電動調節閥對BAS系統控制質量的影響

 REGIN 樓宇自控系統 電動調節閥

在樓宇設備自動化控制系統（Building Automatic control System，BAS）中，暖通空調（HVAC）系統的自動化控制占有相當重要的地位。暖通空調系統的自動化控制中，通過調節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節閥門。電動調節閥是以電動機為動力元件，將控制器輸出信號轉換為閥桿的連續動作，通過改變閥芯行程來改變閥的阻力系統，達到調節管道系統中液體或氣體流量的目的。空調系統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 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、閥蓋和閥門驅動器四個基本部分。

　　在國內許多工程中發現設計者在調節閥門的選擇中，特別是選擇閥門口徑時存在隨意性現象較為嚴重。有些設計者直接選擇調節閥門口徑與管徑一致，有些簡單地相對管徑縮小一號。這些隨意性的設計不僅造成投資浪費，同時降低了系統的調節品質，影響系統的壽命，應引起設計者高度重視。就閥門的選擇而言，過小的閥門一方面達不到系統的容量要求，另一方面閥門將需要通過系統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，易使系統受沖擊和振蕩，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，選擇適當的控制閥口徑，對系統的正常運轉是非常重要的。


一、自控系統的調節品質

　　對于某一過程變量V（如暖通系統中盤管出水溫度）的控制，系統中將會設定一個目標值。系統從初始狀態到達控制目標會有一個過程，也就是系統說系統從初始狀態到達平衡的目標狀態需要一定的時間。對于調節系統而言，其品質一方面體現于系統達到目標值的時間長短，更重要的是系統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，表明控制系統的品質好。反之，控制品質差。

　　圖一(略)中，兩曲線表示理想控制系統和振蕩較大的控制系統曲線。在實際的控制系統中，最佳的控制曲線介于兩者之間，即過程變量在較短時間內達到平衡態后在很小的范圍內波動，在PI方式控制中,這種波動會越來越小，接近于理想狀態。

　　理想的控制系統過程度量從初始狀態V0到達目標值V1的時間為t0，系統一般通過兩個振蕩周期基本能達到平衡狀態，系統狀態和目標值保持一致。這種理想情況在實際中是不存在的，但每位系統設計者都希望控制曲線逼近理想狀態。對于調節閥控制而言，閥門口徑的選擇是影響控制線性度的關鍵因素。振蕩較大的系統表示調節閥門過大而表現出來的過程變量V和時間t的關系。其特征是變量在目標準之間的振幅較大，達到目標狀態的時間較長，甚至系統一直在平衡態上振蕩。這種振蕩在調節閥上體現出來的特征是閥門處于不穩定狀態，不但調節品質低，對設備本身也會存在不利影響。造成系統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 調節品質對比示意圖(略)

　　目前控制系統軟件通常采用微積方法，本文不討論控制軟件因素，只對調節閥的基本參數對控制品質的影響進行分析，從而提醒設計者在調節閥門的選擇中進行綜合考慮，保證系統的控制品質。

二、調節閥門對控制品質的主要影響因素

　　調節閥門是暖通空調自控系統的一種具體執行機構，控制系統軟件相當于系統的大腦，指揮執行機構工作。調節閥對系統控制品質的影響由多方面因素形成，有閥門本身固有的質量、閥門參數等，這些因素大多具有關聯性。

1、調節閥的種類

　　不同的工作場合，對調節閥的要求是不一樣的（如精度），應根據不同的工作場合，合理選擇閥門類型，否則影響系統的質量，甚至不能正常工作。國內常用的調節閥主要有：直通單座調節閥、直通雙座調節閥（俗稱平衡閥）、三通調節閥、蝶閥、隔膜調節閥等。不同的場合對調節閥的技術要求不同，在設計中首先應考慮選擇合理的調節閥種類。

　　直通單座調節閥的特點是關閉嚴密，工作性能可靠，結構簡單，造價低，但閥桿推力大，對執行器的力矩要求高，一般只適用于低壓差的場合；直通雙座閥由于其內部的雙閥芯構造，在其關閉狀態時，兩個閥芯的受力可部分抵消，閥桿不平衡力小，對執行器的力矩要求也小。由于熱脹冷縮效因，其同時關閉性較差，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、關閥的允許壓差較大，但其調節性能和關閥密閉性都較差，通常用于壓差較大但調節性能要求不高的場所。

　　另外，閥門的內在品質和客戶的需求及投資因素在閥門種類選擇中應綜合考慮。國內外廠家不同，其質量和價格差別較大。

　　因此，應根據調節系統的實際技術需求合理地選擇閥門種類和生產廠家，以保證系統的控制品質。

2、閥門的流量特征和閥門兩側壓力降

　　閥門的流量特性和閥門參數是閥門的兩個重要參數。閥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%變化之間的關系。由于閥門內部結構的區別，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，在空調系統中應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在流量特性曲線。圖2(略)三種典型閥門的內在流量特性曲線。

　　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中后，流量特性發生變化，稱為安裝后的流程特性。安裝后的流程特性與閥門權限有關。

　　在實際系統中，閥門兩側的壓力降并不是恒定的，使其發生變化的原因主要有兩個方面：一方面，由于泵的特性，當系統流量減少時由泵產生的系統壓力增加；另一方面，當流量減少時，盤管上的阻力也減少，導致較大的泵壓加于閥門。
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　　為了保證系統控制品質，最好的方法是在系統允許的范圍內選擇能獲得較大壓力降的閥門口徑，使閥門在運轉過程中壓力降的變化值盡可能小。閥門全開狀態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在特性。

　　一個閥門是否匹配盤管依賴于它的內在特性和流量因子。這些閥門參數取決于恒定的閥門壓力降ΔP。因此，控制系統中調節閥應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因素。當閥門全閉時，全部系統壓力降轉移到閥門兩側，這種壓力應盡量小，因此實際系統中最大流量時的閥門壓力降應盡量取大值。

3、閥門調整率

　　閥門調整率R定義為可通過閥門的最大電動調節閥流量和最小流量之比值。一般閥門都有一些不可控流量，當這種現象發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，系統壓力降全部轉移到閥門兩側，因此，在壓力降參數要求較大時，應在選擇閥門種類（如平衡閥的承壓能力較大）時作出分析。否則，閥門執行機構就不能驅動閥門全閉，也就達不到系統控制的目的。

　　調節閥門對系統控制品質影響的因素還有許多，如閥門增益、氣蝕現象等。

　　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格和參數，特別是選擇合理的閥門口徑。

三、調節閥的流通能力

　　要合理選擇調節閥門的口徑，必須了解調節閥流通能力。調節閥的技術參數選擇是否符合調節系統線性度的要求呢？這就要通過對調節閥流通能力的計算，比對廠家提供的技術參數確定閥門口徑的大小來實現。調節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。流通能力定義為：當調節閥全開，閥兩端壓差為105 Pa，流體密度為lg/cm3時，每小時流經調節閥的流量數，以m3/h計。從流體力學的觀點，對于不可壓縮的流體，根據伯努利方程可推算出式（1）：

Q=A/(ζ)^1/2 * [2*(P1-P2)/ρ]^1/2

（1）
式中 Q 表示盤管的額定流量
P1、P2 表示節流前后的壓力
A 表示節流面積
ζ 表示阻力系數
ρ 表示流體密度
令（1）中 C=A*(2/ζ) ^1/2
則
Q=C*[(P1-P2)/ρ] ^1/2  （2）
C就是調節閥的流通能力。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/(ΔP)1/2  （3）
式（3）就是我們用來選擇基本的閥門選型公式，其中ΔP=P1-P2 ，以600F水作為盤管內流體。

四、調節閥口徑的選擇

　　選擇閥門口徑的目的是使閥門和盤管組合成產生一個合理的組合線性特性，使系統調節能進行有效控制。在通常的設計中，選擇偏大口徑是很普遍的，造成這種設計的原因是設計者過分注重系統的最大負荷的考慮或者單憑主觀意識，沒有經過科學的計算；過小的口徑固然對控制而言更有效，不但達不到空調系統本身的要求，對閥門的壽命影響很大。因此，選擇閥門口徑時要與空調施工設計單位（設計院）取得聯系，防止系統不匹配現象。

　　在實際的選型中，我們根據空調設備技術規格，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，也可依據其它的資料，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（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。根據這一要求，依據空調系統提供的技術參數，應能確定系統的壓力降ΔP。

　　根據空調系統技術參數確定了系統流量Q和壓力降ΔP后，就可以根據式（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值通常也不是連續值（公式計算的CV值是連續的）。不同廠商的同類型產品有不同的CV值與口徑對應表。我們在算出期望的CV值后，就可以查閱生產商的相應產品數據表來決定所需的閥門口徑。

五、結束語

　　我們進行設計的目的是最大限度地保證系REGIN統控制的品質要求。對于一個實際系統配置一個給定的控制閥門，需要對整個管系環路的非常復雜、詳盡的分析。在實際工程設計過程中需要進行簡化，這個簡化是基于對閥門基本知識了解和一系列綜合因素的概括。本文的目的是想通過以水系統為例的一個基本的影響因素的描述，要求設計者在閥門選擇上綜合考慮各種因素（包括安裝因素），不要盲目地選擇調節閥門和口徑，以免影響調節系統的品質。