樓宇自動(dòng)化及空調(diào)自控系統(tǒng)中電動(dòng)調(diào)節(jié)閥執(zhí)行器的選擇
執(zhí)行器接受現(xiàn)場(chǎng)控制器的控制信號(hào)，改變控制變量（風(fēng)量、水量等），使建筑設(shè)備按預(yù)定的工藝要求運(yùn)行。執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)與調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照現(xiàn)場(chǎng)控制器的控制信號(hào)產(chǎn)生推動(dòng)力或位移，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)則在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作下去改變控制變量。在建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)多為風(fēng)閥、水閥和蒸氣閥等。現(xiàn)以水閥為例介紹執(zhí)行機(jī)構(gòu)與調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)選擇時(shí)應(yīng)考慮的要素。圖1為調(diào)節(jié)水閥的結(jié)構(gòu)示意圖。
1 調(diào)節(jié)閥選擇
二通閥的剖面圖如圖2所示。在工程中選用調(diào)節(jié)閥主要考慮流量特性與閥的通徑。1.1 調(diào)節(jié)閥的流量特性
調(diào)節(jié)閥的流量特性是指流過(guò)閥門(mén)的介質(zhì)流量Q與閥桿相對(duì)行程L（即閥的相對(duì)開(kāi)度）之間的關(guān)系。
在建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)中常用的理想流量特性有線性、對(duì)數(shù)和快開(kāi)特性。其中，快開(kāi)特性主要用于雙位控制及程序控制，因此調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇通常是指如何合理選擇線性和對(duì)數(shù)流量特性。正確的選擇步驟是：根據(jù)過(guò)程特性，選擇閥的工作特性；根據(jù)配管情況，從所需的工作特性出發(fā)，推斷理想流量特性（制造廠所標(biāo)明的閥門(mén)特性是理想流量特性）。
由于常規(guī)調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律是線性的，調(diào)節(jié)器參數(shù)整定后希望能適應(yīng)一定的工作范圍，不需要經(jīng)常調(diào)整。這就要求廣義過(guò)程是線性的，即在遇到負(fù)荷、閥前壓力變化或設(shè)定值變動(dòng)時(shí)，廣義過(guò)程特性基本保持不變。從自動(dòng)控制系統(tǒng)角度看，調(diào)節(jié)閥工作特性的選取原則是使整個(gè)廣義過(guò)程具有線性特性。即在廣義過(guò)程中，除調(diào)節(jié)閥外其余部分為線性時(shí)，調(diào)節(jié)閥也應(yīng)該是線性的；當(dāng)廣義過(guò)程中除調(diào)節(jié)閥外其部分具有非線性特性時(shí)，調(diào)節(jié)閥應(yīng)該能夠克服它的非線性影響而使廣義過(guò)程接近為線性。例如，熱交換器的熱水流量Q與換熱后的空氣溫度θ往往呈圖3所示的特性，可以采用等百分比特性的調(diào)節(jié)閥，以實(shí)現(xiàn)線性的廣義過(guò)程。
1.2 調(diào)節(jié)閥通徑的選擇
通常在暖通設(shè)計(jì)中已經(jīng)提供設(shè)備負(fù)荷*大流量Qmax，并給出對(duì)調(diào)節(jié)閥要求的流通能力CV值。根據(jù)上述技術(shù)參數(shù)，在產(chǎn)品型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)系列中選取大于CVmax并*接近流量系數(shù)CV值來(lái)選定閥門(mén)口徑。選定后再驗(yàn)征調(diào)節(jié)閥開(kāi)度和可調(diào)比，即要求*大流量時(shí)開(kāi)度不超過(guò)90%，*小流量時(shí)閥開(kāi)度不小于10%。驗(yàn)征合格后根據(jù)CV值使確定的調(diào)節(jié)閥通徑一般小于管道直徑一檔至兩檔。
1.3 調(diào)節(jié)閥門(mén)計(jì)算示例
為了獲得穩(wěn)定、有效的自動(dòng)控制性能，調(diào)節(jié)閥門(mén)的規(guī)格、型號(hào)必須經(jīng)過(guò)計(jì)算確定。一般是由自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者根據(jù)空調(diào)機(jī)組盤(pán)管的額定流量、額定水流阻力、分支管路壓降等工藝參數(shù)，同時(shí)參考管系的系統(tǒng)壓力、管路結(jié)構(gòu)和盤(pán)管的額定溫差等參數(shù)，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的流量系數(shù)，即Kv值。這個(gè)數(shù)值代表了調(diào)節(jié)閥門(mén)預(yù)期的流通能力，設(shè)計(jì)者據(jù)此查閱閥門(mén)生產(chǎn)廠商的流量系數(shù)——閥門(mén)規(guī)格對(duì)應(yīng)表，從中選擇合適口徑的調(diào)節(jié)閥門(mén)。這樣選擇出來(lái)的閥門(mén)口徑，通常會(huì)比空調(diào)水分支接管口徑小1～2口徑檔次。所以調(diào)節(jié)閥門(mén)在空調(diào)水管道安裝時(shí)要采用縮徑工藝。
選擇調(diào)節(jié)閥門(mén)規(guī)格的主要考慮因素有兩個(gè)：一個(gè)是確保調(diào)節(jié)閥門(mén)的額定流通能力，以使空氣處理機(jī)組的額定容量達(dá)到設(shè)計(jì)要求；另一個(gè)是校正水流經(jīng)過(guò)盤(pán)管和管路時(shí)存在的非線性，使控制閥門(mén)和管路元件合成產(chǎn)生一個(gè)線性特性，從而使系統(tǒng)調(diào)節(jié)裝置能作穩(wěn)定有效的控制。對(duì)于每一個(gè)具體的空調(diào)裝置，需要選擇對(duì)應(yīng)合適口徑的調(diào)節(jié)閥門(mén)，以一定的全開(kāi)阻力來(lái)實(shí)現(xiàn)這種校正。在工程上就是計(jì)算和選定一定的調(diào)節(jié)閥口徑，以獲得合理的閥門(mén)權(quán)限和較高的閥門(mén)調(diào)整率。調(diào)節(jié)閥門(mén)口徑不適當(dāng)，自動(dòng)控制系統(tǒng)就不能正常穩(wěn)定工作，造成空調(diào)系統(tǒng)工作品質(zhì)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。下面舉例說(shuō)明這樣的計(jì)算和選擇。
1.3.1 空調(diào)水系統(tǒng)管系阻力分布情況
這里所舉例子是一次泵的兩管制系統(tǒng)，豎向總管采用異程供水方式，每樓層水平分總管設(shè)動(dòng)態(tài)平衡閥。水泵揚(yáng)程35m（=3.43bar），供回總管之間壓差取其2/3，大約2.40bar。空氣處理機(jī)組分支管路壓降，也就是工作部件壓降是0.60bar，管系阻力分布大致如圖4所示。
1.3.2 調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)計(jì)算示例
根據(jù)建筑設(shè)計(jì)院暖通專(zhuān)業(yè)提供的施工資料獲知：空調(diào)水支管的設(shè)計(jì)壓降，即工作部件壓降是0.60bar，所要計(jì)算閥門(mén)規(guī)格的空調(diào)機(jī)組的盤(pán)管額定水流量Q為30.4m3/Hr，其盤(pán)管的額定水流阻力是0.294bar，則按上述計(jì)算公式得：
這里計(jì)算獲得的調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)是55，此數(shù)值在兩個(gè)規(guī)范值40～63之間，按保證閥門(mén)流通能力的原則，應(yīng)選擇兩者中較大者，即規(guī)范值63。查閱調(diào)節(jié)閥供??廠商提供的流量系數(shù)—閥門(mén)規(guī)格對(duì)應(yīng)表可知，規(guī)范值63所對(duì)應(yīng)的閥門(mén)口徑是65mm。把這個(gè)規(guī)格的調(diào)節(jié)閥安裝于該空調(diào)機(jī)組，在額定工況下（閥門(mén)全開(kāi)時(shí)）其實(shí)際壓降大約是0.23bar。
1.4 討論
我們希望調(diào)節(jié)閥門(mén)在全開(kāi)時(shí)的壓降，近似等于管路其他阻力元件的壓降，使閥門(mén)權(quán)限（定義為：閥門(mén)壓降/管路元件阻力總和）等于0.5。這樣可以獲得滿意的組合線性特性。但是這種情況僅是在理想條件下才能夠獲得。如何在異程管系中尋找合理的閥門(mén)權(quán)限，一直是較為困難的問(wèn)題。
以上述空調(diào)水系統(tǒng)為例，水泵揚(yáng)程35m，能提供3.43bar的系統(tǒng)壓頭，經(jīng)過(guò)壓差旁通控制以后，在系統(tǒng)供、回總管之間的壓力大約是2.40bar。如果設(shè)計(jì)留給有效的工作部件——盤(pán)管的壓降和調(diào)節(jié)閥門(mén)的壓降之和是0.60bar，則還有占大部分的壓力（1.80bar）就降在傳輸管路、平衡閥、過(guò)濾器等非工作部件上，本質(zhì)上這些部件都是阻力元件。雖然總管阻力變化對(duì)支管阻力的影響，不能等同而言，但是由于其壓降占據(jù)管系阻力的大部分，故不能忽視。
變水量系統(tǒng)的水流量，跟隨負(fù)荷的變化而變化。隨著水流量上升，管路阻力呈指數(shù)規(guī)律增加，使工作部件兩端的壓差呈非線性不規(guī)則變化。加于工作部件的這種壓力變化，是自動(dòng)調(diào)節(jié)單元相對(duì)難以校正的高階干擾。表現(xiàn)在口徑過(guò)大的調(diào)節(jié)閥門(mén)上，就可能會(huì)發(fā)生“疲于奔命”的情況，這樣的閥門(mén)始終在全開(kāi)至全關(guān)之間反復(fù)動(dòng)作，致使溫度調(diào)節(jié)精度差，閥門(mén)運(yùn)動(dòng)零件易損耗，閥門(mén)工作壽命縮短。選用口徑較小、阻力較大的閥門(mén)，其抗干擾能力就較強(qiáng)，可以避免這樣的問(wèn)題。所以，為了追求控制系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性，在異程管系中讓閥門(mén)通過(guò)*大流量的同時(shí)，選用盡可能小口徑的閥門(mén)，以便其有較大的閥門(mén)權(quán)限和調(diào)整率。
空氣處理機(jī)組盤(pán)管的額定水流阻力是計(jì)算閥門(mén)流量系數(shù)的主要參數(shù)，但是這個(gè)參數(shù)，往往要在空氣處理機(jī)組采購(gòu)?fù)瓿珊蟛趴赡艽_認(rèn)。在尚未獲得空氣處理機(jī)組盤(pán)管的額定水流阻力以前，一般可取暖通設(shè)計(jì)認(rèn)定的分支管路壓降的二分之一作為調(diào)節(jié)閥門(mén)流量系數(shù)計(jì)算公式中的閥門(mén)計(jì)算壓降△P。例如本示例中，可以取0.30bar作為△P。這樣處理，是一種權(quán)宜之計(jì)。
在工程中有人以空氣處理機(jī)組盤(pán)管阻力作為調(diào)節(jié)閥門(mén)流量系數(shù)計(jì)算公式中的△P，這種計(jì)算方法，僅當(dāng)盤(pán)管額定阻力接近分支管路壓降一半時(shí)，才會(huì)得到近似正確的結(jié)果。在盤(pán)管額定阻力較大或者較小時(shí)都會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題：當(dāng)盤(pán)管額定阻力較大時(shí)，算出的流量系數(shù)偏小，實(shí)際分支管路壓降可能超過(guò)暖通設(shè)計(jì)允許的數(shù)值；當(dāng)盤(pán)管額定阻力較小時(shí)，算出的流量系數(shù)偏大，實(shí)際分支管路阻力過(guò)小，致使自動(dòng)調(diào)節(jié)單元的調(diào)節(jié)精度和穩(wěn)定性降低。
2 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)選擇
電動(dòng)機(jī)構(gòu)是把電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力通過(guò)齒輪傳動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行器直行程的力或角行程的轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)選擇*重要的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出的力或力矩，必須大于調(diào)節(jié)閥所需的工作力或力矩，同時(shí)能確保調(diào)節(jié)閥的關(guān)閥力能在*不利的條件下緊密地關(guān)閉閥門(mén)。有些建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)工程由于電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的關(guān)閉壓力小于管道流體對(duì)閥芯的反壓力，而導(dǎo)致冬季無(wú)法調(diào)低室溫，夏季無(wú)法調(diào)高室溫，出現(xiàn)了既浪費(fèi)能源又破壞舒適環(huán)境的現(xiàn)象。
根據(jù)實(shí)際工程的經(jīng)驗(yàn)，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推力（或稱(chēng)關(guān)閉壓力）選擇在0.8~1Mpa（即為8~10kg/ cm2），同時(shí)考慮到設(shè)計(jì)院暖通設(shè)計(jì)數(shù)值與實(shí)際工作狀態(tài)數(shù)值的差別，以及流體對(duì)閥芯和閥體的沖蝕，其實(shí)際工作狀態(tài)的壓差數(shù)值不應(yīng)超過(guò)0.3Mpa，如壓差較高應(yīng)采取相應(yīng)的減壓或平衡壓力的工藝措施。
3 調(diào)節(jié)閥的節(jié)能研究
由于調(diào)節(jié)閥是串聯(lián)在水管路中工作的，閥兩端壓降的大小與閥門(mén)自身的能耗有很大關(guān)系，因此，調(diào)節(jié)閥如能在小壓降的工況下運(yùn)行，可使水系統(tǒng)能量得到充分的利用。
調(diào)節(jié)閥的性能參數(shù)中的壓降比定義為調(diào)節(jié)閥全開(kāi)時(shí)，閥兩端壓降占系統(tǒng)總壓降的比值。壓降比越小，表示相對(duì)于系統(tǒng)壓降，調(diào)節(jié)閥兩端壓降越小，有利于系統(tǒng)節(jié)能。但是過(guò)小的壓降比要影響調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)性能，所以綜合控制與節(jié)能目標(biāo)，在工藝設(shè)計(jì)中*大流量時(shí)對(duì)于水管路系統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥兩端壓降約為系統(tǒng)總壓降的1/3。由于壓降比減小，水泵出口的壓力可以減小，從而整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力能耗得以降低。