基于旁通压差控制的冷冻水管网稳定性研究

黄 庆，孙 攀，谢 晴，谢军龙

（华中科技大学能源与动力工程学院，湖北 武汉 430074）

基于旁通压差控制的冷冻水管网稳定性研究

黄 庆，孙 攀，谢 晴，谢军龙

（华中科技大学能源与动力工程学院，湖北 武汉 430074）

建立了异程式与同程式布置的旁通压差控制冷冻水系统仿真模型。采用关闭某一支路，计算其它支路水力失调度的方法，分析了末端采用通断调节时，系统水力稳定性随压差监测点位置的变化规律。结果表明：压差监测点位置离冷源越远，系统整体的水力稳定性越差；用户支路距离压差监测点越近，其稳定性越好，同时干扰性越强；旁通压差控制的压差监测点宜设置在旁通管两端。在冷源侧采用温差控制水泵变频调节后，管网的水力稳定性明显提升。

异程； 同程； 旁通压差控制； 水力稳定性； 压差监测点； 温差控制

0 引言

在集中空调冷冻水系统中，用户通常需要调节流量以满足舒适性和节能的需求。因为系统的流量分布取决于管网的阻抗分布，某一用户支路流量的主动调节势必引起其他用户流量变化，这不仅影响了室内的温湿度环境，还造成能源浪费。虽然运用先进的控制手段可以基本消除此类调节干扰，但却增加了初投资。因此合理设计管网，提高系统稳定性，减小各支路间的调节干扰，并辅助自动调节设备是最经济有效的方法。对于管网稳定性的研究，秦绪忠，江亿[1]提出水力稳定性的定性评价指标，并分析比较了一次泵同/异程系统、分散式动力系统、环网系统的稳定性。符永正等人[2-3]用流量偏离系数全面分析同程、异程与压差变频控制的管网稳定性。关于旁通控制的研究，张再鹏等人[4]推导不同旁通控制法旁通流量的计算公式；刘金平[5]研究了旁通阀的工作特性，将其划分为欠压区、定压区与超压区。关于温差控制的研究，李苏珑[6]和陈峰[7]提出温差控制法适用于末端不设调节阀、负荷分布均匀且变化规律相近的场合，否则易造成水力失调；Xinqiao Jin等人[8]提出应同时优化冷冻水供回水温差设定值与二次泵扬程以使系统能耗最低。Xuefeng Liu等人[9]研究了供回水温差随水泵频率的变化规律。在上述研究水力稳定性的文章中，均忽略了旁通回路的调节作用，对于一次泵变流量系统，部分负荷下压差控制点设置于最不利末端比干管位置更为节能已成为共识，但对于采用旁通压差控制的一次泵定流量系统，压差监测点对于系统稳定性与节能运行的影响却知之甚少，且鲜有对温差控制变流量系统稳定性的研究。

针对上述问题，首先建立了异程式与同程式一次泵冷冻水管网计算模型，模型采用旁通定压差控制，采用关闭某一支路，计算其它支路水力失调度的方法，分析了压差监测点位置对管网稳定性的影响，为压差监测点位置的选取提供理论指导。由于旁通压差控制冷源侧实际上仍是定流量运行，不利于水泵节能运行，故引入温差控制水泵变频调节，并研究其水力稳定性。

1 旁通压差控制管网水力特性

1.1 冷冻水管网布置形式

冷冻水管网主要有同程布置和异程布置形式，如图1所示，每个用户支路均包括AHU，通断二通阀Vn，静态调节阀VJn及连接管道等元件。

图1 冷冻水管网拓扑结构Fig.1 Topological structure of chilled water pipe network

1.2 基本计算条件

冷冻水系统仿真模型由10个支路组成，为简化分析，假设每个用户的设计流量相同且均为12 m3/h。管道的绝对粗糙度K取0.3 mm，用户与旁通支路管径统一为0.05 m，管长为5 m，供回水干管管径标识于图1中，管长除回水同程管长50 m，其余均取10m。管网中主要设备见表1。

表1 冷冻水系统设备列表Tab.1 Parameters of equipment for chiller water system

风机盘管额定流量12 m3/h，制冷量70 kW，压降66 kPa阻抗S=458.3 Pa/（m3/h）2

1.3 水力失调

对于一个具有若干支路的冷冻水管网，设计工况确定后，当某一支路流量主动调节，其余支路将发生不同程度的水力失调，并导致系统流量分配不合理：有些用户出现过流量现象，表现为空调区过冷；而有些用户出现欠流量现象，表现为空调区过热。为此必须提高系统的水力稳定性减轻由于调节干扰造成的水力失调，以满足用户的舒适性需求。

水力失调程度可用实际流量与设计流量的偏差与设计流量的比值X衡量：

式中 X—水力失调度；

Qs—实际流量，m3/h；Qd—设计流量，m3/h。

显然X愈接近0，该支路的水力稳定性越好，反之，稳定性越差。将以水力失调度指标进行稳定性的对比和分析。

2 模拟分析

2.1 假设条件

（1）用户支路的AHU均采用双位电动阀通断控制。

（2）支路距冷源由远至近分别编号为Z1，Z2，…，Z10，ZPT。

（3）调整各支路静态平衡阀VJn，使各末端通断控制阀门全开时各用户的流量均等于设计流量。

（4）用户支路二通阀在全开时的阻抗为常数，设备及管道阻抗为常数。

（5）用户支路AHU冷负荷恒为70kW。

2.2 模拟结果分析

以设计工况下某支路压降作为压差监测点设置于该支路两端时的压差设定值，研究压差信号监测点位置变化对管网水力稳定性的影响。将压差监测点分别设置于支路Z1、Z5、和ZPT两端，均依次关闭各用户支路通断二通阀V1至V10，观察其余支路的流量分配情况。

2.2.1 异程式管网压差信号监测点的优化

图2-图4分别为异程式管网压差信号监测点设置于Z1，Z5，ZPT两端时，关闭某一支路Zn，其余支路的流量分配结果。

图2 异程式压差监测点位于Z1两端时的流量分配Fig.2 The flow distribution of the differential pressure controlling point located at the end of Z1 for direct return network

如图2所示，压差监测点设置于Z1两端，关闭任意支路Zn，Zn下游用户（Z1-Zn-1）的资用压头不变，表现为其下游支路水力失调度均为0；而Zn上游用户实际流量均小于设计流量，且距Z1越远，欠流量现象越明显；主动关闭支路Zn距压差监测点越近，其余支路的水力失调现象越严重。如关闭Z1时，Z10的水力失调度达到25%，严重影响空调区的舒适性。

图3 异程式压差监测点位于Z5两端时的流量分配Fig.3 The flow distribution of the differential pressurecontrolling point located at the end of Z5 for direct return network

如图3所示，压差监测点设置于Z5两端，关闭Zn（n＜5），所有末端均出现水力失调。Z5上游的用户欠流量，而Z5下游的用户过流量，其中Zn下游的用户过流率相同；关闭Zn（n≥5），Zn下游各支路资用压差不变，水力失调度为0，Zn上游各支路欠流量，各末端水力失调不一致；距Z5越远的支路，同一工况下的水力失调越严重。

如图4所示，压差监测点设置于ZPT两端，关闭Zn，其余末端均发生过流量现象，其中Zn下游的支路过流率相等，Zn上游的支路过流率由远至近（距冷源）依次减小；主动关闭支路Zn越远，其余支路的过流率相对越大。

图4 异程式压差监测点位于ZPT两端时的流量分配Fig.4 The flow distribution of the differential pressure controlling point located at the end of ZPT for direct return network

为深入探究压差信号监测点位置对异程式管网水力稳定性的影响，将监测点分别设置在支路Z1、Z3、Z5、Z7、Z9、ZPT两端，依次关闭支路Z1-Z10，观察90%用户率下旁通回路与水泵的流量变化特性。如图5、图6所示，旁通流量与水泵流量同步变化。压差监测点设置在支路Zi两端，Zi越远（距冷源，下同），旁通与水泵流量越大，意味着水泵能耗浪费严重；由远至近关闭支路Zj，旁通与水泵流量均先增大后减小，在i=j时达到最大；当压差监测点设置在旁通管两端时，旁通回流量最小，水泵始终定流量运行，即压差监测点设置在旁通管两端时，在旁通回路水力可调的情况下，即使负荷侧的阻抗改变，旁通阀的调节作用仍维持管网的总阻抗恒定。从水力稳定性角度，因为靠近压差监测点位置的用户，其资用压差相对稳定，所以用户以压差监测点为分界向两侧由远至近稳定性逐渐变好，但其干扰性逐渐增强[1]，即靠近压差监测点的支路其阀位变化对其他支路流量影响较大。因此尽量将压差监测点设置于阀位不频繁变动的用户两端。以压差监测点设置在Z1两端为例，关闭Z1，该工况下，系统水力失调严重，旁通回流达到59m3/h，多支路水力失调度＞15%，严重影响室内舒适度。究其原因，此时Z1两端压差为7.36mH2O，旁通阀失控。因此，对于采用旁通定压差控制的异程式系统，综合考虑节能及水力稳定性，宜将压差监测点设置于旁通管两端。

图5 异程式管网90%用户率下水泵流量的变化特性Fig.5 Flow rate variation characteristics of pump under 90%user rate of direct return network

图6 异程式管网90%用户率下旁通流量的变化特性Fig.6 Flow rate variation characteristics of bypass pipeunder 90%user rate of direct return network

2.2.2 同程式管网压差信号监测点的优化

图7-图9分别为同程式管网压差信号监测点设置于Z1，Z5，ZPT两端时，关闭某一支路Zn，其余支路的流量分配结果。

如图7所示，压差监测点设置于Z1两端时，对于某一被动支路Zi，关闭其上游支路对其流量的影响几近相同，表现为包络线AB上汇交的一点；而关闭其下游支路对其流量的影响差异较大，且主动关闭支路越靠近压差监测点Z1，其关闭造成Zi分配到的流量越少。例如对支路Z5，依次关闭Z1-Z4，Z5的欠流率由9%降至1%左右，而关闭Z6-Z10对支路Z5影响几乎相同。关闭某一支路Zn，其余支路的流量将以Zn为分界向两侧由近至远逐渐降低。

图7 同程式压差监测点位于Z1两端时的流量分配Fig.7 The flow distribution of the differential pressure controlling point located at the end of Z1 for reverse return network

如图8所示，当压差监测点设置于Z5两端时管网的流量分配呈现明显的对称性，这是由同程式管网对称的拓扑结构导致。以Z5为分界，关闭某一支路Zn（i≠5），同侧的支路过流量，且过流率以Zn为分界向两侧减小；异侧的支路欠流量，且欠流率由近至远（距Z5）增大。关闭Z5，其余支路均发生欠流量，且欠流率以Z5为分界向两侧增大。

如图9所示，当压差监测点设置于ZPT两端时，管网的流量分配同样呈现对称性。关闭任一支路，其余支路仅发生过流量现象，且过流率以主动关闭支路Zn为分界向两侧减小。

图8 同程式压差监测点位于Z5两端时的流量分配Fig.8 The flow distribution of the differential pressure controlling point located at the end of Z5 for reverse return network

图9 同程式压差监测点位于ZPT两端时的流量分配Fig.9 The flow distribution of the differential pressure controlling point located at the end of ZPTfor reverse return network

为深入探究压差信号监测点位置对同程式管网水力稳定性的影响，将监测点分别设置在支路Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、ZPT两端，依次关闭支路Z1-Z10，观察90%用户率下旁通回路与水泵的流量变化特性。如图10、图11所示，与异程式管网类似，同程式管网旁通流量与水泵流量同步变化，且流量变化规律类似。同样，对于采用旁通定压差控制的同程式系统，宜将压差监测点设置于旁通管两端。

图10 同程式管网90%用户率下水泵流量的变化特性Fig.10 Flow rate variation characteristics of pump under 90%user rate of reverse return network

图11 同程式管网90%用户率下旁通流量的变化特性Fig.11 Flow rate variation characteristics of bypass pipe under 90%user rate of reverse return network

2.2.3 温差控制水力稳定性研究

旁通定压差控制虽然在负荷侧是变流量运行，但由于旁通回路的调节作用，冷源侧实际仍是定流量运行，并且导致“大流量小温差”，冷水机组效率降低，不利于系统的节能运行。而在实际应用中压差旁通法通常与供回水温差控制结合作为变流量控制方法。下面将根据供回水温差信号控制水泵变频，同时考虑旁通回路的调节作用，压差监测点设置于旁通管两侧，分析在90%用户使用率下，用户的流量分配情况。

图12 异程式温差控制管网流量分配Fig.12 The flow distribution of temperature differential control for direct return network

图13 同程式温差控制管网流量分配Fig.13 The flow distribution of temperature differential control for reverse return network

水泵采用供回水温差控制调节变频后，如图12、图13所示，用户侧均出现不同程度的水力失调现象，这是因为系统处于旁通回路欠压区[6]，部分用户资用压差下降。对比图4、图9，系统的最大水力失调度都有所下降，对于异程式管网，由20%下降至15%以下，对于同程式管网，由10%下降至8%以下。由此可知，水泵采用温差控制调节变频后，管网的水力稳定性相对于冷源侧定流量运行的旁通定压差控制系统水力稳定性有所提升。因为管网的拓扑结构未改变，所以各支路水力稳定性的相对大小并未改变。

3 结论

基于旁通定压差控制的末端设置通断调节阀的一次泵系统，压差监测点的位置对于系统的节能稳定运行有重要影响。当压差监测点设置于用户支路两端，90%用户率下，冷源侧非定流量运行，且压差监测点距离冷源越远，旁通回流与水泵流量越大，意味着水泵能耗的浪费。而将压差监测点设置于旁通管两侧，虽然用户侧阻抗变化，但是旁通阀开度调节使得系统总阻抗不变，冷源侧定流量运行，所以将压差监测点设置于旁通管两侧，更有利于系统的节能稳定运行。

当压差监测点设置于Zn两端，Zn流量调节对于其他支路影响最大，应尽量避免将定压点设置于流量需要经常调节的支路上。从水力稳定性角度，距离压差监测点越近的用户稳定性越好，干扰性越强。

当冷源侧引入温差控制水泵变频流量调节手段，相对于旁通定压差控制，系统的水力稳定性明显提升。

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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

黄庆（1992-），男，安徽合肥人，硕士研究生，主要研究空