提高管網動態水力穩定性的案例研究

盛 超 龔延風，2

1南京工業大學城市建設與安全工程學院2江蘇省綠色建筑工程技術研究中心

提高管網動態水力穩定性的案例研究

盛 超1龔延風1，2

1南京工業大學城市建設與安全工程學院2江蘇省綠色建筑工程技術研究中心

本文針對現有空調水系統在設計過程中存在的不足，即系統在部分負荷下各末端設備的流量分配不均現象，為了提高管網的動態水力穩定性，提出了一種新的壓降比例控制法，從而得出可供空調水系統設計和運行調節參考的結論。

變流量 管網特性 水力失調 管路壓降

在部分負荷條件下對空調水系統進行流量調節是空調系統節能的重要措施，在空調設計中幾乎成為必選動作。影響動態水力穩定性的最不利因素是各用戶調節時，管網之間流量的相互干擾，即調節節點之間的耦合。水力穩定性正是為了解決各用戶在進行流量調節時的相互干擾，但是水力穩定性的要求在傳統管網設計時并未提出。通?？照{水系統干管的選擇是依據推薦的比摩阻或經濟流速，確定主干管管徑后，進行支路的水力平衡計算。這樣設計出來的管網的水力穩定性如何不得而知[1]。

1 水力穩定性分析方法

對于一個具有若干個支路的管網系統，在設計工況下，各末端流量分配合理，系統穩定性良好。當一個支路進行調節時，即系統運行負荷發生變化，應重新計算其他各支路的流量值[2]。

這里，將某一支路的新流量與設計工況流量的比值定義為這一支路的水力穩定性系數，即：

式中：x為水力穩定性系數；Vs為用戶的實際流量；Vg為用戶的設計流量。

可見，x愈接近于1，說明相對于調節的支路，此末端支路的水力穩定性越好；反之，則說明相對于調節的支路，此末端支路的水力穩定性越差。

本文運用理論計算方法，分別得到了設計工況下系統運行負荷在100%、90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%、20%時各末端支路的流量值以及水力穩定性系數[3]；同理，增大系統干管的管徑后，計算得到系統在部分負荷時各末端支路的流量值以及水力穩定性系數。通過前后系統各末端支路穩定性的對比和分析，得出相對地減少網路干管的壓降對空調水系統固有穩定性的影響[4]。

2 水力穩定性計算及研究

為了得到滿足工程實際情況的分析結果，本文選取了典型的空調系統作為研究對象。此系統為風機盤管加新風系統，分為同程系統和異程系統。

2.1 同程系統

2.1.1 系統介紹

圖1為具有16個末端支路的同程式水系統管網示意圖，各控制回路均由平衡調節閥控制該末端回路的流量，供回水干管均接自空調立管，圖中從左到右依次為1～16號末端支路。

圖1 同程式水系統示意圖

本案例水系統管網采用流速法設計，主干管流速在0.5～0.7m/s左右，對應的單位長度摩擦壓力損失（比摩阻）82Pa/m。如圖1所示，PAC和PDB為供回水干管壓降，PAD和PBC段為末端用戶壓降，PAB段為系統總壓降。設計工況下，系統管路的壓降與系統總壓降的比值為78.4%，其中，管路壓降為(PAC+PDB)/2。

2.1.2 系統變負荷運行特性

設計工況下，系統各末端流量值均為設計流量，依次關閉各支路，可以計算出部分負荷運行時各支路的流量值以及水力穩定性系數。見表1。

表1 部分負荷運行時各末端支路的水力穩定性系數

由表1可以歸納出同程系統變負荷運行時，系統水力穩定性的一些規律：

1）支路4和5，6和7，8和9，10和11，12和13是純粹的并聯關系，所以它們之間的相互影響是相同的，它們受其他支路的影響也是相同的。

2）關閉某一末端用戶，其影響范圍呈現由近及遠的規律，即距離關閉的支路越近，其水力穩定性越差。

3）隨著系統運行負荷的不斷降低，末端支路的水力穩定性系數變得越來越大，系統的水力穩定性越來越差。

2.1.3 提高水力穩定的方法

結合對同程系統變負荷運行特性的分析，提出了提高系統水力穩定性的措施：相對地減少網路干管的壓降，具體做法為增大干管管徑。干管管徑改變前后的水壓圖見圖2。

圖2 同程系統干管管徑變化前后的水壓圖

改變干管管徑后，同樣依次關閉各支路，計算出部分負荷運行時各支路的流量值以及水力穩定性系數。見表2。

表2 干路管徑變化前后支路水力穩定性系數

由表2可知，改變干管管徑后，系統各末端支路的水力穩定性系數趨近于1，各支路的流量值與設計流量接近，說明系統的水力穩定得到了提高。同時，隨著干管管徑的增大，系統的水力穩定性越來越好[5]。如圖3和圖4所示。

圖3 空調負荷70%時各末端的水力穩定性系數

圖4 空調負荷30%時各末端的水力穩定性系數

2.1.4 實現水力穩定的管路控制指標

本文將空調水系統中控制回路的壓降分布分為兩個部分：S1和S2，S1表示回路中管路壓降，而S2是空調末端的壓降。通過管路壓降和系統總壓降的比值y來作為水系統設計的標準，即：

對于同程系統，經過計算，管網干管管徑增至DN100時，管路壓降所占比例為58.78%；而管網干管管徑增至DN125時，管路壓降所占比例則為42.54%。通過針對同程系統管網的計算和分析，繼續放大管徑會帶來水管流速過低、管道占用空間過大等一系列問題。故可以得出結論：對于同程系統，當管路壓降和系統壓降的比值在0.45～0.50的區間時，系統中各末端的流量接近于設計流量值，系統的穩定性較好。

2.2 異程系統

2.2.1 系統介紹

圖5為具有15個末端支路的異程式水系統管網示意圖，各控制回路均由平衡調節閥控制該末端回路的流量，供回水干管均接自空調立管，圖中從左到右依次為1～15號末端支路。

本案例水系統管網采用流速法設計，主干管流速在0.5～0.8m/s左右，對應的單位長度摩擦壓力損失（比摩阻）106Pa/m。如圖5所示，PAB和PCD為供回水干管壓降，PBC段為末端用戶壓降，PAD段為系統總壓降。設計工況下，系統管路的壓降與系統總壓降的比值為54.24%，其中：管路壓降為PAB+PCD。

圖5 異程式水系統示意圖

2.2.2 系統變負荷運行特性

設計工況下，系統各末端流量值均為設計流量，依次關閉各支路，可以計算出部分負荷運行時各支路的流量值以及水力穩定性系數。見表3。

表3 部分負荷運行時各末端支路的水力穩定性系數

由表3可以歸納出同程系統變負荷運行時，系統水力穩定性的一些規律：

1）支路1和2，5和6，8和9，10和11，12和13， 14和15是純粹的并聯關系，所以它們之間的相互影響是相同的，它們受其他支路的影響也是相同的。

2）關閉某一末端用戶，其影響范圍呈現由近及遠的規律，即距離關閉的支路越近，其水力穩定性越差。

3）隨著系統運行負荷的不斷降低，末端支路的水力穩定性系數變大，系統的水力穩定性變差。

2.2.3 提高水力穩定的方法

和同程系統一樣，提高系統水力穩定性的措施為：相對地減少網路干管的壓降，具體做法為增大干管管徑。干管管徑改變前后的水壓圖見圖6。

圖6 系統干管管徑變化前后的水壓圖

改變干管管徑后，同樣依次關閉各支路，計算出部分負荷運行時各支路的流量值以及水力穩定性系數。見表4。

表4 干路管徑變化前后支路水力穩定性系數

由表4可知，干管管徑改變后，系統各支路的水力穩定性系數趨近于1，說明系統的水力穩定得到了提高。同時，隨著干管管徑的增大，系統的水力穩定性越來越好。如圖7和圖8所示。

圖7 空調負荷70%時各末端的水力穩定性系數

圖8 空調負荷30%時各末端的水力穩定性系數

2.2.4 分析小結

對于異程系統，增大管網干管管徑至DN100時，經過計算，管路壓降所占比例為28.10%；而增大管網干管管徑至DN125時，管路壓降所占比例則為15.46%。

故可以得出結論：對于異程系統，當管路壓降和系統壓降的比值在0.15～0.20的區間時，系統中各末端的流量接近于設計流量值，系統的穩定性較好。

3 結論

對于空調水系統，關閉某一末端用戶，其影響范圍呈現由近及遠的規律，即距離關閉的支路越近，其水力穩定性越差。隨著系統運行負荷的不斷降低，末端支路的水力穩定性系數變得越來越大，系統的水力穩定性越來越差。

通過分析計算，在傳統設計工況下，適當增大干路管徑，當空調系統在部分負荷運行時，系統的穩定性得到提高。對于同程系統，當管路壓降和系統壓降的比值在0.45～0.50的區間時，系統的水力穩定性較好，而對于異程系統，當干管壓降和系統總壓降的比值在0.15～0.21的區間時，系統的水力穩定性較好。

本文通過對實際空調系統案例的研究，可以為空調水系統的設計提供一定的指導作用。

[1] 王民.一次泵變流量空調水系統節能特性研究[D].上海:同濟大學,2006

[2] 符永正.異程系統和同程系統水力穩定性分析和比較[D].武漢:武漢科技大學,2005

[3] 朱明杰.空調冷凍水系統運行控制策略[D].上海:同濟大學, 2007

[4] 江億.管網可調性和穩定性的定量分析[J].暖通空調,1997,27 (3):1-7

[5] 秦緒忠,江億.供熱空調水系統的穩定性分析[J].暖通空調, 2002,32(1):12-17

[6] 陳定藝,劉金祥.部分負荷下二次泵水系統管網特性研究[J].暖通空調,2011,41(11):101-105

Case Studies to Improve the Stability of Dynamic Hydraulic Pipe Network

SHENG Chao1,GONG Yan-feng1,2

1 College of Urban Construction and Safety Engineering,Nanjing Tech University
2 Green Building Research Center of Jiangsu Province

Aiming at the shortcomings of existing air conditioning system exists in the design process,that system at part load uneven distribution of each terminal equipment,in order to improve the stability of the dynamic hydraulic pipe network,a new drop proportional control method was proposed,to arrive at the reference design and operation of adjusting the conclusion conditioning water system available.

variable flow,network characteristics,hydraulic imbalance,pipeline pressure drop

1003-0344（2015）04-051-4

2014-3-24

盛超（1988～），男，碩士研究生；南京市鼓樓區中山北路200號南京工業大學圖書館315（210009）；E-mail:shengchao8811@163.com