管網(wǎng)系統(tǒng)的水力失調(diào)對生產(chǎn)有一定影響，嚴(yán)重者可導(dǎo)致停產(chǎn)，因而是管網(wǎng)調(diào)節(jié)中力當(dāng)避免的。以寶鋼冷軋廠的軋機(jī)車間為例，當(dāng)管網(wǎng)終端制冷量不足時(shí)，會(huì)使房間溫度過高，不僅影響軋鋼質(zhì)量，而且會(huì)發(fā)生跳閘，導(dǎo)致停產(chǎn)。造成管網(wǎng)系統(tǒng)水力失衡的原因通常有兩種：①由于設(shè)計(jì)時(shí)對系統(tǒng)負(fù)荷的估計(jì)偏差，或者是實(shí)際工藝發(fā)生變動(dòng)，導(dǎo)致一些支路上冷量不足，而另一些支路上卻冷量過剩；②系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量與負(fù)荷要求相當(dāng)，但是管網(wǎng)存在著嚴(yán)重的水力不平衡現(xiàn)象，從而使得各支路上的流量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。在管網(wǎng)改造中應(yīng)有的放矢，根據(jù)實(shí)際情況提出相應(yīng)的解決方案。

     管網(wǎng)系統(tǒng)的水力平衡改造，通常采用加裝平衡閥的方法。但是如果管網(wǎng)支路上本身已經(jīng)安裝了調(diào)節(jié)閥，只是由于調(diào)節(jié)閥性能或其他原因無法充分實(shí)現(xiàn)水力平衡，那么加裝平衡閥后，對這些調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)性能會(huì)產(chǎn)生一定的影響。事實(shí)上當(dāng)平衡閥選擇不當(dāng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致某些支路阻力過大從而使其支路上的調(diào)節(jié)閥門性能惡化，甚至不起作用。而這種影響在管網(wǎng)改造時(shí)常常為人們所忽視。本文以寶鋼冷軋廠1550管網(wǎng)系統(tǒng)為例，分析系統(tǒng)加裝平衡閥后對支路上調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生的影響。

     1 實(shí)例分析

     1.1 運(yùn)行概況

     寶鋼冷軋廠1550制冷站由3臺(tái)離心制冷機(jī)，4臺(tái)單機(jī)流量為500m³/s、揚(yáng)程為70m的冷凍水泵組成。其管網(wǎng)及設(shè)計(jì)流量分布如圖1所示。

     管網(wǎng)的每個(gè)用戶終端都設(shè)有電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，通過溫度控制來調(diào)節(jié)流量。但在實(shí)際運(yùn)行中，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥無法將流量調(diào)到冷量要求的值，有些電氣室在支管流量已經(jīng)超過設(shè)計(jì)流量之后仍出現(xiàn)過熱，而另一些電氣室在流量不足設(shè)計(jì)流量的1/2時(shí)夏季室內(nèi)溫度卻只有20℃。目前采取的大流量、小溫差運(yùn)行方法，只能起到較小的緩解作用，并不能從根本上改變這種現(xiàn)狀。況且大流量運(yùn)行使得水泵長時(shí)間工作在大功耗、低效率的狀態(tài)點(diǎn)，不僅運(yùn)行費(fèi)用相應(yīng)提高，而且對水泵也不利，無論是從能源角度還是從經(jīng)濟(jì)性角度都存在著弊端。

     在對管網(wǎng)進(jìn)行初步故障排除之后，認(rèn)定不是管路堵塞或閥門關(guān)死等問題，對管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了溫度與流量的測量，同時(shí)對風(fēng)系統(tǒng)也作了相應(yīng)的溫度、流量的測量，以進(jìn)一步排查原因。綜合了系統(tǒng)總流量為880、600、650m³/h3種工況下風(fēng)系統(tǒng)與水系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)管網(wǎng)水力失調(diào)的原因進(jìn)行了分析并提出相應(yīng)的解決方案。

     1.2 水力失調(diào)原因分析

     由于原始設(shè)計(jì)資料的缺失，根據(jù)水系統(tǒng)實(shí)際測量的數(shù)據(jù)計(jì)算出管網(wǎng)的阻損，以及在設(shè)計(jì)流量下各環(huán)路的不平衡率Δ[1]（因軋機(jī)為最遠(yuǎn)支路，故以軋機(jī)環(huán)路為最不利環(huán)路計(jì)算不平衡率），結(jié)果如表1所示，其中f為系統(tǒng)環(huán)路阻力損失。

     表1 1550系統(tǒng)環(huán)路阻力損失及不平衡率

 

環(huán)路 f/kPa f′/kPa Δ/% Δ′/% 電工鋼 210.6 192.4 0 17.8 熱鍍鋅 295.5 300.1 28.3 83.8 連退 336.7 163.3 32.7 0 軋機(jī) 286.4 295.8 27.6 81.1 酸洗 270.2 196.3 26.0 20.2

     如基于設(shè)計(jì)流量是正確的，那么從不平衡率的計(jì)算結(jié)果可以推斷出環(huán)路中阻損最大的是熱鍍鋅支路和連退支路，因而這兩支路應(yīng)是最熱的。但實(shí)際運(yùn)行中最熱的是軋機(jī)支路與熱鍍鋅支路，而連退與酸洗支路過冷。軋機(jī)制冷量不足，夏季車間溫度常常在接近30℃（超過30℃設(shè)備就會(huì)跳閘）。連退支路冷量嚴(yán)重過剩，即使將調(diào)節(jié)閥關(guān)到相應(yīng)設(shè)計(jì)流量的1/2，車間溫度在盛夏仍可維持在20℃左右，最冷時(shí)只有18℃。這說明在管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段對系統(tǒng)支路制冷量估算的較大偏差導(dǎo)致設(shè)計(jì)流量偏離實(shí)際負(fù)荷的需求是造成管網(wǎng)系統(tǒng)失調(diào)的主要原因，而支路的水力不平衡也是流量分配不理想的原因之一。故需要重新對設(shè)計(jì)流量進(jìn)行修正，并進(jìn)行阻力計(jì)算以校核水力平衡，提出解決方案。

     由于是舊系統(tǒng)改造，加之原設(shè)計(jì)參數(shù)及原始數(shù)據(jù)嚴(yán)重缺失，只能基于實(shí)際運(yùn)行狀況根據(jù)不同工況下測量數(shù)據(jù)大致估算實(shí)際冷量需求值，對流量進(jìn)行修正，并保證外網(wǎng)流速不超過3m/s。在反復(fù)調(diào)試之后確定的管網(wǎng)修正流量q_V如表2所示。

     表2 1550系統(tǒng)的管網(wǎng)支路流量及修正流量

 

用戶名稱 q_V/（m³·h^-1） 用戶名稱 q_V/（m³·h^-1） 設(shè)計(jì)值 修正值 設(shè)計(jì)值 修正值 電工鋼 225 220 電鍍鋅 2 25 15 電工鋼 1 31 40 熱鍍鋅 153 205 電工鋼 2 84 80 熱鍍鋅 1 60 80 電工鋼 3 43 60 熱鍍鋅 2 46 80 電工鋼 4 67 40 重卷 1 15 20 連退 315 200 包裝 10 15 連退 1 120 80 重卷 2 22 10 連退 2 120 60 軋機(jī) 300 340 電鍍鋅 1 45 45 酸洗 84 45

     由表2可見，連退支路與酸洗支路流量大幅度減少，這與其過冷現(xiàn)狀符合，而熱鍍鋅與軋機(jī)的流量增加，以緩解其制冷量不足。按照修正后的設(shè)計(jì)流量重新再對管網(wǎng)阻力進(jìn)行校核計(jì)算，得到的各環(huán)路的不平衡率亦列入表1中（見阻力損失f′與不平衡率Δ′）。可見，在修正后的設(shè)計(jì)流量下，管網(wǎng)存在著嚴(yán)重的水力不平衡現(xiàn)象，尤其是熱鍍鋅與軋機(jī)支路，由于設(shè)計(jì)管徑偏小，而修正流量增加較多，導(dǎo)致阻力損失較大。連退環(huán)路由于管徑較大，在新的流量條件下阻損就特別小。如果要使得環(huán)路的流量分配達(dá)到設(shè)計(jì)工況或接近設(shè)計(jì)工況，就要削去有利環(huán)路多余的壓頭或者增加不利環(huán)路的壓頭，以實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)新的阻力平衡。

     1.3 改造方案

     在管網(wǎng)系統(tǒng)的用戶終端原來都裝有電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，按照理想狀況這些電動(dòng)調(diào)節(jié)閥應(yīng)該可以根據(jù)房間溫度調(diào)節(jié)流量，使其達(dá)到要求值。但是由于一些支路（如熱鍍鋅支路）冷量不足，調(diào)節(jié)閥即使全開也無法達(dá)到期望值；而在另一些支路（如連退支路），當(dāng)實(shí)際需求流量減小到一定程度時(shí)，調(diào)節(jié)閥處于非線性工作狀態(tài)，也無法進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。因而可以考慮對有利支路增加額外阻力或者是減少不利支路的阻力，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)系統(tǒng)新的阻力平衡。根據(jù)以上分析計(jì)算，提出3種管網(wǎng)改造方案：

     （1）在管網(wǎng)的有利環(huán)路上加裝平衡閥，以實(shí)現(xiàn)阻力平衡，達(dá)到理想的流量分配；
     （2）將熱鍍鋅環(huán)路中的重卷與包裝電氣室從管網(wǎng)中分離出來，另設(shè)獨(dú)立機(jī)組供冷，這樣可以減少熱鍍鋅支路的阻力損失，使管網(wǎng)在重新分配流量后達(dá)到阻力平衡；
     （3）主要是熱鍍鋅較熱，且支路管徑偏小，可以從總管上另接一支路到熱鍍鋅環(huán)路中熱鍍鋅1、2電氣室，作單獨(dú)環(huán)路。

     鑒于制冷站全年無休的實(shí)際運(yùn)行情況，若對管網(wǎng)支路作調(diào)整，生產(chǎn)損失較大，而采用平衡閥進(jìn)行水力平衡優(yōu)化則具有簡單方便的特點(diǎn)，且為普遍采用的一種方法，故而認(rèn)為方案     （1）較為可行。只是在系統(tǒng)中加入平衡閥勢必會(huì)加大管網(wǎng)阻力并且惡化電磁閥的調(diào)節(jié)性能，因此需要核算水泵能否提供足夠的壓力，以及對電磁閥的調(diào)節(jié)性能的影響有多大。

     平衡閥包括自力式平衡閥與手動(dòng)調(diào)節(jié)式平衡閥。對于變流量系統(tǒng)，各環(huán)路流量按比例減少，用手動(dòng)調(diào)節(jié)式較好；而對于末端需定流量的系統(tǒng)，則自力式平衡閥可充分體現(xiàn)其優(yōu)越性[2]。該系統(tǒng)中，每個(gè)末端都配置了電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，但為了使管網(wǎng)在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)不至于振蕩，采用手動(dòng)調(diào)節(jié)平衡閥。除了在不利環(huán)路（軋機(jī)與熱鍍鋅環(huán)路以及電鍍鋅1支路）因相對于流量管徑偏小而未設(shè)平衡閥之外，其余支路都加裝了平衡閥以實(shí)現(xiàn)阻力平衡。平衡閥選擇可根據(jù)支路流量與其應(yīng)承擔(dān)的阻力損失，確定管徑與開度。在按方案（1）對系統(tǒng)改造之后，總系統(tǒng)壓損為370kPa，增加了70kPa，仍處于泵的范圍之內(nèi)。

     在以上平衡閥計(jì)算中，并未考慮到管網(wǎng)支路的可調(diào)性問題。如果因?yàn)樵谥飞霞友b平衡閥后而使其原有的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)性能惡化，不能保證電氣室很好地保持在設(shè)定溫度上，則違背了管網(wǎng)改造的初衷。在這種狀況下對支路加裝平衡閥是弊大于利，不可取。故應(yīng)進(jìn)一步分析改造系統(tǒng)的可調(diào)性。

     2系統(tǒng)改造對電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門調(diào)節(jié)性能的影響

     2.1 閥門可調(diào)性的計(jì)算

     當(dāng)閥門兩端壓差恒定時(shí)，對于所謂線性特性的調(diào)節(jié)閥，與支路設(shè)備串聯(lián)時(shí)通過閥門的流量q_V與開度K的關(guān)系為

   

     其中，m為閥門全開時(shí)該支路上除閥門外其他部分的壓降與閥門的壓降之比^[3，4]。實(shí)際上支路兩端壓差并不可能恒定，往往由于與水泵或管網(wǎng)的其他部分連接而產(chǎn)生波動(dòng)。一個(gè)支路上的閥門對該支路的調(diào)節(jié)作用與3個(gè)因素有關(guān)：①閥門本身的調(diào)節(jié)特性；②支路的阻力；③該支路外管網(wǎng)其他部分的影響。本文僅研究后兩個(gè)因素對閥門調(diào)節(jié)性能的影響，故可將支路的可調(diào)性R_i定義為相對流量對相應(yīng)開度的導(dǎo)數(shù)在K=1即全開時(shí)的值，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

   

    當(dāng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)式參數(shù)及泵的性能曲線已知時(shí)，

        （1）

     式中：S_i為帶有閥門支路的阻力系數(shù)；r_qi，r_Si分別為支路i的相對流量及相對阻力系數(shù)；m_i為支路i的閥門壓降比，該值往往是已知的。由式（1）可見，只需求出支路流量q_Vi對支路阻力系數(shù)S_i的導(dǎo)數(shù)，即可求出支路i的可調(diào)度。按照圖論方法^[5]，可以得出管網(wǎng)的關(guān)聯(lián)矩陣A，其中的元素

   

     對一個(gè)有n個(gè)支路m個(gè)節(jié)點(diǎn)的封閉循環(huán)管網(wǎng)，去掉作為參考壓力的節(jié)點(diǎn)，A為n行m-1列矩陣，滿足

   

     式中：Q為各支路的體積流量q_Vi組成的列矩陣；F為各支路的阻力f_i組成的列矩陣；ΔH為各支路上泵的揚(yáng)程ΔH_i組成的列矩陣。式（2）中第1式表示流向各節(jié)點(diǎn)的流量代數(shù)和為零；第2式表示每個(gè)支路兩端點(diǎn)的壓差等于該支路上的阻力與支路上泵的揚(yáng)程之差。令

   
     為n×n對角陣，由式（2）可推出

        （3）

     2.2寶鋼1550管網(wǎng)改造前后的管網(wǎng)可調(diào)性比較

     以寶鋼冷軋廠1550管網(wǎng)總環(huán)路為例，對支路在改造前、后的可調(diào)度進(jìn)行了計(jì)算比較，以分析加裝平衡閥后對原調(diào)節(jié)閥門的影響。系統(tǒng)各支路加裝平衡閥的情況如表3所示（由于在以下計(jì)算中只以各支路的可調(diào)度計(jì)算為例，這里省卻各支路上分支加裝平衡閥的計(jì)算結(jié)果）。表中：D為管外徑；q′_v，f′為加裝平衡閥后的流量與阻力損失；f′_BV為平衡閥應(yīng)承擔(dān)的阻力損失；u為閥口流速。

     表3 1550系統(tǒng)管網(wǎng)平衡閥選型

 

支路名稱 D/mm q_V/（m³·h^-1） q′_V/（m³·h^-1） f′/kPa f′_BV/kPa 平衡閥選型 D/mm K/% u/（m·s^-1） 總環(huán)路 500 1077 1010 371.1         電工鋼支路 250 225 220 85.2 99.7 250 33 3.77 熱鍍鋅支路 200 153 205 184.4 0.0 - - - 連退支路 300 315 200 136.5 49.8 250 50 2.26 軋機(jī)支路 200 300 340 122.0 18.2 - - - 酸洗支路 125 84 45 19.5 117.6 100 33 4.82

     為計(jì)算方便，將1550系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡化成5個(gè)支路，并對管段進(jìn)行編號(hào)，如圖2所示，圖中：ei為支路的管段編號(hào)，每個(gè)管段旁邊的數(shù)字1，2，…為節(jié)點(diǎn)j的編號(hào)。對每一個(gè)支路亦如此再作簡圖，進(jìn)行編號(hào)計(jì)算。簡化后，可根據(jù)支路流量與壓降，按式（3）算出各個(gè)支路的流量對阻力系數(shù)的導(dǎo)數(shù)∂q_Vi/∂_Si，進(jìn)而由式（1）得出各支路的可調(diào)度。計(jì)算結(jié)果如表4所示，其中R′_i為系統(tǒng)加裝平衡閥后的支路可調(diào)度。

     由表4可見，在原系統(tǒng)中支路e12（連退支路）的可調(diào)度較差，而e14支路（酸洗支路）調(diào)節(jié)性能較好。在實(shí)際運(yùn)行中連退支路的調(diào)節(jié)閥門不能有效地調(diào)節(jié)流量，從而導(dǎo)致車間持續(xù)過冷，但酸洗支路在實(shí)際負(fù)荷遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)負(fù)荷的情況下仍比連退支路的情況要好一些，這說明酸洗支路上調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)能力要比連退支路的好。支路e11與e13（熱鍍鋅支路與軋機(jī)支路）的調(diào)節(jié)度雖然也不錯(cuò)，但由于這兩支路的流量不足，即使閥門全開仍達(dá)不到冷量要求，這和系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀況相吻合。對系統(tǒng)進(jìn)行改造后重新計(jì)算系統(tǒng)支路的可調(diào)度時(shí)，發(fā)現(xiàn)在支路上加裝平衡閥后，可調(diào)度有所下降。其下降程度與平衡閥所承擔(dān)的壓降有關(guān)，承擔(dān)的壓降越大，則可調(diào)度就減小得越多。如酸洗支路，加裝的平衡閥需承擔(dān)117.6kPa的壓降，則其支路可調(diào)度也相應(yīng)地從0.63下降到0.31，只為原值的1/2，調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)性能惡化。而軋機(jī)與熱鍍鋅支路上未加平衡閥，且因?yàn)榱髁坑兴黾樱{(diào)節(jié)閥門對整個(gè)支路的控制能力提高，其可調(diào)度反倒略有提高。就綜合影響而言，除了酸洗支路的可調(diào)度大幅下降之外，其余支路變化均不大。對于酸洗支路，原有閥門的調(diào)節(jié)作用對酸洗工藝影響不是很大，因而在此工程改造中采用加裝平衡閥的方案是可行的。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果也證明改造方案簡單而有效，系統(tǒng)運(yùn)行恢復(fù)正常。

     表4 1550系統(tǒng)支路可調(diào)度

 

支路i R_i R′_i 支路i R_i R′_i e9 0.09 0.08 e12 0.17 0.10 e10 0.39 0.26 e13 0.53 0.59 e11 0.43 0.46 e14 0.63 0.31

     3 結(jié)語       加裝平衡閥系統(tǒng)改造工程中，調(diào)試較為繁瑣，特別是復(fù)雜的系統(tǒng)中，調(diào)試一個(gè)管網(wǎng)常常需要幾天的時(shí)間。采用圖論方法對系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，得出平衡系統(tǒng)水力失調(diào)所需要的支路阻力，復(fù)雜而繁瑣的調(diào)試變得非常簡單而明了。同時(shí)對原有調(diào)節(jié)閥門的性能影響進(jìn)行分析研究，特別是在以調(diào)節(jié)閥門來控制工藝過程的系統(tǒng)中，可以更好地綜合確定優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行的改造方案。而這種分析在普通的改造工程中往往被忽視。以寶鋼1550系統(tǒng)改造過程為例，分析了管網(wǎng)水力失衡的原因，提出了改造方案，并選定平衡閥及其開度，從而定量地分析說明了改造方案的實(shí)際可行性。但是在加裝平衡閥后，也從整體上削弱了支路原調(diào)節(jié)閥門的調(diào)節(jié)性能，使得系統(tǒng)內(nèi)部根據(jù)負(fù)荷及外界環(huán)境所作出的調(diào)節(jié)能力下降。這種下降程度與所加裝平衡閥的阻力成正比，當(dāng)平衡閥的阻力非常大時(shí)，將急劇惡化調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)性能，應(yīng)在管網(wǎng)系統(tǒng)改造中引起注意。