管网可调性和稳定性的定量分析_1
13页1、从本学科出发,应着重选对国民经济具有一定实用价值和理论意义的课题。课题具有先进性,便于研究生提出新见解,特别是博士生必须有创新性的成果管网可调性和稳定性的定量分析 摘要: 为了 研究 热网及空调水系统的调节特性,设计调节性能好的管网,评价不同连接方式的管网对调节特性的 影响 ,给出了水系统变流量调节时,各用户支路可调性和稳定性的定量定义及它们的具体 计算 方法 与现场实测验方法。 关键词: 管网 调节特性 变流量系统 计算方法 1 引言 水网是暖通空调系统的重要组成部分。供热系统的运行调节主要是热水管网的调节。随着系统规模的增大,空调冷冻水系统、冷却水系统也愈来愈复杂,愈来愈重要。水系统的任务是通过水的循环来传输冷量和热量,由于系统负荷的变化,导致各个用户要求通过的循环水量也要随之变化。这就要求对管网进行调节以实现这种改变了的流量分配。许多运行调节中的 问题 都源于对管网的这种调节中。例如,有时通过调节阀门,很能难准确地实现要求的流量,图1为阀门开度与流量变化关系一例。此时,尽管随阀门开度增大,流量可以在0到100%范围内变化,但实际上很难真正达到中间的某个流量,调节性能很不好。由于流
2、量难以准确调节,就导致温度不能准确调节,配有自动控制的阀门还会来回振荡,此时我们称其为可调性差。再一种情况是几个支路间的相互影响。一个支路开大阀门以加大流量,邻近支路流量就会相应减少。我们称此为稳定性差。设计管网时除满足其流速、压降、噪声等方面的要求,还希望系统能够有较好的可调性和稳定性。在对系统进行调节或实施自动控制时,还希望了解其可调性及稳定性,从而采取相应的调节手段和控制算法。然而尽管这两个概念一直被设计和运行人员重视,但一直未见具体的定量定义及定量度量方法,从而对这两方面的性能仅能进行定性的 分析 与评价。为此,本文提出对这两个性能的定量定义及其具体计算方法,并利用此方法对一实际系统进行一些分析以进一步说明其真正含义。 图1 阀门调节过程一例 可调性定义与计算方法 阀门两端压差恒定时通过阀门的流量G与阀门开度K之间的关系,可用下式给出: 式中G max 为全开即K=1时的流量。对于所谓线性特性的调节阀,其相对流量与开度成正比,即: 然而,当此阀门与一个设备串联时,其流量特性就不再是线性。此时若支路两端的压差p为常数,则可导出通过阀门的相对流量为: 式中m为阀门全开时该支路上除阀
3、门外其它部分的压降与阀门的压降之比。当m=0即其它压降可忽略不计时,G/Gmax=K。只有这时阀门调节特性才真正成为线性。图2为不同m值时相对流量随阀门开度K的变化。从图中可看出当m=10时此支路的调节性能已经很差。图不同m值时的调节特性 实际上支路两端压差并不能恒定,往往由于与水泵或管网的其它部分连接而产生波动。此时其调节特性将进一步变差。图3为一简单的循环水系统,当阀V全开且ab间的压差为水泵两端压差的三分之一时,不同m值时的调节特性由图2中的虚线给出。比较图2中的实线与虚线,可以看出管网的结构、水泵的特性都将影响支路最终的调节性能。这样,一个支路上安装一个阀门后,该阀门对此支路流量的调节作用与如下三个因素有关:阀门本身的调节特性;支路的阻力;该支路外管网其它部分的影响。为了仅研究后两个因素对调节性能的影响而不涉及阀门本身的特性,可以先考虑阀门为上述线性调节特性时该支路点的调节特性。此时,可将相对流量对开度K的导数在K=1即全开时的值定义为支路i的可调性R i ,即: 图简单的水系统一例 当支路i两端为恒定压差时,由式知 当m=0时,R i =1,这相应于线性调节特性;当m=10时
4、,R i =,即调节性能很差。因此,对于线性阀门,R在0到1之间,愈接近1调节性能愈接近线性。实际管网中某支路的可调性可直接测得,可以测阀门开到90%时与阀门全开时的流量之比,得到 亦可通过测事实上该支路上部件两侧压差p的变化来计算: 下面讨论当已知管网结构参数及泵的性能曲线时,如何计算各用户支路的可调性R。定义一个支路的阻力系数S为: p为该支路两端的压降,G为该支路流量。因此,由式,可调性为: S i 为带有阀门的支路的阻力系数,由式可导出: 因此, 式中r Gi , r Si 分别为支路i的相对流量及相对阻力系数。 只要计算出支路流量G i 对支路阻力系数S i 的导数,即可求出支路i的可调性。此导数与整个管网的结构及泵的特性均有关系,因此需对整个管网结构进行全面分析后,才能得到。按照图论方法,管网拓扑结构可以用它的关联矩阵A来描述,其中的元素a i,j 为: 节点i的流体直接进入支路j 支路j的流体流向节点i 支路j与节点i不直接连接 对于一个有n个支路m个节点的封闭的循环管网,去掉作为 参考 压力的节点,矩阵A为n行m-1列的矩阵,满足如下方程: 流向各节点的流量代数和为零
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