某城市地铁空调水系统设计中平衡阀的应用

李森生

中铁第四勘察设计院集团有限公司

某城市地铁空调水系统设计中平衡阀的应用

李森生

中铁第四勘察设计院集团有限公司

通过比较平衡阀单独使用和平衡阀组合压差控制器使用对水力稳定的影响，认为平衡阀组合压差控制器使用，能有效地吸收被控对象外的压力波动，使被控对象能在稳定的环境中实现线性控制。考虑安装条件的有限性，建议地铁车站采用动态流量平衡阀，同时通过比较分析，建议空调水系统设计采用末端压差控制法。

平衡阀 线性控制 干管压差 末端压差

1 平衡阀控制原理及选取

1.1 平衡阀控制原理

比例积分控制阀具有调节和测量流量的功能，静态平衡阀和动态压差控制阀组合能保证在系统压力变化时比例积分控制阀两端的压降基本保持不变。空调末端装置设计选型好之后，其出力曲线是客观固定的，如图1（a）所示，这就要求控制阀的流量特性曲线为等百分比的特性曲线（如图1（b）），这样才能为自控提供简单可靠的线性控制（如图1（c）），从而实现对室内温度的准确控制，实现设计的舒适度。比如，当比例积分控制阀开度为40%时，系统流量约为14%，对应空调末端的负荷出力约为40%，也就实现阀开度为40%，负荷出力亦为40%，从而实现了线性控制。因此，等百分比的特性是电动控制阀的一个最基本的要求。

其次，还需要保证在系统压力变化的时候电动控制阀部分两端的压降基本保持不变。此功能对动态平衡电动调节阀来说是非常重要的功能，也是真正检验动态平衡电动调节阀是否能发挥作用的根本，只有保证控制阀在设计流量下其两端的压降保持不变的情况下，才能真正保证控制阀有很好的阀权度。阀门特性随阀权度按比例偏离理想特性，阀权度越小，阀门特性的偏离越大。

当阀门在较小阀权度下工作时，如果负荷变化使阀门进行调节时，会产生较大的偏离。

1.2 平衡阀的选取

1.2.1 平衡阀的单独使用

图2所示的空调冷冻水系统是一个带有多个并联环路。该系统为一次泵变流量系统。系统的末端是多台空调器和风机盘管，均采用电动二通调节阀调节水量以实现末端负荷需求的变流量系统，但当某个用户进行负荷调节时所引起干管的压差变化会影响到其他回路的阀门工作环境，这种变化可能会引起电动二通调节阀的控制失灵，对整个系统造成不利的影响，从而达不到调节目的。

图1 动态平衡电动调节阀的控制曲线图

例如，当图2中的1-1支路控制某台空调器的电动二通调节阀的传感器检测到室温降低时，电动二通调节阀在传输信号作用下关小，此时，水泵扬程近似不变。由于系统流量减小，在其他管道阀门没有调节的情况下，消耗在这些管件上的压降减小，导致1-1支路上电动阀两端的压差增高。由于阀门特性随阀权度按比例地偏离，再结合空调器的静特性（图1（a）），则空调器换热能力随阀权度的偏离也越大（例如直线流量特性的调节阀，当阀权度低于0.3时，其工作流量特性曲线严重偏离理想流量特性，近似快开特性）。此时实际的流量会高于理论流量，导致电动调节阀在该开度下的冷量高于预期值。即使阀门再关小，但因压差进一步增高，流量仍将高于需要量，电动二通调节阀只有继续关小，直至关闭。电动二通调节阀关闭后，房间温度很快就会上升，传感器检测到室温升高时，电动二通调节阀在传输信号的作用下就会全部打开。当房间负荷减小时，电动二通调节阀重复调节，其结果使在较低负荷运行的阀门不停开关，导致振荡现象。

同时，总流量的减少，亦导致其他支路上作用压头增大，使得这些支路上流量增大，出现过流现象，最终导致房间温度过低，造成能源的浪费。

图2 电动二通阀单独使用

1.2.2 平衡阀的组合使用

采用在电动二通调节阀前串联一个压差控制阀的方法，可以改善电动二通调节阀的调节效果。动态压差控制阀（简称压差控制阀）能自动恒定被控环路的压差[1]，且不需外力作用。对具有多个支路的环路装设压差控制阀，不但可以吸收外网的压力波动，隔离被控环路以外的干扰对其影响，而且可以减弱被控环路内部各支路负载间的相互影响，使电动二通调节阀始终在阀开度接近1.0的情况下工作，避免阀开度过小，从而避免出现调节振荡。如图3。

图4的连接也可以保证电动二通调节阀的调节不受外网或其他支路调节的影响，且在已建地铁车站中应用较多。但是，这种连接由于受到负荷侧设备压降的影响，qv=△P2/(△P1+△P2)），阀权度大大减小，即不能保证电动二通调节阀的工作特性与理想特性一致，导致其工作流量特性较理想流量特性有所偏离。

图3 静态平衡阀设于回水管路上的情况

图4 静态平衡阀设于供水管路上的情况

1.3 地铁车站冷冻水系统控制阀选用

通过1.2.1-1.2.2节对平衡阀单独使用和组合使用比较分析，设计中建议该地铁线采用图3的连接形式。

但由于地铁车站土建条件的局限性，机房空间不是很宽裕，要同时装设三种阀门及其他附件，需要较大的安装空间。故建议该地铁线采用一种“动态流量平衡调节阀”，这种功能阀它集前述三种阀门（静态平衡阀、比例积分控制阀、压差控制器）控制功能于一体，因此也极大压缩了阀门部件的内部结构，对阀体的加工精度要求也高。

图5 地铁车站水力系统简化图

2 地铁空调水系统压差控制点的选择

2.1 末端压差控制方法

末端压差控制方法，如图5，即在环路上每个末端支路均设置动态流量平衡调节阀。部分负荷下，室内温控器根据室内温度的变化改变控制阀的开度，末端支路两端作用压差随末端调节阀开度的改变而改变。

控制曲线为：

管路系统特性曲线为：

式中：S1为1-1支路前管路系统的总阻抗；Hm为1-1小支路间的作用压头；Q为空调冷冻水系统流量。

图6中①为设计工况下管路特性曲线；②为系统控制曲线；③为设计工况水泵性能曲线。①②③相交于一点Ao(Q0，H0)，即设计工况点，它同时满足式（1）和式（2），则：H0=S1Q02+Hm，H0=SQ02。

理论上S1不变，令Hm=S2Q0（2S2为设计工况末端支路阻抗），则S2=Hm/Q02，S=S1+S2。

部分负荷情况下，系统流量变为Q，此时被控环路阻抗S2'=Hm/Q2，S'=S1+S2'。显然部分负荷情况下S2'＞S2，即部分负荷情况下末端支路阻抗增加，且与流量的二次方成反比关系；S'＞S意味着部分负荷情况下系统阻抗增加，管路特性曲线发生改变。

图6 末端压差控制工况变化示意图

2.2 干管压差控制方法

干管压差控制方法，对于标准地铁工程，是指每个车站供回水总管上，如图7。

系统控制曲线为：

管路系统特性曲线为：

式中：S1为两点间冷热源侧阻抗；Hg为两点间压差；Q为空调冷冻水系统流量。

图7 地铁车站水力系统简化图

图8 干管压差控制工况变化示意图

图8中①为设计工况下管路特性曲线；②为系统控制曲线；③为设计工况水泵性能曲线。①②③相交于一点Ao(Q0，H0)，即设计工况点，它同时满足式（3）和式（4），则H0=S1Q02+Hg，H0=SQ02。

理论上S1不变，令Hg=S2Q02，则S2=Hg/Q02，S=S1+S2。部分负荷情况下，系统流量变为Q，被控环路阻抗S2'=Hg/Q2，S'=S1+S2'，此时管路特性曲线为H=S'Q2。

显然部分负荷情况下S2'＞S2，即部分负荷情况下被控环路阻抗增加，且与流量的二次方成反比关系；S'＞S意味着部分负荷情况下系统阻抗增加，管路特性曲线发生改变。阻抗增大，意味着阀门消耗的压头增大。

2.3 两种控制方法能耗比较

末端压差控制条件下管路阻抗的增加远小于干管压差控制条件下管路阻抗的增加[2]。

干管压差控制条件下，△S=△S2=Hm/Q2-Hm/Q02；末端压差控制条件下，△S=△S2=Hm/Q2-Hm/Q02。

故，建议地铁车站冷冻水系统采用末端压差控制方法进行水力稳定。即对末端每个控制对象均设置动态流量平衡电动调节阀。

3 结论

通过比较分析，建议该地铁线空调水系统末端选用动态流量平衡调节阀，可以有效地实现冷量与阀门开度的线性控制。同时建议在地铁车站的每个末端空调器，或者每个控制单元的回水管路上设置动态流量平衡阀。

目前该条地铁线已投入试运营，采用该控制方式的空调水系统已基本通过调试验收。

[1]符永正.自力式压差控制阀在空调系统中的应用[J].阀门,2008, (1):38-40

[2]周红丹.空调冷冻水系统输送节能的研究[D].武汉:武汉科技大学,2009

Applic a tion of Ba la nc e Va lve in the De s ign of the Subw a y Air Conditioning

LI Sen-sheng
China Raiway Siyun Survey and Design Group Co.,Ltd.

Through comparing balance valve used only with it used with pressure difference controller,it can conclude that balance valve used with pressure difference controller will absorb the pressure fluctuation to achieve linear control. Given limited installation conditions,this paper suggests using dynamic flow balance valve and terminal pressure difference control.

balance valve,linear control,pressure difference in main pipe,pressure difference in air terminal

1003-0344（2015）03-099-4

2014-2-20

李森生（1985～），男，硕士，工程师；湖北武汉市武昌区和平大道745号（430063）；E-mail:45386209@qq.com