水力监测系统（共7篇）
水力监测系统 篇1
0 引言
水电厂一般担负着调峰、调频、调相、事故备用等重要任务[1]。水电厂合理调度用水非常重要,因此开发水力机组运行参数实时监测系统具有重要意义。运用该系统不仅能实时了解水轮机的工作状况,例如机组出力及效率情况,而且可以及时发现水电站运行中存在的问题,避免重大事故发生[2]。目前我国应用于水电站中的监测系统主要有基于工控机的监测系统和基于单片机的监测系统,而基于虚拟仪器的监测系统应用较少。本文结合岗南水电站1-3号水力发电机组系统的特点,以计算机为硬件主体,LabVIEW[3]为软件平台,采用虚拟仪器技术开发了水力机组运行参数实时监测系统。
1 水力参数监测系统
1.1 监测系统的组成
水力发电机组运行参数实时监测系统由硬件和软件两部分构成。硬件部分除了变送器外主要由信号调理模块和数据采集卡组成。调理模块和数据采集卡接收变送器采集的信号,并将其传送到虚拟仪器软件平台。系统原理图如图1所示。
1.2 水力参数测量原理
1.2.1 机组瞬时流量的测量
水力机组瞬时流量Q的测量采用蜗壳差压法[4]。在水流流经蜗壳时,由于弯曲流道的作用,使得蜗壳内外缘之间产生和水流流速有关的压力差。反过来说,测得了这个压力差,就可以得到流速就能够求得通过水轮机的流量如下式所示
式中:K为蜗壳流量系数,可通过机组原型试验标定;h为蜗壳内外差压,采用1151DP差压变送器测得,差压变送器将蜗壳压差以4～20 mA的模拟信号送给信号调理设备,再经数据采集装置转换为数字信号送到虚拟仪器软件平台。
1.2.2 机组工作水头的测量
水轮机工作水头指水轮机的进口断面与出口断面处单位重量水流的能量差值,由下式表示:
式中:Z1为蜗壳进口断面压力变送器的安装高程;Z2为尾水管出口断面压力变送器的安装高程,在压力变送器安装后可得到Z1、Z2的值[5];P1为蜗壳进口断面压力变送器的读数;P2为尾水管出口断面压力变送器的读数,采用两台1151GP型压力变送器,分别测得P1、P2的值,然后转换为4～20 mA的电流信号送入信号调理与采集装置;α1、α2为流速分布均匀系数,近似取α1=α2=1;v1、v2为水流速度;Q为水轮机的过机流量,已由前面得到;F1为蜗壳进口断面面积;F2为尾水管出口断面面积,可由设计施工图得到。
1.2.3 发电机有功功率的测量
发电机有功功率表示为[5]:
式中:Cn为有功功率变送器常数;Ki、Kv分别为电流互感器变比和电压互感器变比;Nw为有功功率变送器读数值,可采用EPW-201功率变送器测量,将测得的有功功率值转化为4～20mA的模拟信号送入信号调理与采集系统。
1.2.4 水轮机出力及效率的计算
水轮机出力P可表示为:
式中:ηg为发电机效率,可从发电机效率曲线上查得;Pg为发电机有功功率。
水轮机效率由下式计算得出:
Pg、Q、H、ηg同前述,由当前时刻流量,水头和发电机有功功率计算出水轮机效率值。水轮机的出力和效率可在虚拟仪器前面板上实时显示并存储于数据库中。
1.3 监测系统硬件设置
水轮机参数经由变送器的测量并变换为模拟信号后,再经由信号调理模块及数据采集卡送入本系统。
由于水电厂工作环境复杂,现场监测常常伴有噪声干扰,检测信号含有大量噪声,而且从变送器得到的信号较微弱,因此需专门的信号调理才能进行数据采集[3]。信号调理方法有放大、隔离、滤波、激励、信号转换、线性化等。本系统采用NI公司生产的SCXI-1125信号调理模块,其主要技术参数为:8通道,300Vrms/通道,10 kHZ/4 Hz滤波。
数据采集卡是将电信号转化为计算机系统可识别分析的数字信号的装置本系统采用公司的系列数据采集卡PCI-6221,它具有16个模入通道,2个模出通道,24个数字I/O,2个32位计数器,分辨率为16位,最大量程-10 V～10 V。
1.4 监测系统软件设计
系统软件采用美国NI公司的LabVIEW为开发工具编写。LabVIEW是一种图形化编程语言,使用这种语言编写程序不用写程序代码,而是采用图标与连线的方式,像画电路板一样编程,形象直观又便于移植和扩展[6]。用LabVIEW编程简单,开发周期短,效率高。据经验,用LabVIEW开发虚拟仪器比使用基于文本的语言开发效率提高大约100倍;同时LabVIEW在信号处理等方面的强大功能又远非组态软件可比[3]。
软件系统由数据采集显示、数据管理等几部分构成。
1.4.1 数据采集显示部分
数据采集部分前面板分为输入区域、显示区域和操作区域(如图2所示)。输入区域采用一个选项卡控件,共包含3个选项卡,一个选项卡上对应一个机组技术参数的输入;显示区域包含数值显示区域和曲线显示区域,数值显示区域以数字形式实时显示系统采集的数据,包括水轮机组的流量、工作水头和发电机的有功功率,波形显示区域以曲线形式直观反映水轮机Q、H、Pg的变化趋势;通过计算得到的水轮机效率和水轮机出力利用仪表指针形式显示。在操作区域中,用户可以通过按键操作,选择进行“全部机组采集”数据或仅仅选择“×号机组采集”数据。
经由LabVIEW设计的程序框图采用事件结构(Event Structure,如图3所示),共有5个Case组成,从序号0到序号4。Case0实现全部机组采集并将采集到的数据动态存储于数据库中;Case1到Case3分别实现1号机组采集、2号机组采集和3号机组采集的功能;Case4为置零模块,用于初始化输入和输出参数,消除以前监测时留下的数据,保证监测数据的准确性。
1.4.2 数据管理部分
在水力参数监测系统中,为了实现对实时采集数据的查询、分析和处理,必须创建一个数据库对数据进行管理。本系统数据管理模块的开发采用LabVIEW提供的免费LabSQL工具包,利用Microsoft ADO以及SQL语言实现对数据库的访问[7]。在程序中,可以通过功能选择按钮实现对数据库的操作,包括查询、添加、删除和修改,程序框图如图4所示。
2 水力参数监测系统主要实现的功能
水力机组运行参数实时监测系统可以实现以下功能。
(1)可同时对多台运行水电机组在线监测或单独对某台机组进行监测。可在软面板上显示机组下列运行参数:机组瞬时流量Q,工作水头H,发电机有功功率Pg,水轮机效率ηt和水轮机出力P。
(2)在控制面板上对监测数据进行图形化显示,可使运行人员随时了解水力参数的变化趋势,准确掌握水力机组的运行状态。
(3)在控制面板的操控下,可将系统采集的水力机组运行实时数据存储于数据库中,便于对数据进行显示、查询、统计、生成报表分析等操作。
3 结语
(1)水力机组运行参数实时监测系统实现了数据采集、显示、分析、计算与存储功能,为水力机组高效稳定运行提供了保障。运行实践表明,该系统操作灵活,人机界面友好,具有较高的可靠性与稳定性。
(2)采用以虚拟仪器LabVIEW为平台开发的监测系统与目前国内已有的基于VB和组态软件编制的系统相比,结构简单、成本低、可靠性高、人机界面友好、移植性与扩展性强,该系统不仅提高了电站的经济效益,而且增强了电站的自动化水平是水电站监测系统未来的发展方向。
摘要：为准确掌握水轮发电机组运行状况,实现水电站优化调度与经济运行,采用虚拟仪器技术设计了一套集数据采集和数据管理功能为一体的水力机组运行参数实时监测系统。重点介绍了水力机组参数的测量原理、系统的硬件实现及基于虚拟仪器的软件设计方法。运行实践表明该系统操作灵活,界面友好,具有较高的可靠性与稳定性。
关键词：水力机组,运行参数,监测系统,虚拟仪器
参考文献
[1]于德荣,陈铁华,尉青连.NuDAM系列模块在水电机组效率监测系统中的应用[J].中国农村水利水电,2007,(9):112-113.
[2]瞿.采用虚拟仪器结构的水电站监测系统的设计[J].水力发电学报,2004,23(5):118-122.
[3]雷振山,赵晨光,魏丽,等.LabVIEW 8.2基础教程[M].北京:中国铁道出版社,2008.
[4]范华秀.水力机组辅助设备[M].北京:水利电力出版社,1987.
[5]汤宁平,陈明凯.水轮发电机组效率测量装置[J].电工技术杂志,1999,(3):21-23.
[6]张重雄.虚拟仪器技术分析与设计[M].北京:电子工业出版社,2007.
[7]周志宇,李裕能,郭松梅,等.基于虚拟仪器技术的谐波在线监测系统的设计与实现[J].自动化仪表,2005,26(12):34-36.
水力监测系统 篇2
关键词：B/S架构,振动摆度,远程通讯,发电机组状态监测
大型电力设备是电力系统中的重要设备能否安全运行决定了电网是否能可靠运行, 2009年俄罗斯萨扬-舒申克水电站机毁人亡的事故更是提醒人们发电设备的安全可靠运行已成为电力系统的头等大事[1]。为了防止机组安全事故的发生, 国内电厂大多采取计划检修的策略, 这样容易出现“维修不足”与“维修过剩”的情况, 前者使设备容易损坏, 后者会增加不必要的维修费用[2]。目前, 状态检修已成为国内外研究的热点, 它主要通过状态监测, 及早发现设备存在的隐患和缺陷, 有目的进行设备维修保养, 然而状态检修需要依托各方面的知识, 电厂专家必须能够与制造厂家、科研院所等部门协作, 充分利用异质资源, 实现远程协同故障会诊, 因此, 构建发电设备远程状态监测便显得尤为重要[3]。本文构建了基于浏览器/服务器 (B/S) 结构的大型水力发电设备振动摆度远程实时监测系统, 用户注册成功后, 通过浏览器便可获得权限允许范围内的运行机组振动摆度方面的信息, 其中关键参数通过与建立的标准健康样本进行比对, 能够给予用户直观的预警提示。本系统界面友好, 生动直观。同时, 为各方面用户提供了机组实时运行信息, 大大降低了电厂及设备制造厂的维护成本, 提高了机组诊断工作的效率。
1 系统的架构组成
该系统依托三峡电站机组为试验工程, 通过电力数字专线和VPN (Virtual Private Network) [4]将电站机组运行信号引入到本地服务器。为更好地复用数据, 对数据进行了二次编码处理。本地服务器按功能分类分为数据存储服务器, Web应用程序服务器及专家知识库服务器, 三者分别用于存储远程传输的实时数据, 程序代码及评测机组性能的健康样本。系统采用B/S架构, 方便诊断专家远程监测并分析发电设备的状态。只要有网络连接的地方, 专家通过浏览器登陆本系统便可观测到机组的运行情况, 这样分析监测系统便不再受地域空间的限制;同时系统的开发、维护与升级只需在本地服务器端进行, 而客户端只需要安装浏览器即可, 降低了客户端对电脑硬件配置的要求同时解除了操作系统的限制[5]。机组振动摆度远程监测系统结构如图1所示。
2 系统功能实现
基于B/S架构的大型水力发电设备振动摆度远程实时检测系统由JAVA和Lab VIEW两个编程工具协同完成。JAVA用来搭建系统的框架, LabVIEW负责实时数据的处理工作, 包括时域波形展示及相应频谱分析等。
2.1 Lab VIEW与JAVA间的通讯
Lab VIEW是一种优秀的面向对象的图形化编程语言, 使用图标代替文本代码创建应用程序, 拥有大量与其他应用程序通信的VI库[6]。本系统以Webserver为桥梁, 实现Lab VIEW与JAVA间的数据交换, Webserver支持多种通讯协议且具有无与伦比的兼容性, 可以实现跨平台及不同编程语言间的通讯。JAVA将数据发布在Webserver, Lab VIEW通过读取Webserver发布时的WSDL地址获取服务地址及请求参数, 经过SOAP协议绑定服务后, LabVIEW可以直接访问Webserver的相关数据并做相应的处理。
2.2 客户端与Lab VIEW间的调取
本系统利用TCP/IP, 实现远程客户端对本地服务器Lab VIEW相关机组具体部件的实时波形调取功能。远程客户端向服务器发出请求, 应用服务器中的Lab VIEW程序针对请求作出相应反应。这里以发电机上机架振动信号为例进行说明, 其中主VI接收客户端机组信号并调取子VI, 子VI读取Webserver封装后数据并进行后期处理, 包括频谱分析及波形特征提取等, 主程序流程及程序框图如图2、图3所示。
主VI采用生产者消费者架构。生产者循环与消费者循环可以并行执行且互不影响, 两者通过队列的方式传递数据, 而主VI和子VI则通过接口相连。
Lab VIEW执行程序是以数据流的形式, 为避免主VI接收信号时出现死循环, 这里通过延时和使用全局变量的方法来控制子VI运行。
2.3 机组性能状态评定
机组性能状态评定是提取反映机组性能的特征参数 (如机组某部件振动峰峰值) , 将其与用于评判机组性能的健康样本进行比对, 通过比对将机组的性能状态划分为健康、警示和报警三种状态, 并分别以绿、橙及红的警示灯显示。健康样本的建立必须遵守国际与国家标准 (IEC、IEEE、GB) 、行业标准, 结合与电厂用户签订的合同内容要求, 同时它也需要相关学科专家共同建立、修改、完善、审定。健康样本不但可以对性能参数直接进行分析, 将参数带入逻辑运算中, 还可以对故障进行诊断, 同时也是各方面专家知识的高度融合。
2.4 系统安全机制认证
通过前台注册后台认证的方法以及防火墙的使用保证了系统数据的安全性并对不同用户提供不同的权限。一般权限用户只能观察远程机组的运行情况, 权限高的可以对数据进行管理和扩展系统功能。
3 系统应用
本系统已经基本搭建完毕, 正在进行试运行阶段。客户端界面友好, 操作简便, 结合相应的Flash动画, 显示生动直观。该系统能对机组的运行情况及提取的振动特征参量进行展示。
4 结语
本文结合互联网通讯技术, 借助JAVA及LabVIEW编程工具搭建了基于B/S架构的大型水力发电设备振动摆度远程实时监测系统。实现了机组运行数据的远程传输及二次复用, 能够对机组的运行状况进行监测。而且本系统界面友好, 交互灵活, 安全性高, 有利于减少电站维护设备的成本及提高工作效率。
参考文献
[1]罗曼, 覃国茂, 董晓英, 等.NGC2发电机局部放电在线检测系统设计与应用[J].大电机技术, 2010 (5) :14-18.LUO Man, TAN Guomao, DONG Xiaoying, et al.Large online monitoring system for generator partial discharge and its application[J].Large Electric Machine and Hydraulic Turbine, 2010 (5) :14-18.
[2]郭江, 罗云, 李朝晖.面向电厂维护的机组状态远程监视平台构建[J].水电自动化与大坝监测, 2005, 29 (1) :29-32.GUO Jiang, LUO Yun, LI Zhaohui.Maintenance-oriented remote supervision platform of hydro-electric generating units of hydropower plants[J].Hydropower Automation and Dam Monitoring, 2005, 29 (1) :29-32.
[3]余雄伟, 李朝晖, 艾友忠.水轮机调速器智能化交互式诊断系统研究[J].水电自动化与大坝监测, 2005, 29 (4) :19-22.YU Xiongwei, LI Zhaohui, AI Youzhong.Intelligent interactive diagnosis for water turbine governors[J].Hydropower Automation and Dam Monitoring, 2005, 29 (4) :19-22.
[4]赵世伟.VPN组网和业务开发的技术研究[D].南京:南京邮件大学, 2008:1-2.ZHAO Shiwei.Technical research on VPN organization and business development[D].Nanjing:Nanjing University of Posts and Telecommunications, 2008:1-2.
[5]彭兵, 城建, 李友平, 等.长江电力水力发电设备远程状态监测与故障诊断系统设计与应用[J].水电厂自动化, 2013, 34 (1) :33-36.PENG Bing, CHENG Jian, LI Youping, et al.Design and application of Yangtze River electric and hydropower generation equipment remote monitoring and fault diagnosis system[J].Hydropower Plant Automation, 2013, 34 (1) :33-36.
浅析水力发电机组安装质量的监测 篇3
1 水力发电机组安装的准备工作监测
水力发电机组的安装主要有前期准备和安装调试、验收工作, 其中引入监测手段以确保质量的可靠性, 并且监测工作贯穿安装流程的始终, 从前期的准备工作开始就要同步。准备工作的监测主要包含以下几个方面:
1.1 施工组织设计的监测
施工组织设计是从宏观方向维护施工的稳定运行, 其组织设计是否科学合理, 符合设备安装的需要, 就要对组织设计工作进行把关, 其监测主要集中在以下几个方面:1) 组织设计是否按照流程进行, 是否经过了充分的论证评估;2) 施工组织进度计划的可行性监测, 能否匹配整体的施工项目进度;3) 水力发电机组的安装涉及多个部分, 施工组织设计要编制子计划, 相互之间的融合衔接是否合理科学;4) 对组织设计人员的从业资格进行监测, 保证质量;5) 施工组织设计的审核工作是否到位, 对相关人员的职责进行监测。
1.2 开工条件监测
开工条件是正式施工安装的基础, 对于安装工艺流程的稳定可靠运行具有保障作用, 其中的条件审核与监测是确保其质量过硬、设备过关的重要手段, 一般而言, 开工条件的监测需要从以下几个方面着手:1) 施工安装的设备和材料非常庞杂, 涉及到诸多方面, 小到螺钉、垫片, 大到行车起重设备的检验检测, 确保设备与材料符合行业规范, 提高安装中的质量与安全;2) 技术规范文件的监测, 尤其是针对行业内模棱两可的技术要求, 要提高监测的力度, 尽量减少技术要求的冲突, 此外, 技术要求规范是否明晰到位也要进行监测;3) 开工条件中的工艺合理性、技术的可行性规范应成为监测的重点对象, 确保安装操作的效率与精准度。
2 水力发电机组安装工艺流程监测
2.1 水力发电机组转轮、大轴的安装
1) 水力发电机组的转轮安装的平台操作复杂、其固定难度大, 转轮和大轴的体积大, 操作时吊装的活动范围小, 导致安装的质量往往容易出现一定的偏差, 严重影响施工的进度。由于转轮、大轴的质量大、占地空间多, 吊装设备的运行中波动性相应增加, 因而, 转轮与大轴的安装主要做到两方面的监测:a.吊装设备的运行是否依照规范, 极力避免出现安全事故;b.转轮与大轴的同心度、配合尺寸是否和设计方案一致, 以免影响实际的运行质量。
2) 为了保证转轮和大轴之间跳动尽量小, 其同心度的误差要控制在0.05m m之内, 由于大轴本身的质量影响, 在安装时自身重力带来的弯矩会导致扭曲现象, 中心线也不是理论直线, 尤其是大轴中心线与法兰的中心基准之间的误差也要控制在0.05m m精度范围以内, 因而监测人员要用千分尺和水平仪等测量设备检测安装的中心对准问题。此外, 还要监测大轴与轴承的配合间隙问题, 以免径向力与轴向力超出轴承的规定范围, 导致运行中的跳动严重, 损坏零件。
2.2 发电机整体安装监测
发电机整体的安装监测包含三个主要方面, 1) 主机底板的安装部分;2) 导轴承部分;3) 转子和定子安装部分, 三部分的监测对设备的整体性能而言意义重大, 以下将详细论述。
1) 主机底板及导轴承安装监测工作:发电机组的主机地板作为整体设备的承载平台, 其强度、平整度、抗震性等指标都对设备有很大的影响, 首先要确保主机底板下的混凝土强度满足条件, 然后在三个方面监测主机的安装质量:a.监测主机底板安装的平行度, 保证没有倾斜情况, 水平平行的监测可以用水平仪来进行检验;b.控制主机的高度, 检测是否满足技术要求;c.主机底板对中监测, 主机底板的装配中心线是安装过程中的重要参考基准, 检测是否和设计方案一致。
2) 由于发电机组的导轴承有两套, 其中心线的重合度要控制在0.08m m以内, 轴承的轴向和横向偏差分别控制在0.05m m和0.10m m之内, 轴承座的水平精度监测要依靠专业的测量设备, 并且取轴承座的内瓦中心为基准线。
3) 转子、定子的安装监测:转子与定子的安装是水力发电机组安装的最为重要的环节, 工序流程复杂、质量控制严格, 涉及到的技术规范也比较多, 水力发电机组的安装中心环节即是以转子和定子的安装质量为参考评估。以下将分述主要的监测环节:a.定子与转子的安装过程是否有碰撞摩擦, 由于定子需要套入转子, 在吊装时巨大的运动惯性难以精确的把握移动的细节, 而一旦出现碰撞, 很容易造成内部损伤, 影响定子转子的使用寿命, 因而监测中一是通过肉眼检测外观, 另一方面是用探伤设备监测定子与转子的内部损伤情况;b.定子与转子之间的空气气隙是否符合标准, 由于相对运动中会有跳动, 因而保持气隙均匀, 非常重要, 监测中要对气隙进行测量评估;c.监测中, 要将底板、定子、转子和轴承座抬起, 检验水机和发机两法兰的高程差是否满足条件, 如不满足条件, 需要用千斤顶顶起, 并钉入楔子来加以调整;d.定子吊入转子中时, 观察辅助设备是否到位, 如钢支墩、U型杂木等装置的铺设情况, 如疏忽了此类设备的安装, 很容易导致设备的松动, 造成安全事故;e.调整用的楔子板是否经过的焊接, 并监测焊接处是否有漏焊、虚焊情况, 还要监测焊点的形状大小, 此外, 焊接用的材料也是监测的一部分, 保证焊接的质量要求达到规范;最后, 定子和转子的中心线之间的平行度、同轴度等技术要求是否在精度范围以内, 如果不满足要求, 需要重新调整。
2.3 水力发电机组的调试监测
安装之后, 要对机组的整体性能进行评估监测, 如在试运行过程中转子转速、密封件的渗漏情况、发电机组的功率、运行中的喘振等要素都是关乎机组整体性能的指标, 因而加强对这些问题的监测评估。以便在调试中找出问题及时更正。
3 水力发电机组安装质量监测注意事项
由于水力发电机组的安装涉及到安全前与安装执行阶段, 其监测涉及到的因素也非常多, 要做到监测的到位与合理, 监测有几个方面需要加以注意。
1) 设计方案的熟悉:安装质量检测是一个系统项目, 而要把关安装质量, 必须熟悉安装各部分的要素, 如定子、转子、主机底板等组成部分的工作原理、安装设计要求必须要熟悉掌握。
2) 技术要求的收集整理:安装质量监测要具体细化到各零部件的安装工序, 因而要达到监测的实效, 要提前收集整理安装的技术规范和要求, 做到心中有数, 才能保证监测的质量。
3) 安装人员的资格审查:安装人员必须要有一定的工作经验, 并能解决现场问题, 水力发电机组是大型设备, 一旦造成事故影响非同小可, 给员工和企业都会带来巨大的损失, 因而, 监测中的资格审查环节必不可少。
4) 注意监测的重点方向和质量控制, 每一个工序都有安装的核心要素, 如定子转子的安装以同轴度、气隙为中心要素, 把握关键的监测环节, 再以此为展开, 确保其他部分的安装到位。
5) 安装后的清理事项:要极力避免安装后工具设备遗漏在机组中, 一旦出现, 将对设备的运行带来严重的危害。
4 结论
水力发电机组的安装工序复杂、工程难度大、安装要求高, 其整体的质量左右企业的实际运行效率, 高质量的发电机组不但可以提高发电效率, 保证生产活动的长期稳定, 而且可以减少维修的次数和提高设备的使用寿命, 减少运维成本的投入, 因而, 分析水力发电机组的安装流程, 研究监测手段对于其整体质量的影响, 提出针对性的措施, 关乎着企业的命脉。
参考文献
[1]昊中伟.水泥混凝土科技工作者的挑战与机会[J].混凝土与水泥制品, 1996.
[2]中国水利水电科学研究院结构材料所.大体积混凝土[M].北京:水利电力出版社, 1991.
[3]郭随华, 林震, 苏姣华等.高贝利特硅酸盐水泥的水化和浆体结构[J].硅酸盐学报, 2000.
[4]王复生.现代水泥生产基本知识[M].北京:中国建材工业出版社, 2005.
水力监测系统 篇4
随着油气田井中微地震监测技术的发展[1,2], 地面监测方法近几年也开始在国内油气田应用。在国际上获得广泛应用的基于星型排列的地面微地震监测技术, 需要使用超过1 000道、6 000~24 000个检波器, 其测线延伸可达2~10 km, 并且要求20~40名野外施工人员用数天来部署检波器排列, 最终的施工成本接近布置小型三维地震观测系统的成本。考虑到星型排列密集检波器阵列的巨大成本, 研究中采用一种更加稀疏的三分量数字检波器排列 (以下称为“稀疏检波器排列”) 以较小的成本和较短的施工时间来监测微地震信号。同时, 采用与稀疏检波器排列匹配的微地震定位技术, 即微破裂向量扫描技术来实现微地震事件定位[3]。这一技术是一种基于波形叠加而不需要拾取初至时间的改进后的Semblance方法[4], 通过扫描地下储层岩石破裂所释放出来的破裂能量并结合压裂施工曲线解释破裂能量的时间-空间分布, 最终确定水力压裂诱发微地震事件的震源位置。
研究中, 利用微破裂向量扫描技术对在HH73P52井水力压裂过程中监测的微地震数据进行了处理, 获得了水力裂缝的时间-空间分布, 并结合三维地震蚂蚁体沿层切片, 确定了HH73P52井与邻井HH73P1井在压裂第11段时贯通的原因及其发生过程。
1 地质背景
HH73P52井位于鄂尔多斯盆地天环坳陷南端, 为华北油田开发致密砂岩油藏所钻的评价井。射孔目的层段位于三叠系延长组长8致密砂岩储层, 深2 498.0~3 678.0 m, 砂体厚12.1 m。由于此目的层段上下岩层均为厚泥岩, 所以比较适合应用水力压裂增产技术。
对HH73P52井实施水力压裂 (设计为11段) 及地层测试的目的是为提高三叠系延长组长8致密砂岩储层产能, 同步进行的地面微地震监测旨在了解水力裂缝的几何形状、储层现今地应力状况以及评估压裂增产效果。
2 数据采集
用于采集微地震信号的地面检波器排列, 由12个埋置于地表 (约1 m) 的三分量数字检波器组成, 如图1所示。离井口最近的检波器距井口超过1 km以避免井场压裂车发动机、泵以及发电机的噪音干扰;离井口最远的检波器距井口不超过3 km, 因为微地震信号的传播超过这个距离后会严重衰减以至无法到达地面埋置的检波器。
采集微地震信号的三分量数字检波器带宽为0~800 Hz, 垂直分量和水平分量灵敏度分别为 (400±30) m V (/cm/s) 和 (400±40) m V (/cm/s) 。埋置检波器时, 所有检波器统一定向, X水平分量朝向地理正东方向。采用1 ms采样率实时记录压裂时产生的微地震信号。所有检波器在压裂开始前30 min开始采集数据, 并持续至压裂结束后30 min以记录压裂前及压裂后的背景噪声, 其分析结果用于确定数据处理方案。HH73P52井第11段水力压裂施工共持续83 min。
3 微震事件定位
Lakings等人曾利用97个三分量检波器组成网格状稀疏检波器排列, 对美国Barnett页岩19-H水平井水力压裂进行地面微地震监测, 并获得与井下微地震监测精度相似的结果[5]。其采用的微地震震源定位方法为基于光束叠加的“被动地震发射层析成像 (Passive Seismic Emission Tomography or PSET○R) ”专利技术[5,6]。而文章采用的微破裂向量扫描技术与之类似, 仅在技术流程和技术细节上有细微差别。
首先, 记录的微地震数据同时显示垂直道和水平道, 以方便检测地震检波器在水力压裂的过程中是否正常工作。在确定检波器工作正常后, 有效的记录数据被带通滤波至1~45 Hz, 之后使用AGC技术来进行各地震道之间的振幅补偿。
其次, 微地震数据被分割成包含2.5 min记录的SEGY文件。根据噪音及信号的波形变化, 那种十分明显的噪音段被挑出并去除。只有被编修过的地震道作为向量扫描算法的输入。
然后, 利用偶极声波测井数据建立层状的一维P波和S波速度模型。利用此一维速度模型通过在三维网格空间中进行外推插值, 建立三维P波和S波速度模型。由于HH73P52井浅层缺少必要的声波测井数据, 速度模型的上部通过使用预期的岩性来外推。这些岩性信息可从HH73P52井钻井报告以及邻近井的地质报告中获得。各种浅层及近地表岩性对应的速度如表1所示。
最后, 所有包含2.5 min记录的SEGY文件被处理以检验微地震声发射能量的时间及空间分布。三维网格空间中每一个20 m×20 m的空间单元的每一个2.5 min时间段内的能量都被计算出来。水平和垂直分量的光束叠加记录被分析以确定能量高值分布区域。每一个2.5 min时间段内的具有最高能量的空间单元被标绘出来以展示地下储层岩石破裂活动与施工压力的关系。另外, 一个较短的2.5 min时间段的特定深度切片的能量分布图可用来确定地层破裂时间、主要水力裂缝形成的时间及其几何形状;而特定深度的能量叠加切片可用来研究最终水力裂缝几何形状以及现今应力场。
4 结果与讨论
HH73P52向量扫描输出的能量曲线表明地震活动在排量最初上升的时候开始。在压裂最初50 min内, 释放的破裂能量十分低, 表明仅有较少的地震活动发生并且没有产生较大的岩石破裂。这种现象也表明长8致密砂岩储层中确实存在天然裂缝。
随后, 出现2个能量尖峰, 一个在压裂开始后大约60 min的时候出现, 而另一个在100 min的时候出现。在这些时刻, 压裂施工曲线显示排量突然降低, 表明岩石破裂;而邻井HH73P1水平井筒内发现HH73P52井的压裂液, 表明两井水平段贯通。
通过叠加所有2.5 min时间段内声发射能量, 全部83 min时间段内2 296 m储层深度的能量叠加切片被提取出来, 如图2所示。
Maxwell等人在利用井下微地震监测研究水力裂缝成因机制时得出一个结论:通常最初形成的水力裂缝被认为是单一的张性裂缝, 其走向与最小水平主应力垂直;但是根据储层地应力场, 注入的流体将沿着具有最小阻力的路径注入, 其可能与闭合或开口裂缝中已经存在的薄弱裂缝面相交。因此, 最终形成的水力裂缝将比初始的单一水力裂缝面要复杂得多, 形成裂缝网络[7]。Maxwell的这一观点可以应用于此研究中, 从而帮助解释储层岩石破裂的过程。
第11段的微地震监测结果表明, 水力压裂形成的主要水力裂缝走向为北东向并延此方向延伸至与其相邻的水平井HH73P1井。压裂现场观测到大量的来自HH73P52井的压裂液涌入HH73P1井内, 证实了这一微地震监测结果。水力裂缝形成及其延伸过程可以通过三维地震与微地震的结合分析确定。从三维地震数据中提取的压裂目的层的沿层相干切片如图3所示。
黑色线性区域表示分布在HH73P52井和HH73P1井水平段之间的小断层和裂缝发育带
根据图3并结合现场的观察以及Maxwell等人的理论, 可以确定:在HH73P52井压裂施工过程中, 最初的水力裂缝沿北东向延伸并最终与两井水平段之间的小断层和裂缝发育带沟通;而注入的压裂液将进入这些小断层和裂缝发育带, 直到涌入与这些小断层和裂缝发育带沟通的HH73P1井的井筒。
5 结语
地面微地震监测技术和微破裂向量扫描技术成功地对HH73P52井第11段的83 min水力压裂所形成的水力裂缝进行了成像。通过对破裂能量的时间和空间分布的分析, 解释了压裂目的层2 296 m深度能量切片所显示的水力裂缝发育过程以及长8储层岩石破裂机制, 并通过对三维地震资料和微地震监测结果的综合分析, 确定了压穿邻井的原因及其发生过程。这些信息可以帮助更全面深入地了解了长8储层性质及其现今应力场, 对于水力压裂方法的优化、增产后产能提高十分重要, 并且能够为将来的这一地区致密砂岩储层水平井钻井提供强有力的指导。
参考文献
[1]荣宁, 吴迪, 韩易龙, 等.微地震监测水驱前缘技术在哈得双台阶水平井的应用效果评价[J].大庆石油地质与开发, 2006, 25 (2) :94-96.
[2]王治中, 邓金根, 赵振峰, 等.井下微地震裂缝监测设计及压裂效果评价[J].大庆石油地质与开发, 2006, 25 (6) :76-78.
[3]沈琛, 梁北援, 李宗田.微破裂向量扫描原理[J].石油学报, 2009, 30 (5) :744-748.
[4]Duncan M P, Eisner L.Reservoir characterization using surface microseismic monitoring[J].Geophysics, 2010, 75 (5) :139-146.
[5]Lakings J D, Duncan P M, Neale C, et al.Surface based microseismic monitoring of a hydraulic fracture well stimulation in the Barnett Shale[C].New Orleans:76th SEG Annual International Meeting, 2006:605-608.
[6]Duncan P M, Lakings J D, Flores R A.Method for passive seismic emission tomography:U S, 0068928A1[P].2009-08-18.
供热系统水力失调 篇5
1.1供热系统水力失调是指供热管网各热力站 (或热用户) 在运行中的实际流量与规定流量的不一致现象。也就是说, 供热管网不能按用户 (热力站或热用户) 需要的流量 (热量) 分配给各个用户, 导致不同位置的冷热不均的现象。1.2供热系统水力失调的程度用水力失调度来衡量。水力失调度定义为热力站 (或热用户) 的实际流量与规定流量的比值, 其数学表达式是:X=G/G0式中, X为水力失调度;G为实际流量 (m3/h) ;G0为规定流量 (m3/h) 。1.3水力失调有三种情况:当系统各个用户的水力失调度分别都大于或小于1时, 称为一致失调。当系统各个用户的水力失调度有的大于1, 有的小于1时, 称为不一致失调。当系统各个用户的水力失调度分别都相等时, 称为等比失调。无论是哪种情况的水力失调, 其结果不是导致用户过热就是导致用户过冷。要解决水力失调问题首先要了解产生水力失调的原因。
2 供热系统水力失调产生原因。
2.1工程设计是根据水力学理论进行计算而选取相应的数据, 而实际管材的数值与标准是有差别的。2.2由于施工条件的限制, 使管路的实际情况与设计情况有很大的不同, 供热管网在实际运行中不能达到平衡。2.3管网建成后系统中用户的增加或减少, 使原有的水力平衡遭到破坏, 要求管网流量重新分配而导致水力失调。2.4系统中用户用热量的增加或减少, 即用户流量要求的变化, 也要求网路流量重新分配而导致水力失调。2.5管网维护不当, 使管网水力平衡受到影响。
3 水力失调调节方法。
在实际水力平衡调节中, 我们通过学习, 考察。根据管网现状先后实际运用了调节阀法, 平衡阀法, 自力式流量控制阀法, 现介绍如下:3.1调节阀法。在供暖工作中, 经常应用是闸阀、截止阀, 而这两种阀门的调节性均较差, 做不到线性调节, 如闸阀当开度达到50%后, 其流量基本就不再随开度而增大了。因此, 近年来能够做到线性调节的调节阀在供暖行业得到广泛的应用, 调节阀通过改变阀芯与阀座的节流面积, 做到了开度与流量的线性关系, 再配以便携式超声波流量计, 可以完成水力工况的初调节, 但由于单位面积流量的严格控制和热网系统面积比较大 (二网换热站面积在10万m2~18万m2) 这种方法效果就不太明显了。3.2平衡阀法。平衡阀是一种具有良好调节流量功能的阀门, 它借助专用仪表, 使该阀成为定量的调节装置。但是这种方法只能在管网系统压差稳定的前提下才能做到流量平衡调节。如遇压差变化或负荷增减时, 全系统又需要重新做流量平衡调节, 这种阀不能进行动态下的平衡, 因此对于二次网来说使用起来不是很方便。3.3自力式流量控制阀法。自力式流量控制阀是一种利用管道系统自身具有的压差, 机械的作用在自动调节的阀瓣上, 不需要外加动力, 既可以自动消除系统剩余压头, 确保调节流量恒定的功能。它的调试也很方便简单, 即打开刻度尺密码保护罩套后, 根据单体楼房所需循环流量把流量值调到所需流量刻度线即可, 流量一经设定后, 不受管道系统压差变化或负荷增减的影响, 可以始终保持恒定。它的流量精度在4%, 失调度可在0.9~1.1范围内。
为了使我们的供热质量迅速提高, 供暖达到小康, 供热单位都在力所能及的使用一些较先进的设备和技术。二次网的水力调节是影响供暖质量的重要因素之一。在二次网单个换热站面积较小时可采用调节阀或平衡阀来调节流量, 当二次网单个换热站面积较大或水力工况较复杂时采用自力式流量控制阀调节流量。
参考文献
[1]贺平, 孙刚.供热工程[M].北京:中国建筑工业出版社, 1993.
水力监测系统 篇6
1.1 运煤系统
国电费县电厂位于山东省临沂市费县境内, 由国核电力规划设计研究院设计的2×600 MW机组于2007年8月6日投产发电。费县电厂主厂房按汽机房、除氧间、煤仓间、锅炉房四列式布置, 供水系统采用带自然通风冷却塔的扩大单元制供水系统, 每台机配2台循环水泵。
其铁路来煤的卸煤装置采用2台“C”型翻车机卸车。煤场设施布置为2座并列的斗轮机条形煤场, 可储煤21×104 t, 供2台机组20 d燃用。煤场设有悬臂斗轮堆取料机2台以及相应的辅助作业设备。分别在系统中安装了筛分和破碎设备, 其筛机为滚轴筛, 碎煤机为环锤式。带式输送机系统的设计参数为B=1 400 mm, v=2.5 m/s, Q=1 500 t/h。
国电费县电厂的运煤系统采用程序控制, 设有工业电视监控。运煤系统的清扫系统设有水力清扫及相应的污水处理设施。
1.2 水力清扫系统
1.2.1 水源
清扫用水分别为工业废水集中处理系统处理后的含煤废水 (常用水源) 和循环水排的污水 (备用水源) 。
1.2.2 冲洗系统
在输煤系统中部位置的3号转运站处设置了2台离心式清水泵 (一用一备) , 型号为IH100-65-315B, 流量90 m3/h～126 m3/h, 扬程62 m～92 m, 转速2 900 r/min, 配用Y225M-2/45 kW电动机, 向运煤系统各建筑物提供清扫用水。
需要冲洗以及喷洒的位置包括煤场、各个栈桥、转运站、翻车机室、碎煤机室以及煤仓间。这些建筑设施中, 最低点相对标高为-5.50 m, 最高点相对标高48.50 m。此外, 在各个皮带机头落料口还设置有喷雾除尘设施。喷雾除尘与水冲洗的工作时间相互错开, 即在皮带机开机上煤的时候, 喷雾除尘设施同时工作;在皮带机停机的时候, 开始水力清扫, 此时最多只允许同时打开3个栈桥冲洗器。
各个栈桥, 转运站, 翻车机室, 碎煤机室以及煤仓间设置一套相通的管道系统, 管径DN100 mm。栈桥内管道沿皮带机支腿布置, 其他建筑设施内沿墙壁布置。主管与卷盘箱之间的支管采用DN25 mm的钢管。
整个煤场运煤系统和水力清扫系统系统的布置见图1。
2 存在的问题
电厂正式运行后, 水力清扫清水系统出现2个问题。
a) 运煤系统3号转运站水泵出口水量压力不够, 打开3号转运站内冲洗器, 水流量很小, 并且几分钟后断水, 冲洗器无法正常工作。
b) 只使用带式输送机喷雾抑尘装置时, 水泵电机因持续发热而经常性烧坏。
造成这些问题的原因分析:
a) 费县电厂水力清扫系统中出现清水泵出口水量不足的问题在于水源处来水不稳定, 经常造成水泵入口处断水, 离心泵的腔体内没有足够的液体, 水流无法获得较高的压强, 只能有较少的水流入压出管道。若加装缓冲水罐补充水量, 离心泵得到稳定的水源, 可解决冲洗器断水和无法正常使用的问题。
b) 由于只开启带式输送机喷雾抑尘装置, 系统中需要的水量较少, 当离心泵启动后, 泵的入、出口流量都非常小。
根据输送条件的要求, 离心泵往往不会正好在最佳工况点运转, 通常最高效率为92%左右。选用离心泵时, 应尽可能使泵在此范围内工作。
费县电厂清水泵流量正常工作范围是90 m3/h～126 m3/h, 系统只开启带式输送机喷雾抑尘装置时, 系统流量约为12 m3/h, 远小于离心泵流量范围的最小值90 m3/h。这就是造成水泵电机经常烧坏的症结所在。
3 解决方法
无负压供水是近年来出现的1种新型给水方式, 通过无负压供水设备实现系统的水量调节。
3.1 工作原理
无负压供水系统主要由水泵、稳压平衡器和变频数控柜组成 (见图2) 。
a) 当来自水源处的水压能满足用水需求时, 即水泵出口水压大于或等于设定压力时, 离心泵电机通过变频器降低转速, 使用水点处的水压保持在正常的工作范围内。
b) 当水泵出口水压不能满足用水要求时, 电接点压力表向控制柜发出信号, 变频软起动水泵机组加压供水, 直至实际供水压力等于设定压力时, 通过控制柜控制水泵电机以恒定转速运行。
c) 在用水低谷期间, 水泵出口水压升高, 当高于设定压力值时, 远传压力表发出信号给控制柜, 使变频器频率降低, 水泵机组转速降低, 使水冲洗系统实际压力值等于设定压力值。
3.2 工作特点
a) 节电节水。无负压供水设备与水源串接, 在水源处压力的基础上叠加不够部分的压力, 能充分利用水源处的余压, 避免能源的浪费。
b) 减少占地, 自动化程度高, 安装、使用、检修方便。
3.3 实际应用
将无负压供水设备应用在电厂运煤系统中, 可以解决费县电厂水力清扫系统中出现的问题。
a) 当系统清水泵出口水量压力不够时, 水泵电机通过变频器提高转速, 使出口水压达到设定值, 满足清水系统压力要求。
b) 当水力清扫系统中所需水量很小 (如, 只开启带式输送机喷雾抑尘装置) 时, 压力表传出信号至控制柜, 控制变频器降低频率, 使水泵电机降低转速, 用水处水压达到设定值, 即使喷雾抑尘装置的喷头在正常的压力范围内工作, 也不会使水泵电机烧坏。
4 结语
与传统的运煤水力清扫清水系统方案相比, 无负压供水方式有以下优势。
a) 占地面积小, 安装简单。传统方案如果采取加装缓冲水罐的方式, 占地面积较大, 布置较为困难。采用无负压供水方案, 无需加装缓冲罐, 减少占地面积, 安装方便、简单, 同时也提高了整个系统的自动化程度。
b) 系统运行稳定, 便于管理。传统方案的清水系统运行不稳定, 水泵启停频繁, 经常烧坏电机。采用无负压供水方案, 可通过调整变频器的频率来控制水泵电机转速, 使清水系统的压力值等于设定值, 系统运行更稳定, 减小启动电流对系统的冲击。无负压供水设备为数字控制全自动运行, 停电、停水时自动停机, 来电、来水时自动开机, 便于管理。
c) 改善清水系统各设备的使用条件, 节省运行费用。传统方案中, 由于离心泵出口处水压是一定的, 当清水系统需水量大时, 水压不足。当清水系统需水量较小时, 水压过高, 各设备长期在非正常水压下工作, 这对设备的危害较大, 缩短了设备使用的寿命。采用先负压供水方案, 可以调节水泵的出口水压。根据系统各设备的出口流量进行设定, 运行中使出口水压达到设定值, 无论系统需水量大还是小, 都可以使设备在其正常的压力范围内工作, 这就可以改善设备的使用条件, 延长其使用寿命, 节省运行费用。
综上, 无负压供水技术具有运行稳定和改善清水系统设备运行条件等优点, 在电厂水冲洗系统中有推广的价值。
摘要：运煤系统建筑设施是影响火力发电厂卫生、环保状况及水资源利用的关键点之一, 而运煤系统的建筑设施清扫最经济简单的做法是水力冲洗。配置一套合理实用的水力冲洗系统和可靠的冲洗水源, 是运煤系统正常运行的保障。
建筑供暖系统的水力平衡与节能 篇7
随着科技进步和人民生活水平的提高, 城镇住宅建设得到了飞速发展, 建筑供热能耗日益增加, 降低住宅建筑供暖能耗成为值得重视的问题。供暖节能包括系统组成、系统设计、运行管理、用户使用等各个环节, 其中供暖系统的水力不平衡是造成供暖系统能量浪费的主要原因之一, 因此实现供暖系统的水力平衡是实现冬季建筑供暖系统节能的必要条件。
2. 供暖系统能耗的产生及解决
由于供暖系统施工、管道材料等各种原因, 各支路管道的比摩阻与设计比摩阻不同, 因此各支路的实际流量与设计流量不相同, 导致供暖系统的水力失调。当室外温度发生变化, 或者室内冷热负荷发生变化时, 从供暖系统节能运行的角度, 应调节供暖系统的流量或供水温度, 这时会引起供暖系统中管路运行工况或某一支路管路流量的变化, 造成供暖系统水流量的重新分配, 带来水力失调。因此从设计施工角度和运行调节的调度分析, 供暖系统中水力失调的产生是不可避免的。
为了使建筑物最不利管路末端的室内温度达到要求, 可以采取的解决办法是:加大供暖系统总循环水流量, 这样可以使末端的室内温度达到要求;如果不改变供暖系统总循环水流量, 可以采用提高供水温度的方法, 使建筑物室内温度达到要求。不论是增加供暖系统总循环流量, 还是提高供水温度;对于建筑物来说, 都会使距离热源近的室内供热量超过需要的热量, 导致室内温度偏高, 采用增加系统循环水流量或提高供水温度, 实际上都是使供应的
总热量超过需要的总热量, 造成能量的浪费。
表1是某供暖系统的设计与实际工况的比较。表2是该系统经过调整后的设计与实际工况的比较。
从表1可以看出, 供暖系统设计流量80 m3/h, 实测流量为86 m3/h, 超过设计流量7.5%。用户1和用户2的流量大于设计流量, 室内温度达到设计要求;而用户3和用户4的流量没有达到20m3/h, 室内温度低于16℃。表2列出了两种调整后的系统测试情况, 可以看出, 两种调节工况的结果都使各个用户的室内温度达到要求, 但是供暖系统的总流量是不同的。由于供暖系统的运行电耗与流量成正比关系, 因此流量的增加意味着运行能耗的增加。从表2看出调整工况1的系统运行能耗增加34.4%, 而调整工况2的系统运行能耗与设计相同。调整工况2与调整工况1的差别在于实际流量与设计流量一致, 调整工况1中用户1与用户2的流量与设计流量偏差较大。
在供暖系统中各用户的实际流量与设计要求流量之间的不一致性称为该用户的水力失调。水力失调的程度可以用水力失调度来衡量。水力失调度用符号表示, 它指的是实际流量与设计流量的比值, 用公式表示如下:
式中, QS为用户的实际流量;QJ为用户的设计流量。
水力平衡是指系统管网中各个用户在其它用户流量改变时保持本身流量不变的能力, 通常用户的水力稳定性系数来表示, 水力稳定性系数用符号表示。
式中, Qmax用户出现的最大流量。
根据式 (1) , 计算了该供暖系统两种调整工况、以及调整之前用户和系统的水力失调度, 计算结果见表3。水力失调度越大, 供暖系统的能耗就越大, 建筑供暖系统的热媒是由闭式管路系统输入到各用户, 对于一个设计正确, 按要求理想运行的管网系统, 各用户应该均能获得设计水量, 才能既满足热负荷的需求, 又不会造成能量浪费。因此冬季供暖系统运行时, 在保证室温要求的前提下, 应尽可能降低系统的水力失调度, 才能达到节能的效果。
3. 供暖系统的水力平衡元件
要实现供暖系统的水力平衡, 在供暖系统中应设置有必要的水力平衡元件。目前常用的水力平衡元件有流量平衡阀, 流量平衡阀有静态流量平衡阀和动态流量平衡阀之分, 它们在特性和使用功能上是有所差别的, 在实际应用中应根据使用需要进行正确选择。
3.1 静态流量平衡阀
静态流量平衡阀的外观如图1所示。平衡阀的工作原理是通过调节阀芯与阀座的间隙, 改变流体流经阀门的阻力, 达到调节流量的目的, 平衡阀相当于一个局部阻力可以调节的节流元件, 对于不可压缩流体,
其中, Q表示流过平衡阀的流量 (m3/h) , Kv表示阀门的阻力系数;ΔP表示阀门前后的压力差 (kgf/cm2) 。
阀门的阻力系数Kv的含义是当平衡阀前后的压力差为1bar时, 流经阀门的流量 (m3/h) 。如果阀门的开度不变, 则阀门的阻力系数不变。通常阀门在不同开度下的阻力系数是已知的, 因此通过测量阀门两端的压力差就可以按照公式 (3) 计算出通过阀门的流量, 平衡阀可以作为定量调节流量的节流元件。
静态流量平衡阀的特点是可以使建筑物内各环路之间达到水力平衡, 保证各个支路所需的热量, 使建筑物供暖系统按照设计总流量运行就可以满足各建筑物, 以及最不利点建筑物内房间的室温要求, 不需要使供暖系统加大流量运行。
图2为DN65某型号静态流量平衡阀流量和压差关系曲线。可以看到这种平衡阀有很好的流量调节特性, 随着阀门开度不同, 管段的流量与管段压力降成线性关系变化。
静态流量平衡阀可安装在回水管路上, 也可安装在供水管路上。一般可以安装在水温较低的回水管路上。由于水温比较低, 平衡阀的工作环境比较好, 可以延长部件的使用寿命, 同时也可以方便调节。采用静态流量平衡阀进行流量调节时, 需要测量调节阀前后的压力, 为了保证测量和调节的相对准确, 应尽可能将平衡阀安装在直管段处。当供暖系统完成水力平衡调节后, 供暖系统在运行过程中, 不应随意变动静态流量平衡阀的开度。
3.2 动态流量平衡阀
动态流量平衡阀的作用是在阀的进出口压差变化的情况下, 维持通过阀门的流量恒定, 维持管路的流量恒定。管网中应用动态流量平衡阀, 可直接根据设计来设定流量, 阀门可在水压作用下, 自动消除管线的剩余压头及压力波动所引起的流量偏差。
动态流量平衡阀如图3所示。动态流量平衡阀从流体力学的角度看, 相当于一个局部阻力可以改变的节流件, 它的工作原理是通过改变阀芯的过流面积, 适应阀门前后的压差变化, 而控制流量。动态流量平衡阀可以按照需求设定流量, 并将通过阀门的流量保持恒定。动态流量平衡阀的作用是起到限制最大流量的作用。动态流量平衡阀是由一个手动调节阀组和一个自动平衡阀组组成。调节阀组的作用是设定流量, 自动平衡阀组作用是维持流量恒定。系统流体的工作压力为P1, 手动调节阀的前后压力分别为P2、P3。当手动调节阀调到某一位置时, 即设定了手动调节阀的流量系数Kv, 通过动态流量平衡阀的流量为:
图4为动态流量平衡阀的特性曲线, 只要P2-P3不变, 则通过阀门管路的流量G不变。当系统流量增大时, (P2—P3) 的实际值超过了允许的给定值, 此时通过感压膜和弹簧作用使自动调节阀组自动关小, 直至流量重新维持到设定流量。从图4可以看出, 动态流量平衡阀维持流量恒定的有效范围是由阀门的工作弹簧性能决定的。一般动态流量平衡阀前后压差在20~300kPa的范围内能按设定值有效控制流量。当压差小于20kPa时, 流量会随着压差变化而变化, 起不到恒定流量的作用。压差超过300kPa时, 流量也会发生改变。
3.3 流量平衡阀的作用
静态流量平衡阀不能自动地随系统工况变化而改变阀门阻力系数;动态流量平衡阀则可以根据系统工况变化而改变阻力系数。静态流量平衡阀的作用效果是平衡供暖系统中各支管线的阻力, 达到各个环路的阻力平衡;动态流量平衡阀的作用是能够锁定流经阀门的水量。
如果系统在设计工况下, 各环路的阻力达到了平衡, 当系统实际运行时需要的供热量小于设计要求时, 系统的循环水量变小, 如果使用静态流量平衡阀, 系统中各环路的流量按照设计计算等比例地进行调节, 各支路流量同时按比例减小, 各支路仍然处于水力平衡状态。如果使用动态流量平衡阀, 尽管系统根据负荷的变换, 调整了循环水流量, 但是安装动态流量平衡阀的环路流量基本上保持不变。系统运行的效果是有利环路的流量得到了需要的流量, 不利环路的动态流量平衡阀全开, 但是流量仍然达不到需求, 因此出现了供热系统的水力失调现象。
由此可见, 静态流量平衡阀与动态平衡阀的工作特性不同, 当供热系统在实际工况下运行时, 动态流量平衡阀与静态平衡阀不能相互替代。
4. 供暖系统的水力调节
供暖系统在不同的工况下, 都需要进行相应的水力调节。根据供暖系统的不同特点, 可以从以下几方面进行分析:
4.1 定流量系统调节与变流量系统调节
根据供暖系统的水力学流动特性, 系统可以分为定流量系统和变流量系统。定流量系统通常是指使用三通阀控制进入末端设备的热水水量的水力系统。当供热负荷下降时, 阀门将会旁通部分流量。因此, 整个系统的总流量保持恒定。变流量系统通常是指使用两通阀控制进入末端设备的热水水量的水力系统, 根据供暖的实际需要变化流量。如图5和图6所示, 都是定流量系统, 图5中采用的是静态流量平衡阀方案, 图6采用的是动态流量平衡阀方案, 需要注意的是:当安装动态流量平衡阀时, 不必每一级管路都进行安装, 而且系统的运行需要在一定的压差范围内, 当超过这个压差范围, 将不能起到好的调节效果。
4.2 静态水力失调调节与动态水力失调调节
供暖系统的水力调节是对系统的水力失调现象进行的工况调节。供暖系统的水力失调分为静态水力失调和动态水力失调。
静态水力失调指的是由于设计、施工等原因导致的系统管道特性阻力数与设计的管道特性阻力数不一致, 使系统各用户的实际流量与设计流量不一致, 所引起系统的水力失调。静态水力失调是系统本身所固有的。通过在管道系统中安装静态流量平衡阀, 调整系统管道特性阻力数, 使其与设计要求的管道特性阻力数一致, 此时当系统总流量达到设计流量时, 各末端设备流量均同时达到设计流量, 系统实现静态水力平衡。当用户阀门开度变化引起水流量改变时, 其它用户的流量也随之发生改变, 偏离设计要求流量, 从而导致的水力失调, 叫做动态水力失调。动态水力失调不是系统本身所固有的, 是在系统运行过程中产生的。通过在管道系统中安装动态流量调节阀, 当其它用户阀门开度发生变化时, 通过动态流量平衡阀的作用, 使通过该用户自身的流量保持不变, 末端设备流量不互相干扰。
如图7所示, 是在末端安装静态流量平衡阀的情况。旁通回路上加装平衡阀, 通过调节使得旁通管路的总阻力系数等于末端设备的总阻力系数。这样, 无论水通过末端设备还是旁通回路, 水量都不会变化;应用这种方法系统阻力不增加。
如图8所示, 是在末端安装动态流量平衡阀的情况。在分支处安装动态流量平衡阀, 当水流过末端设备管路时, 动态流量平衡阀开大, 流量为设定值;当水流经旁通回路时, 动态流量平衡阀自动关小, 流量保持为设定值;应用这种方法会造成系统阻力增加。
4.3 末端被动变化调节与末端主动变化调节
根据负荷需求的变化, 应调整整个供暖系统的流量。例如当室外温度升高时, 减小供暖系统的流量, 这时, 通过各个用户的流量也相应的减少, 末端流量的这种变化属于被动变化。通过安装静态流量调节阀可以使通过各支路的流量发生相应的变化。
在散热器上安装恒温阀, 是通过改变进入散热器的水流量来调节末端设备的供热量。散热器水流量的改变是用户根据使用需要进行的调整, 系统末端水流量的变化属于主动变化。由于末端设备流量的改变, 会使系统中需要的总流量减小;如果系统的总流量恒定, 那么各支路的流量会出现重新分配。为了保持单台设备在高效率流量下运行, 就需要控制通过这些设备的流量;从系统末端来看, 为了避免动态调节的相互影响, 需要在末端安装动态流量平衡阀。
5. 结束语
随着人民生活水平的提高和城市建筑的发展, 建筑能耗成为值得重视的问题。降低冬季供暖系统的能耗是建筑节能的重要方面。
本文对供暖系统导致能耗增加的原因进行了分析, 并说明降低水力失调度能有效减少供暖系统的能耗。
应在供暖系统中安装必要的部件, 实现供暖系统的水力平衡。本文对水力平衡元件——静态流量平衡阀与动态流量平衡阀的原理、特性, 以及各自的作用进行了分析。对供暖系统不同类型的水力调节特点进行了说明。
参考文献
[1]于晓明.对平衡阀功能与技术特点及其应用等问题的探讨. 暖通空调[增刊], 2007, (37) :271～275.
[2]陆耀庆.实用供热空调设计手册.中国建筑工业出版社, 1993.