朱宏耀 张吉礼

大连理工大学建筑能源研究所

摘 要：本文针对暖通空调系统常见的水量连续调节阀动态性能缺失、无法定量表达等问题，提出一种水量连续调节阀动态模型——阀门水力特性状态方程，定量描述调节阀动态调节性能。基于阀门水力特性状态方程，讨论工程现场水量连续调节阀标定的一般方法及应用条件得到所需动态性能方程。对试验阀门的标定试验研究表明该标定方法可行有效，标定结果可满足多数工程精度需求。

关键词：连续调节阀 调节阀动态性能 水力特性状态方程 阀门标定

引言

暖通空调控制系统的作用包括实现暖通系统功能、保证运行安全、降低运行能耗、改善运行管理，以满足规模不断增大、复杂度不断增加的暖通空调系统控制需求。水量连续调节阀是暖通空调系统重要的流量与能量调节部件，其重要性体现在：1）是暖通空调水系统保持管网水力平衡的重要组成部分。2）是暖通空调水系统局部流量、能量调节关键执行器，也是局部控制策略或算法被执行的最终环节。

在实际运行过程中，暖通空调系统屡屡因为阀门执行器动作不准确甚至控制失灵等因素导致暖通空调控制系统运行异常，不能满足系统运行指标及末端用户需求。产生上述问题的原因具体包括如下几个方面。

1）我国阀门标准数量有300之多，但是鲜有标准对连续调节阀调节性能做出要求和规定，现有标准仅对阀门流量系统和流阻系数等静态性能指标做出明确的要求与规范。阀门厂家由于没有规范要求通常不会主动标定且标识调节阀的动态性能。

2）现有描述调节阀性能的调节阀特性曲线所描述调节阀特性仅在调节阀两端压差一定的情况下成立，而实际工程运行环境不存在该条件。

3）调节阀性能缺乏定量客观描述，除线性特性外，快开特性等比例特性曲线都是定性描述的调节阀调节性能。图1实线所示均为具有快开特性的阀门流量开度曲线，但其调节性能相差很大，同理适用于不同厂家宣称的等比例调节阀。

图1 不同程度快开特性阀门流量开度特性曲线

4)连续调节阀执行器零点漂移、阀芯磨损等原因导致调节阀执行动作失位，而调节失位又使得阀门调节动作反复执行，加剧阀芯磨损，陷入恶性循环。

本文针刘一上述问题，提出一种调节阀动态模型，即阀门水力特性状态方程，基于该动态模型标定调节阀动态性能，可在很大程度上解决上述调节阀性能未知、且无法定量描述等问题。

1 阀门水力特性状态方程

阀门是一个流动阻力元件，阀门流阻系数ζ是用来表征流体通过阀门产生压力降大小的无量纲参数，其数值大小由阀门的种类(阀门内部结构、材质、形状等)、阀门流道内径、阀门开度等决定。对于已在管路中安装的调节阀，如不考虑阀门的磨损结垢等情况，则影响阀门流阻系数的主要因素只有阀门开度。所以实际运行下的调节阀阀门流阻系数可化简为如下的表达式

式中:ζ为调节阀的流阻系数;X_st，为调节阀的结构形式;Xma为调节阀的阀体材料;x_sh。为调节阀的流道形状;X_di为调节阀阀体内径;S为调节阀开度。

由流体力学基本知识可知阀门流动过程服从达西一魏斯巴赫公式

式中:h为调节阀两端的压降，m;ζ(s)为调节阀流阻关于阀开度s的函数，量纲为1;u_ν为调节阀阀芯处流通面积A_ν处的平均流速，m/s ; g为重力加速度，m/s²。

同一管道内两通阀调节阀前后其流体质量流量守恒，即

式中:G_ν为调节阀流通流量，m³/s ; A_ν为调节阀阀芯处流通面积，是阀开度s的函数，m²;G_p为管道内流量，m³/s; u_p为调节阀前后连接管道内的平均流速，m/s ; A_p为调节阀前后连接管道内的流通而积，m²; G为两通阀及前后管道流量，m³/s。

由于调节阀内部机构复杂，调节阀的流通而积是调节阀开度的函数，其流通而积测量较为困难，描述其流场分布也是极其困难的。为了应用分析方便，将式(3)带入式(2)可得

A(s)为调节阀开度导纳函数，表征调节阀导纳(调节阀阻抗的倒数)大小与调节阀开度关系的函数，量纲为m⁵/s²。m⁵/s²单位较大，实际使用m⁵/h²更为合理，此时相应的阀门两端压降h的单位为m，流量G的单

位为m³/h。其具有如下物理意义:

1)调节阀开度导纳函数A(s)，作为阀门水力特性状态方程的一部分，但与管网流量、压差没有直接关系，是调节阀自身阻力特性的完整体现。

2) A(s)通常具有如式(7)的结构

其分为两个部分，静态阻力部分λ与动态阻力部分sⁿ。静态阻力部分λ，衡量调节阀全开s=1时阻抗大小;动态部分sⁿ则表示调节阀导纳随开度变化趋势。

3) A (s)的动态阻力部分sⁿ参数n不同，代表着不能性能的调节阀，通常意义上的快开调节阀、线性调节阀、等比例调节阀的n的范围见表1。

表1 常见类型调节阀开度导纳函数

式(6)将与调节阀实际运行调节过程密切相关的三个物理量，调节阀开度、调节阀流量、调节阀压降联系到一起。此处定义调节阀实际运行中的三个运行状态变量:1)调节阀阀位，2)调节阀压降，3)调节阀流量。

如果得到调节阀的三个运行状态变量，则得到调节阀位置处全部水力特性信息，所以称式(6)为阀门水力特性状态方程。阀门水力特性状态方程定量描述调节阀流量、调节阀两端压降及调节阀开度三者之间的动态关系。