При проектировании современных систем обеспечения микроклимата ставятся две основные задачи:
- Cоздание комфортных параметров внутреннего микроклимата помещений и обеспечение гидравлической устойчивости системы. С этой задачей успешно справляются традиционные системы с постоянным расходом. Постоянный гидравлический режим работы такой системы обеспечивает ее гидравлическую устойчивость и позволяет рассматривать работу системы лишь при ее номинальных параметрах.
- Cокращение потребления энергоресурсов за счет снижения расходов и сопротивления трубопроводной сети, увеличения ∆Т. Для решения второй задачи, необходимо перейти от систем с постоянным расходом к системам с переменным расходом. Однако переменный расход тепло-/холодоносителя неизбежно вызывает колебания дифференциального давления в трубопроводной сети, что значительно усложняет ее регулирование и обеспечение гидравлической устойчивости. Именно автоматическая (в частности, динамическая) балансировка позволяет одновременно решить обе поставленные задачи.
Динамические балансировочные клапаны позволяют:
- обеспечить гидравлическую устойчивость системы в условиях колебания дифференциального давления в трубопроводной сети;
- создать необходимые условия для корректной регулировки тепловым потоком теплообменных аппаратов;
- оптимизировать процесс проектирования системы и повысить точность расчетов;
- существенно упростить процесс монтажа и пуско-наладочных работ и дальнейшей оптимизации системы;
1. Гидравлическая устойчивость системы
В условиях изменяющихся гидравлических параметров системы ручные (статические) балансировочные клапаны не способны обеспечить требуемое распределение потоков, что приводит к разбалансировке системы. Ручной балансировочный клапан представляет собой дроссель с изменяемой пропускной способностью, гидравлическое сопротивление которого настроено на номинальный режим работы системы.
Как видно из рис.1 (красная кривая), рост перепада давления на клапане приводит к увеличению расхода через него. В тоже время динамический балансировочный клапан (синяя кривая) ограничивает максимальный расход до номинальной расчетной величины в пределах рабочего перепада давления (от ∆Pmin до ∆Pmax). Тем самым устраняются перерасходы и обеспечивается гидравлическая устойчивость системы даже в условиях колебания дифференциального давления.
2.Корректная регулировка теплового потока теплообменных аппаратов
Необходимым условием для оптимального управления теплообменными аппаратами является стабилизация перепада давления на регулирующих клапанах с целью сохранения расходной характеристики близкой к идеальной. Наилучшее решение – установка регуляторов перепада давления на каждом клапане, но его сложно реализовать как технически, так и экономически.
Регулирующие клапаны с равнопроцентной (логарифмической) расходной характеристикой (зависимость изменения относительного расхода через клапан от изменения относительного хода штока клапана при постоянном перепаде давления на нем) применяются для регулировки теплоотдачи скоростных теплообменных аппаратов с низким перепадом температур теплоносителя. Регуляторы с линейной расходной характеристикой используются при работе с теплообменными аппаратами с высокими перепадами температур (рис.2).
В целях обеспечения оптимального управления теплообменными аппаратами регулятор с логарифмической расходной характеристикой должен быть подобран таким образом, чтобы падение давления на полностью открытом затворе клапана составляло значительную часть от перепада давления на полностью закрытом клапане. Чем выше это соотношение, тем меньше искажение реальной расходной характеристики клапана по сравнению с идеальной. Отношение потерь давления на полностью открытом затворе клапана (p1) к потерям давления на регулируемом участке (p1 + p2) на рис.4 обозначено как авторитет регулирующего клапана (а). Принимается, что его минимальная величина должна быть больше 0.3.
При снижении авторитета регулирующего клапана его расходная характеристика отклоняется от идеальной, приближаясь к линейной, что снижает возможность плавного регулирования. На рис.3 показано, как падение авторитета регулирующего клапана искажает его расходную характеристику. На практике существуют две основные проблемы, возникающие при подборе регуляторов для систем с раздельной установкой балансировочных клапанов, регуляторов перепада давления и регулирующих клапанов.
Проблема №1. Подбор регулятора при малых расходах и больших потерях давления
Как показано на рис. 4, величина p2 включает в себя потери давления на всем циркуляционном кольце: в трубопроводе, в теплообменном аппарате, на местных сопротивлениях и на балансировочном клапане. Если рассматриваемый контур расположен в начале протяженной ветви, то для обеспечения расчетного значения расхода в ее наиболее удаленных частях, на балансировочном клапане должен гаситься значительный перепад давления. Как следствие, становиться весьма сложно при малых расходах подобрать регулирующий клапан с нужным сопротивлением, чтобы обеспечить рекомендуемый авторитет 0,3.
Проблема №2. Искажение расходной характеристики регулирующих клапанов при колебаниях дифференциального давления в трубопроводной сети
Даже если клапаны подобраны с достаточно хорошим авторитетом, в условиях изменяющихся гидравлических параметров системы расходная характеристика регулирующих клапанов отклоняется от идеальной. Закрытие регуляторов вызывает рост дифференциального давления до величины, поддерживаемой на ближайшем регуляторе перепада давления (величина pc на рис.4). Рост давления вызовет увеличение расхода в каждом из циркуляционных колец в противодействие закрытию регуляторов. Даже если теоретически клапаны были подобраны корректно, с высоким значением авторитета, зачастую при частичных нагрузках они будут работать в on/off режиме.
Динамические балансировочные клапаны, в частности комбинированные балансировочные клапаны (за рубежом они известны как PICV – регулирующие клапаны, независимые от давления») устраняют обе эти проблемы, объединяя в одном клапане функции балансировочного клапана, регулятора перепада давления и регулирующего клапана плавного действия. На рис.5 представлены все три клапана по отдельности на примере регулятора Frese OPTIMA.
Решение проблемы №1
На рис.5 видно, что регулятор перепада давления клапана OPTIMA поддерживает на встроенном регулирующем и балансировочном клапанах постоянный минимальный перепад давлений. Таким образом, величина p2 минимальна, так как больше не включает в себя потери давления в теплообменном аппарате, трубопроводе, фитингах и на местных сопротивлениях. Более того, так как встроенный регулятор перепада давления гасит любое избыточное давление в контуре, нет надобности дросселировать поток балансировочным клапаном для обеспечения требуемого расхода в остальных частях системы. Поскольку величина p2 почти равна 0, авторитет клапана всегда равен 1.
Решение проблемы №2
На рис.5 видно, что перепад, поддерживаемый встроенным регулятором перепада давления, фактически равен падению давления на регулируемом участке, т.е. pс = p1. Таким образом, перепад давления на штоке встроенного регулирующего клапана не меняется, благодаря чему расходная характеристика клапана остается постоянной.
Конструкция клапана OPTIMA
На рис.6 изображен клапан Frese OPTIMA в разрезе в полностью закрытом и полностью открытом положениях. Клапан состоит из двух основных частей. В верхней части корпуса расположены компоненты регулирующего и балансировочного клапанов. В нижней части – регулятор перепада давления.
Ограничитель расхода
Поток, попадая в клапан, проходит через специальные отверстия прямоугольного сечения. Количество и величина этих отверстий (и как следствие сопротивление клапана) может изменяться, за счет чего осуществляется функция балансировочного клапана. Настроечная шкала в верхней части клапана обеспечивает настройку расчетного расхода. Вращением рукоятки мы меняем площадь входного сечения. На рис.6 показано, как будет выглядеть входное сечение клапана при максимальной и минимальной настройке. Маркировка шкалы начинается с величины 0,2 (минимальный расход) и заканчивается величиной 4,0 (максимальный расход). Для каждого типоразмера клапана, настройка соответствует определенной величине расхода. Выставленный расчетный расход будет поддерживаться постоянным до тех пор, пока встроенный регулирующий клапан будет находится в полностью открытом положении. Это возможно благодаря регулятору перепада давления, работа которого будет описана позже.
Двухходовой регулирующий клапан
Те же отверстия используются и для обеспечения плавного регулирования. При движении штока регулятора вверх/ вниз их площадь также изменяется, для достижения качественного температурного контроля.
Для оптимального управления теплообменными аппаратами, шток клапана управляется приводом, который может смоделировать равнопроцентную расходную характеристику.
Важно также отметить, что бесступенчатая предварительная настройка расхода, не влияет на длину хода штока (5мм при любых условиях) регулирующего клапана.
Клапаны, в которых шток используется в целях ограничения расхода, редко обладают высоким качеством регулирования. Настраивая расход на клапане, они сокращают ход штока до величины, при которой регулировка может осуществляться только в on/off режиме.
Регулятор перепада давления
После комбинированного балансировочного и регулирующего клапана поток проходит через регулятор перепада давления, так называемый ∆Р картридж. Он автоматически настраивает свое положение в зависимости от величины дифференциального давления на комбинированном регулирующем и балансировочном клапане, т.е. между точками «А» и «В» на рис.6.
Небольшая встроенная капиллярная трубка передает импульс входящего в клапан давления (повышенное давление) в полость, формирующую одну из сторон диафрагмы регулятора перепада давления. Вода же, прошедшая через комбинированный балансировочный и регулирующий клапан (пониженное давление), взаимодействует с другой ее стороной. Таким образом, диафрагма будет реагировать на изменение дифференциального давления между этими двумя точками, регулируя тем самым величину выходного отверстия регулятора перепада давления. Проще говоря, если общий перепад давления между точками «А» и «С» на рис.6 должен измениться, например, из-за закрытия других клапанов или изменения скорости насоса, регулятор перепада давления среагирует на эти изменения и займет такое положение, при котором перепад давления между точками «А» и «В» не изменится. Поддерживая постоянный перепад давления между точками «А» и «В» при полностью открытом регулирующем клапане, мы получаем фиксированный перепад давления на фиксированном проходном сечении, что в результате дает нам постоянный расход. Это объясняет, за счет чего возможно ограничить расход до определенной величины, используя шкалу настройки, и почему этот расход остается постоянным вплоть до того момента, когда регулирующий клапан начнет закрываться.
Рис.6. Клапан Frese OPTIMA в разрезе
Принцип действия клапана OPTIMA
Все описанные ранее элементы клапана OPTIMA функционируют так, как если бы все эти три функции выполнялись тремя различными клапанами. Когда привод прикрывает регулирующий клапан, возрастающее давление на входе в клапан передается импульсной трубкой в нижнюю часть ∆Р картриджа. Рост давления выгибает диафрагму, тем самым заставляя регулятор перепада давления также прикрыть выходное сечение. Когда привод открывает регулирующий клапан, снижение давления на входе в клапан заставляет регулятор перепада давления приоткрывать выходное сечение. Таким образом, при любых положениях штока дифференциальное давление на комбинированном балансировочном и регулирующем клапане остается постоянной величиной.
3.Проектирование систем с динамическими балансировочными клапанами OPTIMA
Рис.7. Принципиальная схема с комбинированными балансировочными клапанами Frese OPTIMA
На рис.7 изображен пример схемы с использованием регуляторов серии OPTIMA, на схеме также отображены основные компоненты сети. Клапаны OPTIMA устанавливаются в узлах обвязки каждого теплообменного аппарата как прямая замена регулирующего и балансировочного клапана. На стадии проектирования необходимо учитывать следующие особенности:
Подбор клапана
Благодаря встроенному регулятору перепада давления, клапаны OPTIMA подбираются лишь по значению расхода. Поскольку величина p2 (рис.6) включает в себя потери давления исключительно на элементах, интегрированных в тело самого клапана, при подборе характеристики теплообменного аппарата и длина трубопровода не учитываются.
Минимальный перепад давления
Для оптимальной работы встроенного регулятора перепада давления на нем должен быть обеспечен определенный перепад, достаточный для сжатия пружины. В зависимости от типоразмера клапана и его настройки для клапанов DN15-32 эта минимальная величина лежит в диапазоне от 16 до 22кПа. Более точные значения указаны в техническом каталоге. Для определения минимального перепада давления клапаны OPTIMA снабжены измерительными ниппелями.
Балансировочная арматура
Поскольку встроенный регулятор перепада давления изменяет свое положение в зависимости от давления в системе, установка балансировочной арматуры в трубопроводной сети не требуется. Т.е. регуляторы перепада давления в клапанах OPTIMA, расположенных ближе всего к насосу, закроются сильнее, чем в клапанах наиболее удаленных частей системы. Благодаря работе встроенных регуляторов перепада давления в системе будет поддерживаться корректное распределение потока вне зависимости от колебаний дифференциального давления в системе.
Максимальный перепад давления
Регуляторы перепада давления работают в оптимальном режиме при максимальном перепаде давления на клапане до 400 кПа. Поэтому они не предназначены для систем, в которых максимальный перепад давления может превышает эту величину.
Регулирование скорости насоса
Работа насоса должна регулироваться таким образом, чтобы одновременно поддерживать минимальный перепад давления в нескольких контрольных точках системы. Одним из вариантов является поддержание постоянного дифференциального давления на самом насосе. Однако, снижение расхода в системе, при постоянном перепаде давления на насосе, характеризуется не самыми высокими показателями энергоэффективности. Наиболее эффективным решением является, установка датчиков дифференциального давления как можно дальше от насоса. Как показано на рис.7, самой удобной точкой является верхняя часть главного стояка. В системах с большим количеством стояков и множеством веток и абсолютно разными нагрузками необходима установка нескольких датчиков. Работа насоса будет регулироваться таким образом, чтобы обеспечить необходимое минимальное дифференциальное давление во всех контрольных точках.
Минимальный расход
В тот момент, когда все клапаны OPTIMA закрыты, необходимо обеспечить минимальный расход в сети для предотвращения работы насоса на “закрытую задвижку”. Рекомендуется предусматривать байпасные участки на концах стояков и ответвлений. Расположение этих участков должно исключать возможные застойные участки в трубопроводной сети. Циркуляция важна в стальных трубопроводах и для ускорения тепло-/холодоотдачи при открытии клапанов. Наилучший способ поддержания минимального расхода в сети – установка ограничителей расхода, которые будут обеспечивать постоянный расход, вне зависимости от колебаний дифференциального давления в системе.
4.Наладка и эксплуатация систем с регуляторами OPTIMA
На рис.7 изображены все основные элементы системы, рекомендованные в руководстве по проектированию BSRIA Application Guide AG 1/2001.1 Pre-commission cleaning of pipework systems. (BSRIA - Ассоциация маркетинговых исследований и информации в области строительства, Великобритания). Основные этапы промывки системы, точно такие же как и для традиционных систем. В соответствии с этим руководством, заключительный этап прочистки системы – обратная промывка сети через каждый терминал и регулирующий клапан для удаления из них любых посторонних частиц. Эта процедура абсолютно аналогична и для систем с клапанами OPTIMA. В тот момент, когда на клапане OPTIMA возникнет реверсивный перепад давления, встроенный регулятор перепада давления переходит в полностью открытое положение. В этом положении, а также при полностью открытом балансировочном и регулирующем клапане общее сопротивление регулятора OPTIMA будет достаточно мало для обеспечения требуемых скоростей в прилегающем трубопроводе и теплообменном аппарате.
После промывки можно приступать к балансировке системы. Настройка клапанов OPTIMA производится независимо друг от друга, при условии достаточного перепада на встроенных регуляторах перепада давления. Чаще всего наиболее близко расположенные к насосу участки сети обладают необходимым давлением – следовательно, с этих участков и необходимо начинать процедуру балансировки.
Последовательность пуско-наладочных работ:
- Убедитесь, что шток регулятора OPTIMA находится в полностью открытом положении. Определите перепад давления на измерительных ниппелях и убедитесь, что величина дифференциального давления на клапане выше минимально необходимого значения.
В случае недостаточного перепада, выясните причину и, если это необходимо, свяжитесь с проектировщиком. - Установите на шкале клапана необходимую величину. Зафиксируйте это положение и запишите это значение.
- Повторите данную процедуру для всех клапанов OPTIMA на ветке.
- Измерьте общий расход в ветке. Убедитесь, что полученное значение равно сумме расходов, установленных ранее на клапанах OPTIMA. Если они не равны, выясните причину и, если это необходимо, свяжитесь с проектировщиком.
- Повторите данную процедуру, пока все клапаны OPTIMA не будут настроены, а их суммарный расход не будет равен расходу в соответствующих ветках.
- Измерьте величину дифференциального давления на индексном клапане (как правило, наиболее удаленный от насоса терминал). Отрегулируйте скорость насоса так, чтобы перепад давления на индексном клапане был равен минимально необходимому дифференциальному давлению.
- Определите значение перепада давления в точке установки датчика дифференциального давления. Настройте работу насоса таким образом, чтобы это величина сохранялась постоянной при любых условиях.
- Определите суммарный расход, перепад давления и расход электроэнергии на работу насоса.
- Переведите все регулирующие клапаны в закрытое положение. Определите и запишите суммарный расход, перепад давления и расход электроэнергии. Рассчитайте суммарное энергосбережение, т.е. разница между энергопотреблением при максимальной и при минимальной нагрузке.
Постепенно на смену регуляторов Frese OPTIMA приходит новое поколение комбинированных балансировочных клапанов – Frese OPTIMA Compact. Запатентованная конструкция регуляторов сохраняет все достижения предыдущего поколения клапанов, но при значительно меньших габаритных размерах, при этом обладая пониженным гидравлическим сопротивлением и повышенной пропускной способностью, на сегодняшний день регуляторы доступны в диапазоне размеров (от DN10 до DN150).
Список литературы:
- CIBSE knowledge Series Guide KS7 Variable flow pipework systems
- CIBSE Knowledge series Guide KS9 Commissioning variable flow pipework systems
- BSRIA Application Guide AG 1/2001.1 Pre-commission cleaning of pipework systems.