Регулаторите на диференциално налягане като средство за оптимизиране на отоплителни системи

Едно от предварителните условия за добре функциониращо управление на отоплителната система е правилният избор на регулатор на диференциално налягане за регулиране на диференциалното налягане в системата.

Ако регулаторът на диференциално налягане не бъде подбран правилно, съществува опасност от неправилно функциониране на системата, както следва:
1. Системата не работи според предназначението си
2. Лошо функциониране на управляващото оборудване
3. Колебания на налягането в системата

Регулаторът на диференциално налягане може да се избере в различни комбинации, т.е. с или без ограничител на дебита и с регулиране на потока.

С цел да се ограничи обемът на настоящата статия в нея се обсъжда само темата за регулиране на диференциалното налягане.

Регулатори на диференциално налягане
Приложение
Регулаторите на диференциално налягане се използват главно за създаване на постоянно диференциално налягане в системата, независимо от промените на външното налягане, диференциалното налягане в подаваща мрежа, както и потреблението в самата система. Регулаторите на диференциално налягане много често се използват също и за създаване на хидравличен баланс в мрежата.

Най-често използваните приложения на регулаторите на диференциално налягане са:
– Балансиращо регулиране във вторични системи
– Регулиране на диференциалното налягане през топлофикационни абонатни станции
– Регулиране на налягането и диференциалното налягане в топлофикационни мрежи

Принципни преимущества
Ако в абонатна станция се използват регулатори на диференциално налягане, ще може да се поддържа неизменно постоянно диференциално налягане през абонатната станция  независимо от промените на диференциалното налягане на мрежата.

Това е в интерес както на крайните потребители,  така и на топлофикационната компания.

Преимущества за крайния потребител
Регулаторът на диференциално налягане, използван за регулиране на диференциалното налягане в абонатна станция, дава възможност за точно оразмеряване на управляващия вентил.

Това от своя страна предлага подобрени условия за работа на управляващия вентил, което води до следните предимства за крайния потребител:
– Стабилизиране на процеса на регулиране на температурата. (По-добра управляваща автономност на вентила и по-нисък коефициент  на усилване на системата)
– Ниско ниво на шумове и намален риск от кавитация в управляващия вентил
– Опростена настройка на абонатната станция
– Удължен живот на регулиращото оборудване

Преимущества за топлофикационната компания
Използването на регулатори на диференциално налягане в абонатните станции и в топлофикационната мрежа ще поддържа хидравличния баланс в мрежата.

Това означава:
– Добро разпределение на водата в подаваща мрежа (удовлетворени  клиенти).
– Възможност за постигане на желаното ниво на налягане в мрежата;
– Намалена опасност от колебания на налягането в мрежата;
– Количеството на циркулиращата в мрежата вода може да се ограничи (намаляване на разходите за циркулация на вода);

Фактори, които имат влияние върху регулирането
Настоящата статия описва влиянието, което регулаторът на диференциално налягане оказва при една добре функционираща топлофикационна абонатна станция. Това влияние има голямо значение за горепосочените преимущества.

За да се осигури добро функциониране на една система много е важно да се познават следните фактори, свързани с  регулирането:
1. Оразмеряване на вентилите
1.1. Оразмеряване на управляващ мотор-вентил;
1.2. Оразмеряване на регулатор на диференциално налягане;
1.3. Управляващо съотношение (автономност);
1.4. Работно съотношение.
2. Настройка на системата
3. Шум в управляващия вентил
4. Хидравличен баланс в подаващата мрежа
4.1. Ограничаване на потока;
4.2. Точност на ограничаване на потока.

1. Оразмеряване на вентилите
Правилно избраният размер на вентила е в основата на стабилно регулиране на температурата в системата за отопление, както и за битова гореща вода.

1.1 Оразмеряване на управляващия мотор-вентил
Представете си, че ще оразмерявате управляващ вентил за сградна отоплителна система свързана към районна топлофикационна мрежа.

Системата не е снабдена с регулатор на диференциално налягане, вижте фиг. 1.
Мощността на системата е 220 kW.

При температурна разлика ΔT = 50°C в системата, дебитът в системата може да бъде изчислен като Q = 1.05 l/sec ~ (3.78 m³/h).

Фиг. 1. Управление на сградна отоплителна система с управляващ мотор-вентил, но без регулатор на диференциално налягане.

При оразмеряването на управляващия вентил за изчисляване на kv се използва следното уравнение:

kv= капацитет на вентила [m³/h]
Q = необходим дебит през вентила [m³/h]
ΔРv– диференциално налягане през вентила [bar]

Приетото мин. очаквано ΔPподав. в мрежата е: 100 kPa (1 bar)
ΔP през останалите компоненти е изчислено на: 30 kPa (0.3 bar)

Дебитът се изчислява на базата на мощността на системата. Наличното диференциално налягане при управляващия мотор-вентил може да се окаже по-трудно за определяне поради варирането на налягането в мрежата.

Диференциалното налягане в мрежата може да варира до такава степен, че наличното диференциално налягане при управляващия вентил може да бъде в диапазона от 1 до 5 bar.

При налично ΔPv 0.7 bar при вентила изчислената kv стойност за вентила ще бъде:

Управляващ вентил с DN 25 mm и kvs = 6.3 m³/h ще бъде подходящ за тези условия.

Наличното диференциално налягане за управляващия вентил ΔPv е: 70 kPa (0.7 bar)

Необходимото за този вентил d ΔPv може вече да бъде изчислено с упавнение (2):

Ако ΔP в мрежата се увеличи до 5 bar, наличното ΔP за вентила в системата е 500 – 30 = 470 kPa (4.7 bar) и тогава необходимото kv ще бъде само:

В този случай един управляващ вентил с DN 15 mm и kvs = 2.5 m³/h ще бъде с достатъчен капацитет.

От изчислението може да се види, че вентил DN 25 при максимална мощност и макс. ΔP ще работи с

което е около една трета от максималния му капацитет.

Ако диференциалното налягане на системата се увеличи, вентилът ще започне да затваря и ще работи с параметри от по-ниската част на характеристиката си, вижте фиг. 4.

1.2 Оразмеряване на регулатор на диференциално налягане
Ако за системата бъде избран регулатор на диференциално налягане, изчисляването на вентила може да бъде следното:
Очакваното налично мин. ΔP в мрежата е: 100 kPa (1 bar)
ΔP през останалите компоненти се изчислява на: 30 kPa (0.3 bar)
ΔP през управляващия вентил: 30 kPa (0.3 bar)

Наличното диференциално налягане за вентила ΔPv е: 40 kPa (0.4 bar)
Дебит като управляващ вентил 3.78 m³/h

Управляващ вентил:

Избран вентил: DN 32 Kvs 10 m³/h

Наличното Δpv за регулатора на диференциално налягане е = 100 ÷ 30 ÷ 14 = 56 kPa (0.56 bar)

При това положение може да се избере регулатор на диференциално налягане с DN 25 и kvs = 6.3 m³/h.

При макс. ΔP в системата регулаторът на диференциално налягане ще работи с:

ΔPv = 500 ÷ 30 ÷ 14 = 456 kPa (4.6 bar)

Фиг. 3 показва, че този вентил ще работи с Хр диапазон ~ 5.9 kPa ~ (0.059 bar) и че отклонението в регулирането ще бъде от ~5.9 kPa до 1.9 kPa. Общото отклонение в регулирането при вариране на налягането от 1-5 bar в такъв случай ще бъде 5.9 – 1.9 = 4 kPa.

Сега можем да видим, че ако колебанията на ΔP в мрежата са от 100 до 500 kPa, изменението на ΔPv  през управляващия вентил във фиг. 2 ще бъде само Хp = 4 кРа. Това означава, че ако в системата е монтиран регулатор на диференциално налягане, той ще поддържа почти постоянно ΔPv независимо от колебанията на диференциалното налягане в мрежата.

Фиг. 4 Ви показва съотношението между необходимия капацитет (kv) и ΔP възникващо в мрежата с и без регулатор на диференциално налягане. Колкото по-ниско е съотношението на капацитета в една система, толкова по-голяма е опасността от колебания вследствие на работа под kvr.

За да се избегнат колебания в системата, трябва да се вземе предвид следното:
– Настройката на параметрите в електронния регулатор
– Типа на характеристиката на вентила
– Управляващото съотношение на вентила

Настройка на регулатора
Настройването на управляващите параметри в електронния регулатор е много важно за избягване на колебанията. Настройката може да се опрости като се избере регулатор с функции  автоматична настройка и защита на двигателя [3].

Фиг. 2 Управление на сградна отоплителна система с управляващ мотор-вентил и регулатор на диференциално налягане.

Фиг. 3 Хр диапазон и отклонение в регулирането Хр (кРа) на регулатори на диференциално налягане тип АРV на Данфосс

Фиг. 4 Отваряне на вентила в зависимост от диференциалното налягане в системата с и без регулатор на диференциално налягане

Характеристики на вентила
Управляващият вентил трябва да бъде с характеристики, подходящи за работата на задвижката в зависимост от приложението. За сградна отоплителна система и системи за битова гореща вода оптималният избор ще бъде с разделна характеристика (фиг. 5). Разделната характеристика се подбира в съответствие с ефективността на топлообменника, която е типична за температурите използвани при топлофикационни приложения [1] и [2].

1.3 Управляващо съотношение
Немската директива VDI/VDE 2173 посочва правилата за определяне на управляващото съотношение на даден вентил.

Управляващото съотношение тук е дефинирано като отношението между kvr и kvs стойността на вентила. Дефиницията на управляващото съотношение R е:

R = kvs/kvr

kvs е максималният капацитет на даден управляващ вентил, m³/h.
kvr е най-ниският капацитет на вентила, при който наклонът на управляващата характеристика е в рамките на даден толеранс.

Текстът по-долу обяснява, че колкото по-високо е управляващото съотношение на един управляващ вентил, толкова по-добри са регулиращите му възможности.

От точката на характеристиката на вентила, (фиг. 5) съответстваща на kvr  надолу до точката на затваряне, наклонът на характеристиката е много стръмен. Следователно усилването в управляващия контур (дебит/отваряне на вентила) ще бъде относително голямо.

В резултат на това, регулирането на температурата в системата на топлообменника и смесителния контур може да причини колебания на регулираната температура при началните степени на отваряне на вентила под стойностите, съответстващи на kvr.

Това означава, че капацитетът, съответстващ на капацитета при kvr , обикновено е най-ниската степен на отваряне, при която може да се очаква стабилно регулиране.

Вентили с линейна характеристика на управляващото съотношение обикновено имат голямо управляващо съотношение, R=100-200, докато типичното управляващо съотношение на вентилите с експоненциална и логаритмична характеристика е R=30-50.

Фиг. 5 Пример за разделната характеристика на управляващ мотор-вентил и стойността kvr

1.4 Работно съотношение
Дефиницията на работното съотношение може да се изрази като съотношение между работата на макс. степен P100 и работата при kvr, Pkvr, при което има устойчиво регулиране на температурата P100/ Pkvr (фиг. 6).

Стойността kv на вентила при 100% натоварване зависи от диференциалното налягане през вентила. Колкото по-високо е диференциалното налягане, толкова по-ниска е необходимата kv стойност при Р100, вижте фиг. 4.

Qmin съгласно дефиницията на управляващото съотношение е най-ниската kv стойност на вентила, при която може да се очаква, че регулираната температура ще бъде стабилна.

Ако се използва регулатор на диференциално налягане, системата може да бъде настроена така, че вентилът да работи с kvs при Р100.

С оглед на комфорта температурата в една система за битова гореща вода трябва да бъде много стабилна. При избиране на система за гореща вода на проточен принцип, тя трябва да е в състояние да осигурява стабилна температура и на ниска мощност.

В това отношение е необходимо при работа на най-ниска мощност системата за битова гореща вода да може да поддържа температурата стабилна, дори само при едини консуматор. В този случай е необходима само минималната мощност за  поддържане на температурата стабилна при работа на един душ, като в същото време  се компенсира топлинната загуба вследствие на циркулацията на битовата гореща вода. Съответната мощност тук зависи от типа на системата.

Фиг. 6 Работно съотношение в зависимост от диференциалното налягане в системата. Изчислението се базира на ΔT = 50 °C.

Фиг. 7. Мин. регулиран дебит в зависимост от диференциалното налягане dPv.

При двустепенно подгряване на горещата вода, където през зимата студената вода предварително се подгрява от връщащия дебит от сградната инсталация, съответно необходимият дебит за допълнително подгряване на битовата гореща вода ще бъде 0.20 m³/h. При паралелни системи еквивалентният дебит ще бъде 0.33 m³/h.

От фиг. 7 може да се види, че тази система трябва да се оборудва с регулатор на dP, който може да регулира при този дебит. Може също така да се види, че dP в система без регулатор на dP е около 1 bar за двустепенни системи и 2.7 bar за паралелни системи.

2. Настройка на системата
Настройването на абонатната станция осигурява възможно най-висока степен на отваряне на вентила при 100% товар.

Ако в системата се използва регулатор на диференциално налягане, окончателното настройване може да се извърши  лесно и правилно.

Стабилно регулиране на температурата се постига, когато управляващият вентил работи в целия диапазон на характеристиката си.

Това е предварително условие за постигане на пълния ефект на управляващото съотношение на вентила, тъй като то се изчислява въз основа на kvs стойността на управляващия вентил.

Обикновено вентилите се оразмеряват чрез изчисляване на kv стойността въз основа на потока през вентила и определен пад на налягането през вентила, като се взема предвид съответно управляващата автономност на вентила.

Въз основа на изчислената kv стойност се избира вентил с подходяща kvs стойност, т.е. стойност, която често е малко по-висока от изчислената.

Процедурата по настройката след това се състои в настройване на регулатора на диференциално налягане на по-ниска стойност на диференциалното налягане, така че управляващите вентили да са напълно отворени при 100% товар. Тъй като често се оказва трудно да се симулира ситуация на 100% натоварване, налягането ΔPv, което трябва да се настрои,  може да се изчисли с помощта на уравнението за ΔPv.

3. Шум в управляващия вентил
В управляващия вентил много често се появява шум, ако диференциалното налягане през него е твърде високо. Ако системата не е снабдена с регулатор на диференциално налягане, управляващият вентил много често ще трябва да редуцира основната част от диференциалното налягане в мрежата. Това може да породи шум в системата.

Типичните категории на шум, издаван от управляващи вентили с високо ΔPv  са:
1. Шум от преминаващия флуид
2. Механичен шум
3. Кавитация

Нивото на посочените категории шум може да се окаже неприемливо.
Категории 1 – 2 зависят от типа на вентилите, конструкцията и размера им.
Категория 3 зависи от типа и конструкцията на вентила.
Кавитацията води до поява и поява на мехурчета във вентила и това звучи като чукане. Кавитацията в много голяма степен зависи от диференциалното налягане през вентила и нивото на налягане (статично и помпено), както и от температурата на флуида.
Ако състоянието на налягането около вентила и температурата на водата са известни, може да се изчисли стойността Z( кавитационен коефициент):

P1 е нивото на налягането на входа на вентила.
P2 е нивото на налягането на изхода на вентила.
Ps е налягането на парите при съответната температура на водата

Както е показано на фиг. 8 кавитацията в много голяма степен зависи от диференциалното налягане в системата и от стойността на налягането. Коефициентът на кавитация на един управляващ вентил обикновено е между 0.5 – 0.6 в зависимост от размера на вентила. В такъв случай може да се използва регулатор на диференциално налягане, за да се избере нивото на налягане в управляващия мотор-вентил, както и за да се намали диференциалното налягане през вентила и по този начин да се елиминира шума във вентила.

4. Хидравличен баланс в подаващата мрежа
Дадена топлофикационна система е в хидравлично равновесие, когато водният поток към отделните потребители е точно такъв, какъвто им е необходим за отопление на помещенията и производство на гореща вода.

Ако в системата няма хидравличен баланс причините могат да бъдат следните:
– Преоразмерени управляващи вентили
– Консумацията не съответства на техническото задание
– Няма възможност за регулиране на диапазона на дебита
– Системата не е настроена

По техническо задание хидравличният баланс означава ограничаване на диапазона на дебита в една система до стойности съответстващи на действителното потребление.

4.1 Ограничаване на дебита
Регулаторите на диференциално налягане могат да се използват в  абонатната станция като ограничители на дебит.

Настройката на регулатора на диференциално налягане може да се изчисли с помощта на  уравнение 2.

Qmax = Дебит в станцията при 100% товар.
Kv = Kv стойност на участъка, управляван от диференциалния регулатор.

Това означава частта от абонатната станция между точките, в които са свързани импулсните тръби на диференциалния регулатор. Ако регулаторът на диференциално налягане управлява само един вентил (вижте фиг. 2), трябва да се използва kvs стойността на вентила.

При  условие, че в абонатните станции се използват регулатори на диференциално налягане и че същите са настроени в съответствие с необходимия максимален дебит, те ще създадат хидравличен баланс в мрежата. Това означава, че дебитът в абонатната станция се ограничава в съответствие с максимално настроения дебит.

4.2 Точност на ограничаване на потока.
Евентуалната точност на ограничаване на дебита зависи от варирането на налягането в онази част на системата, която е между точките, в които са свързани импулсните тръбички.

Тъй като регулаторът на диференциално налягане е пропорционален регулатор, евентуално колебание  в налягането би съответствало на промяната в отклонението на регулатора ΔXp при вариране на диференциалното налягане в подаващата мрежа.

Фиг. 8 Коефициент на кавитация в зависимост от P1 и Δpv

Точността на промяна на потока ΔQ може да се изчисли:
ΔQ при увеличено диференциално налягане в мрежата ще бъде:

 

 

От изчислението може да се види, че промяната на потока ΔQ/Q1 зависи от ΔPset
(настр.) и ΔXp. (Вижте фиг. 8).

Фиг. 9 Точност на ограничаване на потока в зависимост от диференциалното налягане

Фиг. 9 показва изчислената точност на ограничаване на потока, ако регулаторът на диференциално налягане се използва като ограничител на дебита. Точността е по-висока при по-високо регулирано диференциално налягане Δpset.

Работа при по-ниско Хр може да подобри точността на ограничаване на потока.

Колкото по-ниско е Хр, толкова по-голям е размерът на регулатора на диференциално налягане. Тук трябва да се вземе предвид и това, че колкото по-ниско е Хр, толкова по-голям е рискът от колебания в регулатора на диференциално налягане.

Заключение
Приложението на регулатори на диференциално налягане в абонатни станции е най-важната стъпка към постигане на  една добре регулирана система. Така е възможно да се осигури най-добро управление със стабилно регулиране на температурата, висок коефициент на полезно действие и безшумно функциониране на системата.

Добре регулираната система е също така важна част от топлофикационната мрежа, където хидравличният баланс е от изключително значение. Добре регулираната система означава ограничаване на дебита до максималното потребление – регулаторът на диференциално налягане е просто един инструмент за постигане на тази цел.


Вижте също...