調(diào)節(jié)閥對BAS控制品質(zhì)的影響

1、調(diào)節(jié)閥對BAS控制品質(zhì)的影響在樓宇設(shè)備自動化控制系統(tǒng)（Building Automatic control System，BAS）中，暖通空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)的自動化控制占有相當重要的地位。暖通空調(diào)系統(tǒng)的自動化控制中，通過調(diào)節(jié)閥門進行溫濕度的控制又是控制的重點。本文所指的控制閥門也稱電動調(diào)節(jié)閥門。電動調(diào)節(jié)閥是以電動機為動力元件，將控制器輸出信號轉(zhuǎn)換為閥桿的連續(xù)動作，通過改變閥芯行程來改變閥的阻力系統(tǒng)，達到調(diào)節(jié)管道系統(tǒng)中液體或氣體流量的目的。空調(diào)系統(tǒng)中的控制閥門絕大部分是球閥，一般為三類：VT系列閥門（the VT series valve），Cage Trim型閥門（the Cage Trim

2、 style valve）和鑄鐵法蘭閥（the Iron Body Flane valve）。所有球閥包含閥體、連桿柱塞組件、閥蓋和閥門驅(qū)動器四個基本部分。在國內(nèi)許多工程中發(fā)現(xiàn)設(shè)計者在調(diào)節(jié)閥門的選擇中，特別是選擇閥門口徑時存在隨意性現(xiàn)象較為嚴重。有些設(shè)計者直接選擇調(diào)節(jié)閥門口徑與管徑一致，有些簡單地相對管徑縮小一號。這些隨意性的設(shè)計不僅造成投資浪費，同時降低了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，影響系統(tǒng)的壽命，應(yīng)引起設(shè)計者高度重視。就閥門的選擇而言，過小的閥門一方面達不到系統(tǒng)的容量要求，另一方面閥門將需要通過系統(tǒng)提供較大的壓差以維持足夠的流量，加重泵的負荷，閥門易受損害；閥門口徑過大會使控制性能變差，易使系統(tǒng)受沖擊

3、和振蕩，而且投資也會增加。閥門過大過小都會帶來控制閥壽命縮短和維護不便的后果。因此，選擇適當?shù)目刂崎y口徑，對系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)是非常重要的。一、自控系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)對于某一過程變量V（如暖通系統(tǒng)中盤管出水溫度）的控制，系統(tǒng)中將會設(shè)定一個目標值。系統(tǒng)從初始狀態(tài)到達控制目標會有一個過程，也就是系統(tǒng)說系統(tǒng)從初始狀態(tài)到達平衡的目標狀態(tài)需要一定的時間。對于調(diào)節(jié)系統(tǒng)而言，其品質(zhì)一方面體現(xiàn)于系統(tǒng)達到目標值的時間長短，更重要的是系統(tǒng)達到目標值的精度和平衡度。達到目標值的時間短，振蕩周期少，目標偏離值小，表明控制系統(tǒng)的品質(zhì)好。反之，控制品質(zhì)差。圖一(略)中，兩曲線表示理想控制系統(tǒng)和振蕩較大的控制系統(tǒng)曲線。在實際的控制

4、系統(tǒng)中，最佳的控制曲線介于兩者之間，即過程變量在較短時間內(nèi)達到平衡態(tài)后在很小的范圍內(nèi)波動，在PI方式控制中,這種波動會越來越小，接近于理想狀態(tài)。理想的控制系統(tǒng)過程度量從初始狀態(tài)V0到達目標值V1的時間為t0，系統(tǒng)一般通過兩個振蕩周期基本能達到平衡狀態(tài)，系統(tǒng)狀態(tài)和目標值保持一致。這種理想情況在實際中是不存在的，但每位系統(tǒng)設(shè)計者都希望控制曲線逼近理想狀態(tài)。對于調(diào)節(jié)閥控制而言，閥門口徑的選擇是影響控制線性度的關(guān)鍵因素。振蕩較大的系統(tǒng)表示調(diào)節(jié)閥門過大而表現(xiàn)出來的過程變量V和時間t的關(guān)系。其特征是變量在目標準之間的振幅較大，達到目標狀態(tài)的時間較長，甚至系統(tǒng)一直在平衡態(tài)上振蕩。這種振蕩在調(diào)節(jié)閥上體現(xiàn)出來的

5、特征是閥門處于不穩(wěn)定狀態(tài)，不但調(diào)節(jié)品質(zhì)低，對設(shè)備本身也會存在不利影響。造成系統(tǒng)振蕩的原因是多方面的，但最主要的原因是沒有對閥門的流量特性進行綜合分析，選擇閥門口徑過大造成的。圖一 調(diào)節(jié)品質(zhì)對比示意圖(略)目前控制系統(tǒng)軟件通常采用微積方法，本文不討論控制軟件因素，只對調(diào)節(jié)閥的基本參數(shù)對控制品質(zhì)的影響進行分析，從而提醒設(shè)計者在調(diào)節(jié)閥門的選擇中進行綜合考慮，保證系統(tǒng)的控制品質(zhì)。二、調(diào)節(jié)閥門對控制品質(zhì)的主要影響因素調(diào)節(jié)閥門是暖通空調(diào)自控系統(tǒng)的一種具體執(zhí)行機構(gòu)，控制系統(tǒng)軟件相當于系統(tǒng)的大腦，指揮執(zhí)行機構(gòu)工作。調(diào)節(jié)閥對系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響由多方面因素形成，有閥門本身固有的質(zhì)量、閥門參數(shù)等，這些因素大多具有關(guān)

6、聯(lián)性。1、調(diào)節(jié)閥的種類不同的工作場合，對調(diào)節(jié)閥的要求是不一樣的（如精度），應(yīng)根據(jù)不同的工作場合，合理選擇閥門類型，否則影響系統(tǒng)的質(zhì)量，甚至不能正常工作。國內(nèi)常用的調(diào)節(jié)閥主要有：直通單座調(diào)節(jié)閥、直通雙座調(diào)節(jié)閥（俗稱平衡閥）、三通調(diào)節(jié)閥、蝶閥、隔膜調(diào)節(jié)閥等。不同的場合對調(diào)節(jié)閥的技術(shù)要求不同，在設(shè)計中首先應(yīng)考慮選擇合理的調(diào)節(jié)閥種類。直通單座調(diào)節(jié)閥的特點是關(guān)閉嚴密，工作性能可靠，結(jié)構(gòu)簡單，造價低，但閥桿推力大，對執(zhí)行器的力矩要求高，一般只適用于低壓差的場合；直通雙座閥由于其內(nèi)部的雙閥芯構(gòu)造，在其關(guān)閉狀態(tài)時，兩個閥芯的受力可部分抵消，閥桿不平衡力小，對執(zhí)行器的力矩要求也小。由于熱脹冷縮效因，其同時關(guān)閉性

7、較差，造價也較高。因此，只適用于壓差較高但密閉要求不高的場合；三通閥有三個出入口與管道相連，總進入水量較恒定，適用于定水量系統(tǒng)中，并要求有固定的安裝方向，不能反裝，不適于溫差較大場合；蝶閥的特點是體積小、重量輕、安裝方便，并且開、關(guān)閥的允許壓差較大，但其調(diào)節(jié)性能和關(guān)閥密閉性都較差，通常用于壓差較大但調(diào)節(jié)性能要求不高的場所。另外，閥門的內(nèi)在品質(zhì)和客戶的需求及投資因素在閥門種類選擇中應(yīng)綜合考慮。國內(nèi)外廠家不同，其質(zhì)量和價格差別較大。因此，應(yīng)根據(jù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的實際技術(shù)需求合理地選擇閥門種類和生產(chǎn)廠家，以保證系統(tǒng)的控制品質(zhì)。2、閥門的流量特征和閥門兩側(cè)壓力降閥門的流量特性和閥門參數(shù)是閥門的兩個重要參數(shù)。閥

8、門的流量特征是通過閥門的流體速率和閥門行程從0%至100%變化之間的關(guān)系。由于閥門內(nèi)部結(jié)構(gòu)的區(qū)別，不同的閥門有不同的流量特征。如球閥的流量特征取決于柱塞的形狀。最普通的閥門柱塞類型分為等百分比型、線性型和快開啟型三種。由于等百分比閥門和盤管的組合特性接近線性，在空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的是等百分比特征閥門。圖2是三種典型閥門的內(nèi)在流量特性曲線。圖2(略)三種典型閥門的內(nèi)在流量特性曲線。以上特性曲線是在恒定壓力的試驗中得到的。在控制閥門安裝于系統(tǒng)中后，流量特性發(fā)生變化，稱為安裝后的流程特性。安裝后的流程特性與閥門權(quán)限有關(guān)。在實際系統(tǒng)中，閥門兩側(cè)的壓力降并不是恒定的，使其發(fā)生變化的原因主要有兩個方面：

9、一方面，由于泵的特性，當系統(tǒng)流量減少時由泵產(chǎn)生的系統(tǒng)壓力增加；另一方面，當流量減少時，盤管上的阻力也減少，導(dǎo)致較大的泵壓加于閥門。pagebreak為了保證系統(tǒng)控制品質(zhì)，最好的方法是在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)選擇能獲得較大壓力降的閥門口徑，使閥門在運轉(zhuǎn)過程中壓力降的變化值盡可能小。閥門全開狀態(tài)下的壓力降占全泵壓百分比越高，則閥門壓力降相對變化值越小，閥門的安裝特性就越接近其內(nèi)在特性。一個閥門是否匹配盤管依賴于它的內(nèi)在特性和流量因子。這些閥門參數(shù)取決于恒定的閥門壓力降P。因此，控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥應(yīng)盡可能工作于恒定的壓力降條件下，這處決于閥門在盤管上的安裝位置及其它的技術(shù)因素。當閥門全閉時，全部系統(tǒng)壓力降轉(zhuǎn)

10、移到閥門兩側(cè)，這種壓力應(yīng)盡量小，因此實際系統(tǒng)中最大流量時的閥門壓力降應(yīng)盡量取大值。3、閥門調(diào)整率閥門調(diào)整率R定義為可通過閥門的最大流量和最小流量之比值。一般閥門都有一些不可控流量，當這種現(xiàn)象發(fā)生在柱塞從初始位置提升離閥座時。原因是由于柱塞和閥座之間公差配合不一致。對于一定口徑的閥門，不可控流量越低，閥門的調(diào)整率越大，閥門有較寬的可控范圍。4、閥門承壓能力當閥門全閉時，系統(tǒng)壓力降全部轉(zhuǎn)移到閥門兩側(cè)，因此，在壓力降參數(shù)要求較大時，應(yīng)在選擇閥門種類（如平衡閥的承壓能力較大）時作出分析。否則，閥門執(zhí)行機構(gòu)就不能驅(qū)動閥門全閉，也就達不到系統(tǒng)控制的目的。調(diào)節(jié)閥門對系統(tǒng)控制品質(zhì)影響的因素還有許多，如閥門增益

11、、氣蝕現(xiàn)象等。從以上的分析中可以看出，對閥門的合理選擇實際上是合理確定閥門的規(guī)格和參數(shù)，特別是選擇合理的閥門口徑。三、調(diào)節(jié)閥的流通能力要合理選擇調(diào)節(jié)閥門的口徑，必須了解調(diào)節(jié)閥流通能力。調(diào)節(jié)閥的技術(shù)參數(shù)選擇是否符合調(diào)節(jié)系統(tǒng)線性度的要求呢？這就要通過對調(diào)節(jié)閥流通能力的計算，比對廠家提供的技術(shù)參數(shù)確定閥門口徑的大小來實現(xiàn)。調(diào)節(jié)閥的流通能力是合理選擇閥門及閥門口徑的一個重要參數(shù)。流通能力定義為：當調(diào)節(jié)閥全開，閥兩端壓差為105 Pa，流體密度為lg/cm3時，每小時流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量數(shù)，以m3/h計。從流體力學(xué)的觀點，對于不可壓縮的流體，根據(jù)伯努利方程可推算出式（1）：Q=A/()1/2 * 2*(P1

12、-P2)/1/2（1）式中 Q 表示盤管的額定流量P1、P2 表示節(jié)流前后的壓力A 表示節(jié)流面積 表示阻力系數(shù) 表示流體密度令（1）中 C=A*(2/) 1/2則Q=C*(P1-P2)/ 1/2 （2）C就是調(diào)節(jié)閥的流通能力。國外采用計量單位不同，常采用Cv表示流通能力（Cv=1.167C），也稱為流量因子。流量因子的定義為：一個全開啟的閥門兩側(cè)加有1psi壓力時流過溫度為600F水時的USGPM流量（美國加侖/每分種）。式（2）可進一步簡化為：Cv=Q/(P)1/2 （3）式（3）就是我們用來選擇基本的閥門選型公式，其中P=P1-P2 ，以600F水作為盤管內(nèi)流體。四、調(diào)節(jié)閥口徑的選擇選擇閥

13、門口徑的目的是使閥門和盤管組合成產(chǎn)生一個合理的組合線性特性，使系統(tǒng)調(diào)節(jié)能進行有效控制。在通常的設(shè)計中，選擇偏大口徑是很普遍的，造成這種設(shè)計的原因是設(shè)計者過分注重系統(tǒng)的最大負荷的考慮或者單憑主觀意識，沒有經(jīng)過科學(xué)的計算；過小的口徑固然對控制而言更有效，不但達不到空調(diào)系統(tǒng)本身的要求，對閥門的壽命影響很大。因此，選擇閥門口徑時要與空調(diào)施工設(shè)計單位（設(shè)計院）取得聯(lián)系，防止系統(tǒng)不匹配現(xiàn)象。在實際的選型中，我們根據(jù)空調(diào)設(shè)備技術(shù)規(guī)格，可以找到閥門所在盤管需要的額定流量Q。如果沒有這個參數(shù)，也可依據(jù)其它的資料，如溫度跌落和熱量總輸出等公式計算出盤管所需要的流量。為了提高可控制能力，閥門壓力降盡可能選得大些，但其它參數(shù)（如有效泵壓、最大允許壓力降等）會限制這一選擇。因此，一般應(yīng)該這樣來選擇：使閥門全開時的壓力降等于或接近供回水之間總壓力降的50%，同時使這個值小于閥門的最大壓力降值。根據(jù)這一要求，依據(jù)空調(diào)系統(tǒng)提供的技術(shù)參數(shù)，應(yīng)能確定系統(tǒng)的壓力降P。根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)確定了系統(tǒng)流量Q和壓力降P后，就可以根據(jù)式（3）得出閥門的流理因子CV值。實際工程中，閥門口徑是分級的，CV值通常也不是連續(xù)值（公式計算的CV值是連續(xù)的）。不同廠商的同類型產(chǎn)品有不同的CV值與口徑對應(yīng)表。我們在算出期望的CV值后，就可以查閱生產(chǎn)商的相應(yīng)