1、供热空调水系统的稳定性分析Stability analysis of hydraulic networks in heatingand air conditioning system摘要为研究不同网络连接方式和系统调节方式对系统水力稳定性的影响，采用一个通用的水力稳定性定量分析指标对常用的异程系统、同程系统、分布式变频泵系统、混水系统以及环形网的稳定性作了分析比较，得出了可供供热空调水系统设计和运行调节参考的结论。关键词：稳定性/水系统/集中供热/控制/设计AbstractAdopts a general criterion evaluating the hydraulic stability
2、 of several types of networks including direct return, reverse return, distributed-pumps and loop networks in detail, which reveals the stability differences between these networks and the factors influencing the stability and reaches a few conclusions helpful to design and regulation in operation.K
3、eywords：stability/ hydraulic networks/ district heating/ control/ design 0 引言目前，随着变频技术的发展以及系统规模的不断扩大，供热空调水系统的形式在不断发展，各种设计思想层出不穷。对这些系统性能的评价需要一些通用的指标，水力稳定性就是其中之一。水系统的功能就是通过水的循环来传输冷量和热量，系统的运行调节也主要表现为对水力参数如流量、压力或压差的调节，一个供热空调水系统往往由许多水力调节回路组成，水力稳定性就是对各回路之间相互影响程度的反映。例如当一个支路开大阀门以增加流量，其他支路的流量相应地大幅度减小时，我们就称该系
4、统“水力稳定性差“。在设计管网系统时，水力稳定性是系统设计是否合理的一重要指标，它可以帮助确定合理的系统形式，指导管网参数的合理选择。对于一个设计好的系统，在设计其控制系统或进行运行调节时，水力稳定性的研究同样具有指导意义。通过对水力稳定性的分析，可以明确系统可能达到的控制效果，找到系统控制中的薄弱环节，确定相应的调节手段和控制算法。本文采用一种通用的水力稳定性分析方法1，2对几种典型的系统形式进行分析，比较不同系统形式在水力稳定性方面的差异以及影响系统水力稳定性的主要因素，分析如何在经济上可行的情况下尺可能提高系统的水力稳定性，从而为系统的设计和运行调节提供参考。1 水力稳定性的定义将水系统
5、中的所有水力参数控制回路分为两个部分：D 和 F。D 表示其中的一个回路，而 F 是其它所有控制回路的集合。以 F 中所有回路均不控制和全部采用理想闭环控制两个过程作为基础，定义回路 D 和 F 的水力稳定性为：(1) 其意义为：在某一工况下，若 F 中的回路全为开环，改变回路 K 的调节量 MD使被调量 CD 变化 CDF；上述改变可能同时引起 F 中各回路被调量的变化，若 F 中的回路全部采用理想闭环控制，则各回路将通过调整其调节量来恢复相应回路的被调量，这些调整又会使得 D 回路的被调量变化-CDF；二者的比值就是该工况下回路 D 对 F 的水力稳定性。对某一网络的一个特定工况，Ks 随
6、集合 D，F 的选取而变化。经过上述一个回合的调整，回路 D 的被调量与设定值 Ci+CDF 的偏差为- KsCDF。经过 n 个回合的调整，其与设定值的偏差为（-Ks）nCDF。若| Ks |1，则该过程是收敛的，系统是稳定的。 Ks =0表示回路 D 与集合 F 中回路的调节互不影响，因而其稳定性最好， Ks与 0 的偏差大小反映了系统的水力稳定程度，偏差越小稳定性越好。当| Ks |=1 时，采用上述调节方式，系统将会等幅振荡，而| Ks |1，系统就会发散。应该指出，水力稳定性是水系统本身的属性，它与具体的调节器、控制器特性以及控制参数等没有关系。为了反映水系统本身的特性，上述的调节量
7、一般是管段的阻力特性系数（对应阀门调节）或水泵的转速（对就变频调节） ，而被调量一般是管段的流量、节点的压力或节点间的压差。通过理论计算或在线辨识可以得到对应某一工况和一组 D 和 F 的水力稳定值2。由于实际系统并非完全按照上述理想的运行方式来调节，因此水力稳定性与运行调节的关系也并非如前面所述的那样简单。结合实际系统的运行调节，得到水力稳定性的一般意义：| Ks |0.2 表明在该工况下 D 回路对 F 中诸回路的水力稳定性很好。此时若各回路参数已经单独整定，在运行时基本不需要重新整定D 回路的控制参数即可得到较好的控制品质。在供热空调系统设计时，应尽量使各回路的水力稳定性在此范围内，从而
8、为系统的控制和运行调节奠定基础。0.2| Ks |0.8 表明相应工况下 D 回路的水力稳定性较差。此时，如果各回路参数已经单独整定，投入运行后一般需要对控制参数进行一些调整才能使得系统正常运行。| Ks |0.8 表明相应回路的水力稳定性极差，这时如果各回路控制参数单独整定，系统整体闭环运行时几科不可避免地发生不可控的现象。需要考虑的一些其他的控制措施，如解耦控制等。当| Ks |1 时，D 回路被调量对调节量的响应在 F 中所有回路闭合时将会反向。这就是说，如果 D 回路单独整定后可以独立正常工作的话，只要 F 中的所有回路一闭合，这个本来稳定的回路马上就不稳定。当然在闭合运行时也可以通过
9、将 D 回路的调节器动作方向反过来以使得系统的调节恢复稳定，但这显然是一种不安全的情况，因为如果 F 中的回路置于手动或受到约束，系统的运行调节就将变成正反馈。因此，在输配系统的设计和控制变量的配对上要极力避免这种情况。2 异程系统图 1 是一个异程供热水网，该网络共有 6 个流量控制回路一个压差控制回路。各流量控制回路是由每一用户的调节阀控制该用户的流量，在图中从左到右依次为 1 至 6 回路；第 7 回路是压差控制回路，通过调节主循环泵的转速来控制某一用户两端的压差。水泵特性为：Hp=32.00.025G0.008G2，式中 G 为流量，m3/h。Hp 为扬程，m。各管段的阻力特性如表 1
10、 所示，对应的各用户流量均为 3.0 m3/h。图 1 异程系统表 1 异程管网各支路的阻力特性系数 h2/ m5 21 不带末端压差控制的系统一般的家庭式供暖系统通常采用质调节的运行方式，整个供暖季流量基本保持不变，系统运行好坏的关键是初调节。初调节有多种方式，最基本的是根据各用户分支的流量调节相应的阀门，相应地形成 6 个调节回路。水力稳定性的好坏将直接影响管网初调节的难易程度，对于已经完成初调节的管网，水力稳定性则反映了当其它用户流量发生空变或扰动时，自身流量保持不变的能力。另外，近几年自力式流量调节阀开始在一些管网中应用，对于这些系统，管网的水力稳支路71122334455617283
11、9Si0.010400200020004000400020284441.84441.2055支路788991010111112410511612Si00200020004000400020048660.16660.1266定性是保证自力式流量调节阀正常工作的必要条件，管网设计不合理，各用户流量耦合严重，将可能使系统发生振荡，影响系统的调节品质。仍以图 1 为例，该网络共包括 6 个流量调节回路，在设计工况下各种组合情况的水力稳定性列于表 2。由表 2 可以看出，前面 3 个用户的Ks 值都小于 0.2，水力稳定性很好，而后 3 个用户的水力稳定性则较差，在该工况下距离热源越远的用户其稳定性越差
12、，这主是因为末端用户的压力损失占整个环中的压力损失比例很小造成的。从这个意义上讲，对简单枝状管网而言，该水力稳定性指标与传统的评价方法结论是基本一致的。表 2 表异程系统各用户的水力稳定性 回路回路 FKs回路回路 FKs12-6000641-3，5-6045421，3-6006051-4，6072531-2，4-6015961-50725下面结合对水力稳定性的分析，讨论为了满足各用户的流量要求，同时提高其水力稳定性的具体措施。加粗部分干管的管径或提高水泵的扬程从表 2 可以看出，用户 4，5 和 6 的水力稳定性较差，可以考虑将 3-4 和 4-5 供回水侧的管径加粗一号，然后调整各用户阀门，使各用户的流量仍然达到 3.0 m3/h，则对应各种组合的水力稳定度如表 3 所示。表 3 管径调整后各用户的水力稳定性 回路回路 FKs回路回路 FKs12-6000641-3，5-6017621，3-6006051-4，6018231-2，4-6015961-50182从表中可以看出，干管末端局部加粗后就可大幅度提高末端用户的水力稳定性，使得所有用户的 Ks 值小于 0.2，从而满足系统对稳定性的要求。在初调节时，可以根据各回路水力稳定值的差别按由差到好的顺序调节，这样可以减少初调节的回合数。特别是对表 3 所示的各回路稳定度都很好的情况，可以大大简化初调节的过程，在初调节时可以不考虑
