí)現理想的溫控效果。動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)閥在不同開(kāi)度時(shí)的流量與閥門(mén)兩邊壓差的關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖5，從圖中可以看出要想達到所需的流量需要滿(mǎn)足最小的工作壓差，當調節閥芯開(kāi)度一定時(shí)，整個(gè)閥兩端的實(shí)際壓差小于最小工作壓差時(shí)，流量隨閥門(mén)兩端的壓差的增加而增加，當達到閥門(mén)最小工作壓差后，經(jīng)過(guò)閥門(mén)的流量將保持恒定不變，不再隨閥門(mén)兩端的壓差的增加而變化。只有當調節閥芯的開(kāi)度發(fā)生變化時(shí)，流量才發(fā)生變化。
圖5 動(dòng)態(tài)壓差平衡閥流量變化曲線(xiàn)圖
4、改進(jìn)措施
為解決前文中提出的問(wèn)題，蘇州軌道交通1號線(xiàn)空調水系統在各支路加裝動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調節閥，每個(gè)支路通過(guò)動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)閥來(lái)調節目標區域的回風(fēng)溫度，每組動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調節閥由一個(gè)動(dòng)態(tài)閥CV216GG(DNXX)和靜態(tài)閥STAF(DN80)組成。通過(guò)靜態(tài)平衡閥的調節作用，使系統中各個(gè)管路的流量比值與設計流量的比值一致，這樣當系統的總流量等于設計總流量時(shí)，各個(gè)末端設備及管道的流量也同時(shí)達到設計流量即所需的最大流量，系統實(shí)現水力平衡。配置了適當的動(dòng)態(tài)閥后，支路均運行在設計流量狀態(tài)。如果并聯(lián)的外網(wǎng)由于變動(dòng)而造成壓力的變化在一定范圍內(該閥門(mén)有效范圍)，不會(huì )造成流經(jīng)該設備流量的變化，一方面可以保證機組在額定狀態(tài)運行，將流量恒定在設計值，從而保護機組，另一方面提高機組的運行效率，使系統運行的水溫正常。
以蘇州軌道交通1號線(xiàn)塔園路站為例，下圖6為塔園路站空調水系統部分支路原理圖。
圖6 塔園路站支路
在空調水系統中大系統、各小系統因功能不同所要求的溫度也不同，小系統1支路(AHU-B101支路)要求環(huán)境溫度為36℃，小系統2、3支路(AHU-B201支路)要求環(huán)境溫度為27℃，按照設定溫度的要求和實(shí)際測量的回風(fēng)溫度變化，動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)閥實(shí)時(shí)地進(jìn)行流量調節，當小系統2、3支路達到設定溫度時(shí)，該支路的動(dòng)態(tài)平衡閥BV-4的開(kāi)度維持在某一位置保持不變以輸出一個(gè)恒定的流量。此時(shí)如果小系統1支路的回風(fēng)溫度低于設定溫度，則將小系統1支路的動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)閥BV-3關(guān)小以減少流過(guò)空調機組AHU-B101的冷水量，使制冷量減少，回風(fēng)溫度升高，達到設定溫度，同時(shí)供回水管之間的壓差會(huì )增大，由于動(dòng)態(tài)平衡閥的定壓差作用，使得其他支路的流量不發(fā)生變化，制冷量不變，其余支路仍處于平衡狀態(tài)，不受系統壓差變化的干擾。
5、結語(yǔ)
通過(guò)上述控制方式在蘇州軌道交通一號線(xiàn)中的實(shí)際使用，我們認為：
1)動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調節閥安裝在空調末端設備的回水管上，既可實(shí)時(shí)調節水量，又可實(shí)時(shí)保證所調水量恒定，避免了由于閥門(mén)調節帶來(lái)的壓差變化產(chǎn)生的相互干擾等動(dòng)態(tài)失調現象，相應降低了能耗。
2)動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調節閥提供良好的閥權度，確保線(xiàn)性散熱受控系統的實(shí)現，保證系統的迅速穩定。
3)動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調節閥調試工作量非常小，加速安裝周期，系統改造、擴建時(shí)可以免調試，同時(shí)能方便的修正實(shí)際和設計工況之間的差異。
