变流量系统稳定性及减少输送能耗的研究

论文摘要

随着节能和室内环境要求的愈来愈高,供暖和空调系统广泛采用了变流量技术,即用改变动力或改变阻力的方式调节系统、支路以及末端设备的流量,使之与经常变化的动态热(冷)负荷相匹配。改变阻力的流量调节,往往用于支路或末端设备。这种调节方式会产生耦合干扰,即一个支路的流量调节,将对其它支路的流量产生影响。耦合干扰强谓之稳定性差,耦合干扰弱谓之稳定性好。提高系统的稳定性,对于节能,对于供暖和空调质量,对于延长末端设备自动调节装置的寿命,具有重要的意义。关于改变动力的流量调节,泵与风机的变速因有显著的节能效益,被认为是最好的方式;多泵(风机)并联改变运行台数的调节,因其控制简单,也被广泛采用。泵与风机变速调节的节能效益与管路特性有着密切的关系,研究它们之间的关系,提出变速调节节能效益的预测方法,对于各种工程采用变速调节的节能评价,以及是否采用变速调节的决策,是十分必要的。多台并联改变台数的调节,在调节过程中,泵或风机的单机工况会发生很大的改变,这可能导致两个问题,一是泵与风机效率的降低;二是超载现象的发生。研究调节过程中,单机流量的变化规律,提出单机流量和系统流量的预测方法,对于这种调节方式的决策,对于设备选型、系统设计以及运行指导是很有意义的。另外,常规的动力集中系统,不得不用调节阀进行系统的平衡和支路的流量调节,因而存在调节阀能耗。动力分散系统不但在系统的母管上,而且在各支路上设泵(或风机),并实行变速控制以调节流量,可以减少乃至消除调节阀能耗;但投资增大,控制复杂。因此,研究动力集中系统中,调节阀能耗在动力设备提供的能量中所占的份额,也就是研究动力分散系统的节能幅度,其结论对于动力分散系统的合理推广,有重要的参考意义。在稳定性研究方面,所做的主要工作是:①针对闭式水循环系统,采用关闭某个支路,进行网络求解,计算其它支路的流量偏离系数的方法,分析了各种相关因素对稳定性的影响。主要结论为:减小干线阻抗,增大支路阻抗,可以提高系统的稳定性。改变动力的集中调节对系统的稳定性没有影响,改变阻力的集中调节将使系统的稳定性恶化。泵的特性曲线对系统的稳定性有影响,平坦型对应的稳定性优于陡降型对应的稳定性。异程系统,离热源愈远的支路,稳定性愈差。同程系统,网路中部的支路稳定性最差。同程系统的稳定性总体上不如异程系统。②提出了基于敏感度的闭式水循环系统稳定性评价方法。③通过理论分析和实例计算,对几种常见的局部控制方式,进行了被控环路的稳定性比较,结果是:恒压差控制稳定性最好,恒开度控制其次,恒流量控制最差。④参与了ZY47型自力式压差控制阀等自力式阀门的研制、性能实验以及适用条件和应用方法的研究。这些阀门对于供暖空调水系统提高稳定性和运行安全性,可以发挥重要的作用。。通过分析泵的变速工况随系统背压的变化规律,深入研究了背压对泵与风机变速调节节能效益的影响,得到以下结论:无背压系统变速调节的节能效益最好,有背压系统则随背压的增大,变速调节的节能效益逐渐降低。背压增大到一定程度,变速调节工况与节流调节工况的轴功率相当接近,若把变速装置的效率考虑在内,二者的实际能耗相差无几,这时变速调节就失去了节能的意义。文中在对大量的计算结果进行无因次整理的基础上,提出了水泵变速调节节能效益的预测方法。对于泵/风机多台并联改变台数的调节,首先分析了并联流量增量的影响因素,指出了并联流量增量过小在变台数运行时可能出现的问题。然后,探讨水泵变台数运行时,单台流量的变化规律。在此基础上,提出了水泵多台并联变台数调节中,单台流量和系统流量的无因次预测方法,以方便是否超载和是否满足调节要求的判断。依据流体系统水力平衡原理分析了动力集中系统中调节阀能耗在动力设备的输出功率中所占的份额。结果表明,系统愈大,这个份额愈高。在设计工况,就热水供暖系统而言,小型系统可超过20%,大中型系统可超过30%。因此,对于大中型系统,采用动力分散方式有重要的节能意义。另外,对目前最先进的手动平衡和调节设备—平衡阀,选择SP型进行了流量特性实验,以实验数据为基础,一是指出了SP型平衡阀性能改进的方向;二是将口径、流量、压差、开度几者间的关系用两种数学方式表达,以满足工程应用的需要。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的提出
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文的主要工作
• 2 闭式水循环系统的稳定性分析
• 2.1 引言
• 2.2 闭式管网的求解方法
• 2.3 稳定性的分析方法
• 2.4 异程系统的稳定性
• 2.5 阻抗分布对稳定性的影响
• 2.6 集中调节方式对稳定性的影响
• 2.7 泵的选型对稳定性的影响
• 2.8 同程系统的稳定性
• 2.9 本章小结
• 3 基于敏感度的闭式水系统稳定性评价
• 3.1 敏感度的定义
• 3.2 敏感度的计算
• 3.3 闭式水系统的稳定性评价
• 3.4 计算实例及分析
• 3.5 本章小结
• 4 局部控制方式与局部稳定性
• 4.1 引言
• 4.2 分析模型
• 4.3 被控环路对上级管路供回水压差波动的反应
• 4.4 被控环路内部各支路间的调节干扰
• 4.5 计算实例
• 4.6 本章小结
• 5 自力式控制阀的研发及应用研究
• 5.1 引言
• 5.2 ZY47 型自力式压差控制阀
• 5.3 ZL47 型自力式流量控制阀
• 5.4 自身压差控制阀
• 5.5 自力式限流止回阀
• 5.6 本章小结
• 6 管路特性对泵/风机变速调节节能效益的影响
• 6.1 引言
• 6.2 泵/风机的工况相似
• 6.3 变速调节的工况确定
• 6.4 背压对变速节能效益的影响
• 6.5 泵/风机变速节能效益的预测方法
• 6.6 本章小结
• 7 泵/风机多台并联的变台数调节分析及流量预测
• 7.1 引言
• 7.2 并联运行流量增幅ΔG 的影响因素
• 7.3 超载与ΔG
• 7.4 水泵并联变台数调节的流量预测
• 7.5 并联水泵的选型及系统设计
• 7.6 本章小结
• 8 流体系统的动力配置方式对输送能耗的影响
• 8.1 引言
• 8.2 常规系统的调节阀能耗
• 8.3 动力分散系统的结构
• 8.4 动力分散系统的应用
• 8.5 本章小结
• 9 平衡阀流量特性的实验研究
• 9.1 引言
• 9.2 平衡阀的特点及作用
• 9.3 阀门的流量特性
• 9.4 SP 型平衡阀流量特性实验及结果分析
• 9.5 SP 型平衡阀流量特性的数学表达
• 9.6 本章小结
• 10 全文总结
• 10.1 全文总结
• 10.2 进一步工作的建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读博士学位期间论文发表和获奖