动态平衡电动调节阀在地铁空调水系统中的应用
地铁作为目前城市交通中高速、快捷和便利的代表，在对各大城市交通问题缓解方面起到了至关重要的作用。但是由此所引发的节能降耗问题也受到了人们的广泛关注。在城市交通运输中，地铁运营耗能巨大，某种程度上制约了地铁的快速发展。而其中地铁环控系统的能耗占了整个地铁运营总能耗的30%～40%。因此在地铁空调水系统的设计、运行等许多环节上进一步优化，采取可行的节能措施，将对地铁的经济运行具有十分重要的意义。
空调水系统在变水量运行中由于流量的调节，不但管路的水压时时发生变化，而且各末端装置的供回水管之间的压差也每时每刻地发生变化。不但系统总供水量发生变化时要变化，其他一些末端装置或其他一些环路供水量发生变化时也要变化，因此变流量系统的实时调节和动态平衡是实现系统节能的关键。动态平衡功能是指当任何末端设备负荷变化要求电动调节阀动作时，不论系统压力如何变化，各调节阀门都能够很有效地进行水量的调节从而实现精确的温度，互不干扰，实现动态地系统平衡，使系统的负荷在输出和需求上始终保持最佳的匹配，处于最经济的运行状态。动态平衡电动调节阀能有效地解决以上问题，此阀门不受管网压力波动的影响，在工作压差范围内始终保持设定的水量。
1 、空调水系统的不匹配
目前，国内地铁空调水系统在设计和运行时存在较多不匹配的情况，原因如下：
1)主要不匹配：大马拉小车
图1 主要不匹配
A.机组按照建筑物最大热负荷的110%～120%设计;
B.冷冻水泵、冷却水泵按空调机组额定工况匹配;
C.末端系统按总负荷量110%～120%匹配。
2)次要不匹配：小温差、大流量
图2 次要不匹配
季节/昼夜/末端负荷变化+水泵定流量→主机进出水温差2℃～3℃。
2、空调水系统控制分析
以广州地铁某线路号为例，该线路采用集中冷站提供冷源，末端支路设二通阀和压差传感器进行流量控制。下图3为集中冷站原理图。
图3 集中冷站原理图
集中冷站设置在大学城南站，冷站的输水系统按泵组划分共有二条支路：
1号支路：水泵5台，其中调速泵4台(同型规格)，定速泵1台。用户为大学城南站、官洲车站。
2号支路：水泵3台，其中调速泵2台(同型规格)，定速泵1台。用户为大学城北车站。
上述二条支路分别由二组水泵供水，构成两个管网系统。这二个管网系统根据车站的不同需求，完成冷冻水的输送任务。
空调水系统末端原理图如下图4所示：
图4 空调水系统末端原理图
在末端支路中，采用“最不利末端压差”恒定监控方式对变频水泵进行调节控制。
控制基点：结合水系统现状实际已经安装了压差传感器的地方，大系统末端空调机组压差ΔPab。
控制范围：ΔPab不低于满负荷工况时的ΔPabmin。
调节手段：压差—变频器频率PID调节。
调试记录如下：
1号支路，官洲站AHU—02为最不利末端。
官洲站：
表1
表中：a+b=32.37m3/h，c+d=19.91m3/h
大学城南站：
表中：a+b=33.33m3/h
2号支路，大学城北站AHU—01为最不利末端。
表2
通过满负荷工况调试，变频泵做PID自动调节，实现了末端用户的使用压差始终运行在最小压差之上，保证了各个用户的用水压差所需。通过“最不利末端压差”恒定，实现了最不利末端达到设计流量即所需的最大流量。同时其他支路流量均会超过设计流量，这就形成了部分的能量损耗，且管网压力对各个支路末端影响很大，水力平衡也会受到影响。
在地铁变水量系统的末端设备中，使用不受管网压力波动的流量控制阀即动态平衡型电动阀来控制水量，是解决变水量系统动态失调，真正节能、稳定运行的最佳方案。
3、动态平衡电动阀的性能分析
经过阀门的流量可按下式计算：
式中：Q-流经阀门的流量，
K，-阀门的流通能力，与阀门的开度相对应;阀前后的压差，bar。
由公式得经过阀门的流量大小与阀门的开启度及阀前后的压差有关，而控制系统则根据负荷变化向阀门输出相应信号调节阀门的开度，从而达到相应的流量。因此只要能恒定调节阀前后的压差，就可以保证流量的变化完全由阀门开度而决定，即与负荷变化相对应，而不受其它阀门开关影响产生的系统压力波动的影响，从而达到动态平衡的效果。任何一个支路的调节都不会对其他支路产生干扰，同时任何一个支路都不会受到其它支路调节的影响。
在空调水系统中，为了达到良好的受控效果，最佳的调节阀的特性应是等百分比特性，也称对数特性，此曲线也称阀门的理想特性曲线。一个空调系统如果不能够保持调节阀开度和空调器散热量之间的良好线性关系，则会造成温度波动频繁，系统稳定时间过长。
动态平衡电动调节阀区别于传统的电动二通阀，是动态平衡与电动调节一体化的产品，动态压差平衡阀直接恒定电动调节阀两端的压差，可实现调节阀两端的压差在整个调节过程恒定，即阀权度始终为1，可实现其理想特性曲线，从而实现理想的温控效果。动态平衡电动阀在不同开度时的流量与阀门两边压差的关系曲线见图5，从图中可以看出要想达到所需的流量需要满足最小的工作压差，当调节阀芯开度一定时，整个阀两端的实际压差小于最小工作压差时，流量随阀门两端的压差的增加而增加，当达到阀门最小工作压差后，经过阀门的流量将保持恒定不变，不再随阀门两端的压差的增加而变化。只有当调节阀芯的开度发生变化时，流量才发生变化。
图5 动态压差平衡阀流量变化曲线图
4、改进措施
为解决前文中提出的问题，苏州轨道交通1号线空调水系统在各支路加装动态平衡电动调节阀，每个支路通过动态平衡电动阀来调节目标区域的回风温度，每组动态平衡电动调节阀由一个动态阀CV216GG(DNXX)和静态阀STAF(DN80)组成。通过静态平衡阀的调节作用，使系统中各个管路的流量比值与设计流量的比值一致，这样当系统的总流量等于设计总流量时，各个末端设备及管道的流量也同时达到设计流量即所需的最大流量，系统实现水力平衡。配置了适当的动态阀后，支路均运行在设计流量状态。如果并联的外网由于变动而造成压力的变化在一定范围内(该阀门有效范围)，不会造成流经该设备流量的变化，一方面可以保证机组在额定状态运行，将流量恒定在设计值，从而保护机组，另一方面提高机组的运行效率，使系统运行的水温正常。
以苏州轨道交通1号线塔园路站为例，下图6为塔园路站空调水系统部分支路原理图。
图6 塔园路站支路
在空调水系统中大系统、各小系统因功能不同所要求的温度也不同，小系统1支路(AHU-B101支路)要求环境温度为36℃，小系统2、3支路(AHU-B201支路)要求环境温度为27℃，按照设定温度的要求和实际测量的回风温度变化，动态平衡电动阀实时地进行流量调节，当小系统2、3支路达到设定温度时，该支路的动态平衡阀BV-4的开度维持在某一位置保持不变以输出一个恒定的流量。此时如果小系统1支路的回风温度低于设定温度，则将小系统1支路的动态平衡电动阀BV-3关小以减少流过空调机组AHU-B101的冷水量，使制冷量减少，回风温度升高，达到设定温度，同时供回水管之间的压差会增大，由于动态平衡阀的定压差作用，使得其他支路的流量不发生变化，制冷量不变，其余支路仍处于平衡状态，不受系统压差变化的干扰。
5、结语
通过上述控制方式在苏州轨道交通一号线中的实际使用，我们认为：
1)动态平衡电动调节阀安装在空调末端设备的回水管上，既可实时调节水量，又可实时保证所调水量恒定，避免了由于阀门调节带来的压差变化产生的相互干扰等动态失调现象，相应降低了能耗。
2)动态平衡电动调节阀提供良好的阀权度，确保线性散热受控系统的实现，保证系统的迅速稳定。
3)动态平衡电动调节阀调试工作量非常小，加速安装周期，系统改造、扩建时可以免调试，同时能方便的修正实际和设计工况之间的差异。
