能量流系统论文
能量流系统论文（精选4篇）
能量流系统论文 第1篇
关键词：能量,能量流系统,事故致因理论,事故预防,概念模型
0 引言
能量是物理学中刻画做功和表述物质状态的一个物理量,在事故致因理论中同样占有重要地位。在正常生产过程中,能量因受到种种限制而按照人们规定的流通渠道流通。如果由于某种原因导致能量失去控制,超越人们设置的约束而意外释放,可导致事故发生。因此,研究与探讨能量在事故中的聚集、转换等致灾机理和规律对事故预防与控制至关重要。
在能量致灾方面,国外学者Gibson、Havven、Mc Farlanv、LEVESON等[1,2,3,4,5]从能量的角度对事故致因进行了相关研究,提出能量意外释放论等事故致因模型;国内学者陈宝智等[6]从系统安全的观点出发提出的两类危险源理论;此外,文献[7-9]基于能量储备与释放理论对货车事故、地铁火灾防治、公路线形安全性评价等进行研究。上述理论虽然在事故预防和控制中已经得到一定实证,但是这些理论没有对系统中能量的“流”的特征进行深入分析。文献[10,11]虽然分析了大系统中能量流的基本特征,但并非针对事故预防预控展开深入研究;文献[12]基于能量意外转移理论,对各种直接危险源的能量特征进行分析,缺乏考虑能量流性质。换言之,从能量流的视角进行事故致因基础理论研究还很欠缺。概念模型以形式化的方法揭示研究对象的主要概念、定义以及它们之间的逻辑关系,是对研究对象和内容的第一次抽象与假设,它将零散的、非结构化的知识转换为系统的、结构化的与可读性强的基础理论知识。
鉴于此,本文深入分析事故能量流的聚集和转化过程,构建基于能量流系统的事故致因概念模型,构建基于事故能量流系统的事故预防模式,以期为事故的预防、控制和消除提供理论依据,丰富事故致因理论体系,并为后续深入研究奠定良好的知识表达基础。
1 能量流系统及其事故致因模型构建
1.1 能量流系统
能量是物质本质属性的体现,是一切物质运动与转换的源动力。无论物质是简单的物理性移动(如高处坠落、物体打击、机械伤害、车辆伤害等),还是发生物理化学变化(如燃烧、化学爆炸等),其流动过程都伴随着各种能量之间的转换和利用,进而形成能量流。
文献[13,14]中提及“能量系统”概念,认为能量系统各组分之间的相互联系和相互作用是通过能量流通和转换实现的。根据能量系统、能量流相关理论与实践[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12],可知能量流系统是指通过避灾系统预防、减少和消除致灾系统异常能量释放对承灾系统造成的损害所形成的,以能量作为状态衡量标准的系统。
能量流系统内涵解析:(1)其研究目的是减少能量异常释放所造成的损失,把能量从造成伤害的原因转换为避免和减少灾害损失的手段;(2)能量在致灾物、避灾物、承灾物之间以及人和环境之间的相互转换规律是事故能量系统作为独立系统类型的划分依据,并且能量流是表征事故能量系统行为的基本方式;(3)在一定条件下,致灾物能量、避灾物能量和承灾物能量可以相互转换,这也是事故演变复杂性的本质原因之一;(4)能量流系统是安全系统的子系统,具有很强的层次结构和功能结构,是一个具有动态性、开放性的复杂系统。
1.2 基于能量流系统的事故致因模型构建
能量不能消灭,也不能创生,只能由一种形式转变为另一种形式。在结构与形式复杂的生产活动中,存在着各种形式的能量贮存与转化。事故能量系统的错综复杂性表现为能量在致灾物、承灾物和避灾物之间以及这三种物质与人、环境之间的异常流动、转化和重新分配,可以用能量流向图来揭示其复杂性本质(如图1所示)。
从能量流入手探析事故的发生、发展机理,通过分析能量流系统各因素之间能量的转换及流动过程[15],建立四种能量流致灾模式(如图1虚线框所示),包括能量串发型、能量发散型、能量集中型、能量混合型,解析如表1所示。
2 能量流转换及致灾过程的数学描述
2.1 能量转换过程的数学描述
事故形成过程表明事故的延续性演变过程总是以一定的物质、能量、信息予以表征[14]。其中能量聚集转化是事故产生与形成破坏作用的源泉,可通过物质介质载体演绎来实现能量的转化。因为事故载体演绎状态时空的变化总是要涉及能量的转化。因此,可以通过事故动态关系的时空变化来度量能量的演变,并成为能量度量的主要途径。
能量的转化过程包括聚集、耦合、释放、转化等,各个致灾物的能量状态是时间和空间位置的函数,致灾系统是由n个这样的能量状态变量描述的复杂系统。致灾系统能量瞬时状态为一个点,能量状态变化为一条轨迹。但是对于这样的复杂系统,通常不知道系统中每个独立变量的情况,根据物理学中用相空间表示某一系统所处的空间状态这一原理,基于文献[15]提出的灾害系统能量状态方程,假设任意致灾系统的能量状态是时间参数(t)和空间位置参数(h)的函数S(t,h),致灾系统中相互关联的第n个致灾物的能量状态是时间参数和空间参数的函数sn(t,h),则S(t,h)可用状态向量表示为[15,16]:
由于事故演化具有连续性,在t时刻致灾系统外部输入能量以及致灾系统内部各相关致灾物之间进行能量的交换,使得致灾系统能量状态函数S(t,h)发生变化,建立描述状态函数的微分方程,即状态方程:
式中:SR(t,h)为致灾系统能量状态;SE(t,h)为外部环境输入能量;SZ(t,h)为致灾系统本身积蓄的能量。
设致灾系统向外部环境输出的能量为SRO(t,h),则有:
输出的能量SRO(t,h)是在物质、能量和信息的交换之后反作用于外部环境和承灾系统的能量。对(3)求导得出致灾系统向外部环境输出能量释放速率VO(t,h):
式中,SRO(t,h)和VO(t,h)的大小将影响事故后果严重程度、波及范围等,即SRO(t,h)和VO(t,h)越大,事故发生时意外释放的能量或危险物质的影响范围远大,可能遭受伤害作用的人或物越多,事故造成的损失越大。
2.2 能量致灾机理数学描述
1)意外释放能量的防控效果度量
致灾系统向外部环境输出的能量SRO(t,h),经过避灾系统的“能量屏蔽-工程控制-个体防护”措施及应急救援措施的有效控制以后,作用于承灾系统产生破坏作用。假设实际作用于承灾物的能量为E(可致害能量),根据能量守恒定律,可得:
式中:Ek为能量源屏蔽控制措施对能量的屏蔽效能;Ep为所采取的工程控制措施对能量的削减作用;Eg为采取的个体防护措施的防护效用;Er为应急救援的减灾效果。
2)破坏强度和伤害程度度量
能量对承灾物的破坏作用的大小,可用破坏能力AE来衡量。意外释放的能量经过传输、消减以后,只有作用于承灾物(人、设备设施、环境等)并超过承灾物的最大抗损害能力或承灾物所能承受的做大最大致害能力时,才会造成人员伤亡、设备破坏和财产损失。假设承灾物的抗损能力为e(如人体的抵抗能力,设备设施的刚度、强度、可靠度,环境的自净能力等),则只有当:
才能对承灾物产生损害作用。
由式(6)可知,实际的承灾物是在能量破坏作用的时空范围内,那些抗损能力小于可致害能量的物体,这是广义灾害事故能够发生的充分必要条件,即光有致灾物与可能受害的承灾物是不够的,还必须有e<E。
事故发生时,承灾物所受破坏程度取决于致灾能量的大小、能量的集中程度、承灾物接触能量的部位、能量作用的时间等。因此,若承灾物受到伤害或损坏的严重程度用I度量,则有:
式中:K1为能量作用于承灾物的集中程度系数;K2为能量作用时间系数;K3为承灾物接触能量的部位的抗灾系数。
由式(6)和式(7)可推出:
由式(8)可看出,减少承灾物遭受的损失、减少事故造成的损失是一项系统工程(减小SRO(t,1)、K1|K2,增大),在一定的经济、技术条件下,只有综合考量才能做出最优的决策方案。
3 基于能量流系统的事故预防概念模型构建
综合所构建的事故致因模型和能量转换过程及致灾过程的数学描述,构建基于能量流系统的事故预防概念模型,如图2所示。并提炼防止或减少承灾物受损严重程度(I)的措施:
1)减少致灾系统潜在能量S(t,v):(1)采用本质安全化物质,如选用安全能源代替危险性较大的能源质、使用低毒物质取代高毒物质等;(2)限制潜在能量,防止潜在能量聚集,如利用安全电压设备、控制旋转装置转速、控制爆炸性气体浓度等。
2)减少致灾系统向外部环境意外输出的能量SRO(t,v):(1)防止能量蓄积,如通过良好接地消除静电蓄积;(2)控制能量释放,采用可靠性强的设备设施,如耐压气瓶、盛装辐射性物质的专用容器等;(2)设置能量过载自动报警、连锁控制装置,如超压报警器、超温报警器、超速报警器等。
3)降低致灾系统向外部环境输出能量的释放速率V0(t,v):(1)可采用延缓和限制能量释放装置,开辟能量意外释放新通道,如安全良好接地、采用减震装置吸收冲击能量,使用安全阀、溢出阀、密闭门、防水闸、泄爆口等。
4)采取意外释放能量的屏蔽措施,切断能量传播路径,提高屏蔽效能Ek,如机械运动部件加装防护罩、电器的绝缘层、消声器等;在致灾物与承灾物之间采取工程控制措施提高对能量的削减作用,即提高Ep,如采用安全围栏、防火门、防爆墙等;对承灾物采取防护措施,提高个体防护效能Eg,如安全帽、手套、防尘口罩、防噪耳塞等;做好能量意外释放事故的最后一道防线,采取正确的应急救援措施,使用正确的应急物质等,如根据不同的火灾类型选用不同的消防器材;降低能量作用集中程度系数K1、作用时间系数K2,增大抗灾系数K3。
4 结论
1)根据能量系统与能量流相关理论,提出能量流系统定义,并从研究目的、转换关系、特征等方面解析其内涵;论述事故能量流系统中致灾物、承灾物和避灾物之间以及这三种物质与人、环境之间的能量流向;通过分析能量流系统能量的转换及流动过程,构建基于能量流系统的事故致因概念模型,并阐释能量串发、能量发散、能量集中与能量混合四种致灾模式。
2)建立任意致灾系统的能量状态方程S(t,v)、致灾系统能量耦合状态函数SR(t,v)、致灾系统向外部环境输出的能量SRO(t,v)、致灾系统向外部环境输出能量释放速率VO(t,v)的数学度量方式。构建意外释放能量的防控效果(E)、破坏能量强度(AE)和伤害程度(I)的数学模型。上述数学模型的构建可从能量流系统的视角为事故致因理论的半定性半定量或定量分析提供和奠定理论参考。
陶瓷企业能量流模型及分析方法研究 第2篇
我国陶瓷企业是技术密集、投资密集、高能耗、高污染、低效率的能源消耗大户, 其中燃料、电力等能源成本占整个陶瓷生产成本的23%～40%, 导致产品的单位综合能耗水平与国外相比存在相当大的差距。发达国家陶瓷企业的能源利用率一般高达50%以上, 美国达57%, 而我国仅为28%～30%, 总体上存在产品档次低、能耗高、资源消耗大、综合利用率低、生产效率低等问题[1,2]。目前陶瓷企业使用的燃料 (包括重油、水煤气、柴油、电能等) 都对环境有不同程度的污染, 此外, 在生产过程中还产生了大量的废水、废气、固体废弃物等, 对大气环境、河流及土壤造成较大的污染, 已成为环境保护部门重点治理的对象[3]。为此, 建立适合陶瓷企业的能量流模型, 并对其进行分析, 具有迫切性和重要性。
目前, 国内外对企业能量模型已进行了一定的研究。文献[4]对能源模型的研究现状进行了综述;文献[5]对分布式能源规划模型的研究现状进行了综述;文献[6]通过对意大利一家瓷砖制造企业的生产工艺进行投入产出分析, 建立了企业投入产出模型;文献[7]提出了钢铁生产流程基准物流图的概念;文献[8]指出, 余热回收利用环节所在工序产品能耗的改变量是评价热工装备完善性和过程系统用能合理性的统一判据;文献[9]从能量变化的角度分析过程系统;文献[10]介绍了过程系统能量流结构模型, 定量地描述了过程系统能量流在转换、利用、回收过程中的平衡关系;文献[11]针对离散制造业能源消耗分散、产品能耗统计困难的问题, 建立了能源需求模型、能源采购模型、能源存储模型等。
上述文献从不同视角分析了企业的能耗状况并建立了相关模型, 但并未对企业能耗进行从整体到局部的分析, 因此无法较好地实现企业的节能工作。本文建立了一种适合于陶瓷企业的能量结构模型, 并根据陶瓷企业能源消耗分散等特点建立了典型陶瓷企业能源从需求到分布的流向图。通过对陶瓷企业能量流模型的分析与研究, 有利于改造陶瓷企业等传统流程性行业, 以提高企业社会经济效益, 改善环境质量, 进而达到降低其单位综合能耗的目的。
1 陶瓷企业能量流模型
1.1 能量流模型
根据能量在过程系统中的变化规律, 结合传统陶瓷制造工艺流程[12,13,14]以及陶瓷企业的生产实际情况, 提出了反映陶瓷企业的能量流模型, 如图1所示。该模型通过将进入过程系统中的能量转换成工艺过程所需的能量来推动此目的工艺过程, 在推动过程中, 除进入产品物流中的能量之外, 其余能量通过各回收设备 (如换热器) 回收利用, 或以其他形式排入环境。
1.2 陶瓷企业能量系统“三环节”模型分析
根据图1所示的陶瓷企业能量系统“三环节”物理结构模型, 分别给出陶瓷企业能量系统各环节能量效率。
1.2.1 能量转换与传输环节
陶瓷企业消耗的能源主要是煤、液化石油、重油、水煤气、电等, 主要用于生产设备 (窑炉、雷蒙机、搅拌机、喷雾塔、压滤机、真空练泥机、旋坯机等) 、全厂空调、照明设备等。此环节是将这些一次或二次能源及含能工质通过转换或传输环节传送到工艺系统中。如煤气发生站将原煤转换为煤气供窑炉使用, 重油用于喷雾塔和窑炉, 电能通过配电站输送到各车间层等。其能量转换效率可用下式表示:
式中, ηU为转换环节的能量转换效率;EP为进入转换环节的能源总量, J;EW为转换环节直接损失的能量, J; EU为从转换环节送入利用环节的有效能, J; ED为从转换环节送入回收环节的驱动能, J;EB为从转换环节送入系统外的能量, J。
由此可见, 陶瓷企业能量转换与传输环节消耗的能量在整个过程系统消耗的能量中占有一定的比例, 提高此环节的能量利用水平即可间接增加供入能量利用环节的工艺总用能, 因此转换效率ηU的大小影响系统的能耗。
1.2.2 能量利用环节
能量利用环节 (主要生产系统, 辅助生产系统, 附属生产系统) 是陶瓷企业的核心环节, 主要由原料处理、搅拌、脱水、成形、修坯、烧成等工艺单元组成。工艺过程的总用能EN (EN=EU+ER=ET+EO) 和工艺总能耗 (用于工艺系统中各操作单元的能量消耗) ET的大小反映了能量利用环节的用能水平。此环节能源效率可用下式表示:
ηT=1-ET/EN (2)
式中, ηT为能量利用环节的能量使用效率。
此环节用能水平的高低是陶瓷企业节能的关键, 提高利用环节的能量使用效率既可降低产品的生产成本, 又可提高企业的市场竞争力。因此, 要从技术、工艺与管理三方面入手, 提出降低能耗的策略。
1.2.3 能量回收环节
能量回收环节要尽可能多地回收循环能ER和输出能EE, 能量回收率ηR可用下式表示:
式中, ER为回收环节回收的循环能量, J;EE为回收环节的回收输出能, J;EO为进入回收环节的待回收能量, J。
能量的回收利用越来越受到陶瓷企业的重视, 特别是余热的回收方面, 由于窑炉所产生的烟气带走的热量占相当大的比重, 因此加强此环节的技术节能, 降低排烟热的损失是窑炉节能的主要途径。
由式 (1) ～式 (3) 和图1所示的陶瓷企业能量系统“三环节”物理结构模型可以看出, 能量利用环节是决定整个陶瓷企业能耗大小的关键环节。从系统工程的角度看, 各环节需要综合考虑, 首先优化能量利用环节, 再根据此环节优化其他两个环节, 通过几轮迭代优化能够使系统全局趋优。
2 能量流分析
“三环节”能量结构模型是从系统角度出发, 综合考虑能量的转换与传输、能量的利用、能量的回收而得出的模型, 而要真正实现上述模型的运用还必须了解陶瓷企业能源需求、采购、使用、分配等过程, 这是加强能源管理、提高能量利用水平、降低能源消耗的基础工作。然后根据企业能源的来龙去脉, 综合测试数据和统计数据, 计算出企业及企业内各单位、各设备能耗, 以反映出陶瓷企业的能量水平, 再制定出节能整改措施, 挖掘节能潜力。
2.1 能量需求分布流向图
根据客户的产品定制, 企业根据经营目标制定主生产计划, 围绕能源转化制定能源需求计划, 确定能源的采购情况, 然后将采购的能量分配于各车间的整个过程。结合IDEF1X (ICAM DEFinition method) 建模思想[15], 可得到一般陶瓷企业能源从需求到分布的流向图, 见图2。由于动力转换车间及生产部门中能源消耗占98%以上, 而非工业生产部门耗能很少, 故节能主要集中在动力车间、原料车间及烧制车间, 文献[16]给出了这三个车间的主要耗能种类及各能源的耗能量, 如表1所示。
以此为基础, 陶瓷企业可计算出企业综合能耗以及可比能耗, 根据这些技术指标, 可全面衡量企业的能源利用水平和管理水平, 并为制定节能技术措施提供科学依据。因此, 可以“三环节”物理结构模型及陶瓷企业能源需求分布流向图为基础, 对陶瓷企业的能耗状况进行分析研究, 提出改进措施, 以实现企业能源利用的优化。
吨标煤
2.2 设备能效分析
由上所述, 陶瓷企业的能源消耗主要集中在生产设备加工过程和烧成过程。烧成过程的能耗主要体现于窑炉的能耗, 其能耗在相关文献已有说明, 本文主要讨论生产设备的能耗状况。来自机械加工系统外部的能量 (一般为电能) 经过电磁耦合转化为机械能, 一部分用以维持系统中的各种运动, 另一部分主要表现为电动机运行过程中的能量损耗、机械设备运动件摩擦损耗、振动、噪声等。由此可见, 提高陶瓷企业生产设备能量利用率有利于机械加工系统的节能, 提高企业的经济效益。文献[17]给出了机械加工设备的能量平衡方程式, 基于该稳态能量平衡方程式得出了单设备的能量利用率, 并分析了其耗能情况, 提出了相应的节能措施。其中载荷系数αi对不同的机械加工设备是不同的, 而且对同一台设备的不同转速挡, 系数αi也是不同的, 但当设备处于比较平衡的状态时, αi在一定程度上近似为一个常数。机械设备的输入功率和空载功率可由功率表测出。αi可根据各设备的具体情况取值。由于陶瓷生产过程的能量效率是一个变量, 因此为了用一个参数描述整个加工过程的能量利用状况, 引入了加工过程能量利用率U的概念。单台设备能量利用率为
式中,
根据线性叠加原理, 得整个车间生产设备的能量利用率为
3 节能措施
根据上述讨论, 转换环节在整个过程系统中消耗的能量占有一定的比例, 原料加工车间和烧制车间是陶瓷企业主要耗能部门, 以技术节能和管理节能为分析手段, 分别对这三个环节进行论述, 提出改进型的节能措施, 为全面衡量企业的能源利用水平和管理水平提供参考。
3.1 能源转换与传输环节的节能
在能源转换与传输环节, 由于动力车间的主要耗能资源为煤, 因此, 选用均匀性好、机械强度较高、黏结指数合理、加入有催化作用的碱金属和碱土金属的煤有利于提高气化和利用率。煤气发生炉选择的好坏对提高煤的质量、降低能源消耗、减少污物排放、增加产品的市场竞争力有重要影响, 如企业可选用两段式发生炉。在配电站车间, 可采用节能低耗、符合环保要求的配电网;推广使用低损耗的变压器。此外, 提高员工的节能意识, 完善相关配套机制, 加强设备维修调试、维修保养对此环节的节能也有积极作用。
3.2 利用环节的节能
在利用环节中, 各耗能设备的用能工况直接反映出企业的用能水平。如前所述, 电能在原料车间占有一定的比例, 因此, 本节主要从电机系统节能、缩短机动时间和辅助时间等方面分别进行论述。
3.2.1 电机系统节能
电机的选取应先根据理论或经验公式计算出各设备的需求功率, 然后选出适合该功率的电动机。否则, 电机会因功率选择过大或过小而出现“大马拉小车”浪费电能或电机因过载而发热甚至出现故障的情况。由于变频调速技术可使电机与负载相匹配, 有效降低电机能耗, 而且可提高设备自动化水平和延长设备寿命, 故设备在启动阶段, 可采用变频器控制系统启动, 降低启动电流;而在非工作阶段, 也可利用控制系统调节电机转速, 达到节能效果。
3.2.2 缩短机动时间和辅助时间
设备在机动时间内的电能消耗由三部分组成, 即设备及电动机的空载损耗、负载损耗和用于有效工作的消耗。可通过改变产品的加工工艺过程、提高设备的主轴转速等措施来缩短设备的机动时间。在辅助时间内, 可通过优化缩短设备的空载工作时间来节约电能。
3.3 回收环节的节能
回收环节的节能措施主要有窑炉生产优化及余热回收利用。特别是余热回收方面, 由于窑炉所产生的烟气带走的热量点其总热量的45%左右, 因此降低排烟热量的损失是窑炉节能的主要途径。例如可采用如下措施:利用烟气余热发电;外排烟气引至喷雾干燥塔作为助燃风使用;通过换热器将烟气余热回用于干燥、烘干制品和生产的其他环节。这样既减少了能源的消耗, 又提高了余热的利用率。
3.4 管理节能
前面主要从技术节能方面进行论述, 在企业中还需加强管理节能, 以达到间接或直接的节能效果。
陶瓷企业的节能是一项复杂的工作, 企业消耗能源种类繁多, 能源的生产和利用包括多个环节, 而且企业节能是一项多目标多约束的任务, 涉及经济、环境和社会等各方面的因素, 所以为了有效地实现节能的目标, 需要进行节能管理, 包括企业能量平衡、能源计量、能源统计、能耗定额管理、能源规划、节能评估, 以及完善相关配套机制、加强设备维修调试、维修保养等。节能管理的各项职能工作之间存在有机的联系, 只有把各项管理工作全面加强才能取得良好的综合效果。此外, 节能管理问题涉及企业的各个领域, 必须和企业所属的各部门、企业的发展速度、政府的价格政策、环境保护、生态平衡等联系在一起, 综合地加以考虑, 从系统角度对能源消耗进行合理分析及优化。因此, 建立陶瓷企业的能量结构模型和流向图是详细了解企业目前的能源消耗状况、预测未来的能源需求的基础工作。
4 结语
针对陶瓷企业高能耗、高污染、低效率、节能环节薄弱等特点, 建立了一种适应于陶瓷企业的“三环节”能量结构模型及流向图, 以用于详细了解企业的能耗状况并对其进行分析研究。研究总结了陶瓷企业的节能策略, 分别从三个环节加以论述, 以技术节能与管理节能为分析手段, 从系统的角度对能源消耗进行分析及优化, 为企业的节能指明方向, 以提高企业的经济社会效益。
能量流系统论文 第3篇
次同步振荡是威胁电力系统安全运行的突出问题之一。传统的次同步振荡主要由串联补偿电容或高压直流输电(high voltage direct current,HVDC)系统和汽轮发电机组相互作用引发,涉及的元件较少,振荡起因较为明确,但近年来电力电子装置引发的次同步振荡越发复杂,难以准确判断起因。2009年10月22日,在切除发生接地故障的故障线路后,美国德克萨斯州的两座风电场仅通过一回串联电容补偿线路接入电网,串补度由50%提高至75%,采用双馈风电机组的风电场电压、电流均出现次同步谐振,电流超过额定值的两倍,造成大量风电机组的Crowbar损坏,研究中又将这种现象称为次同步控制相互作用,主要是双馈感应发电机(doubly-fed induction generator,DFIG)等设备的变流器控制系统与电力系统间的相互作用导致的。2012年底开始,中国华北电网沽源地区风电场开始多次出现次同步振荡,该地区主要包含双馈风电场和串联电容补偿,振荡频率不稳定,在6~8Hz之间变化,次同步电流的幅值很大,甚至超过工频电流的幅值,振荡导致系统中大量风电机组被切除。机理分析表明,振荡发生的原因和风电机组变流器的参数有很大关系,但系统中大量风电场的参数一般是不同的,不太可能都是振荡的起因,具体哪个或者哪些风电场是振荡的主要诱发因素目前还不清楚。2015年7月,中国新疆电网发生大范围的次同步振荡,电网中包含HVDC系统、汽轮发电机组和大量风电场,次同步振荡对汽轮发电机轴系造成不利影响。上述事件的起因目前仍未明确,给次同步振荡的紧急控制、事故后分析整改都带来很大困难。
对于沽源和新疆这种案例,希望快速准确地定位引发次同步振荡的主要因素或元件,可称为振荡源,以便采取针对性的措施平息振荡。目前对次同步振荡的研究多集中在引发机理、分析方法和阻尼控制[1,2,3,4,5,6],对次同步振荡源定位方法的研究几乎还是空白。强迫振荡是源最为明确的情况,振荡源定位的研究一般从强迫振荡开始[7]。次同步强迫振荡目前虽然还没有公开报道的例子,但一方面不能排除某个电力电子装置由于控制不当自发产生次同步或超同步电流从而引发次同步振荡的可能,另一方面,强迫振荡仍然是检验次同步振荡源定位方法的最基本算例。振荡能量流法[7,8,9,10,11,12]是近年来提出的一种低频振荡源定位的方法,本文将其进一步发展应用于次同步强迫振荡的扰动源定位。对于大量非外施扰动引发的次同步自由振荡的情况,振荡源的概念还需要进一步研究明确,但也可以通过能量流研究元件的阻尼特性。
1 次同步振荡中暂态能量流的计算
文献[7,8,9,10,11,12]提出了振荡能量流法进行低频振荡的振荡源定位,概述如下。
从节点i通过支路Lij流出的能量流为:
式中:Pij,Qij,Iij分别为支路Lij的有功功率、无功功率和电流;Ui为节点i的电压幅值;θi为节点i的电压相角;Δfi为节点i的频率偏差;“*”表示共轭。
流入某元件的能量流由两部分组成,一部分为元件暂态能量的变化,另一部分为元件消耗的能量,而元件的能量消耗和阻尼是对应的。正阻尼元件消耗能量,负阻尼元件产生能量。以发电机为例,采用经典模型,流入发电机的能量流为:
式中:IGi为从发电机i流出发电机的电流;TJ为转子机械惯性时间常数;ω为转子角频率;ω0为同步角频率;Pm为原动机的机械功率;δ为发电机功角;D为阻尼系数。等号右边第1项为发电机暂态能量的变化,第2项为发电机阻尼消耗的能量。
文献[7,8,9,10,11,12]应用该性质,若某元件不断发出能量,它对低频振荡的作用为负阻尼,就可以判断此元件为低频振荡的源,实现了振荡源定位。
从式(2)可以看到,能量流实际上是暂态能量在网络中的流动,能量消耗导致暂态能量不断减少,因此,为了更清楚地表示其含义,本文将其称为暂态能量流。
式(1)不能直接应用于次同步振荡的分析。次同步振荡的频率远高于低频振荡的频率,不能用工频电量上有低频调制来分析,各种工频相量表示不能用于次同步振荡,而且功率的定义也不明确。因此,次同步振荡分析中采用暂态能量流的另一种表示形式:
式(3)中的变量为xy坐标系下的电压和电流,都可从abc坐标下的瞬时值转换而来,避免了式(1)中采用工频相量导致的问题,可用于次同步振荡分析,只需要运用坐标变换,将各量从abc坐标系下的瞬时值转换到xy坐标系,即
转换矩阵D为:
式中:θ0可以任意取值,不影响本文方法的结果。
上述变换是电力系统中的经典变换,也广泛应用于次同步振荡分析[13]。次同步振荡时,电压、电流瞬时值中对应同一个模式的频率为f-的次同步量和频率为f+=2fN-f-的超同步量,经过变换后在xy轴分量中的频率都变为fN-f-,其中fN为工频,通过式(3)计算得到的暂态能量流反映该模式下的特性。含有多个模式时,xy轴分量含有多个频率的分量,可通过滤波提取不同频率的分量分别计算暂态能量流,获得不同模式下的特性。实际应用中,测量abc坐标系下元件端口的电压、电流瞬时值,然后通过上述变换即可获得计算暂态能量流所需的变量,易于获取,可以实现在线应用。
2 次同步振荡中暂态能量流与发电机阻尼的关系
暂态能量流法在低频振荡分析中取得良好效果,但次同步振荡所用模型与低频振荡存在很大区别,还需推导次同步振荡中暂态能量流与发电机阻尼的关系。本节以次同步振荡分析中采用的汽轮发电机组多质量块详细模型为例,分析流入发电机的暂态能量流。
次同步振荡分析中发电机组采用Park变换后的详细模型[13],本文在其基础上进行适当近似:①忽略定子绕组暂态,pψd=0,pψq=0;②定子电压方程中设ω≈1(标幺值);③忽略定子绕组电阻Ra。
转子d轴上包括励磁绕组和一个阻尼绕组;转子q轴上包括两个阻尼绕组。发电机电磁回路模型表示为:
式中:下标f d表示励磁绕组,1d表示d轴阻尼绕组,1q和2q表示q轴的两个阻尼绕组;ψ为各绕组的合成磁链;i为各绕组的电流;u为各绕组的端电压;R为各绕组的电阻;Xd和Xq分别为d,q轴同步电抗;Xad和Xaq分别为d,q轴同步反应电抗;Xff d,X11d,X11q,X22q为绕组的自感抗。
发电机组轴系采用六质量块模型,编号1~6分别对应高压缸(HP)、中压缸(IP)、低压缸A(LPA)、低压缸B(LPB)、发电机(GEN)、励磁机(EXC)。考虑自阻尼系数和互阻尼系数,轴系方程式可以表示为:
式中:δi为轴系第i个质量块相对于同步旋转参考轴的电气角位移;ωi为轴系第i个质量块的电气角速度;TJi为第i个集中质量块的惯性时间常数;Dii为第i个集中质量块的自阻尼系数;Ki(i+1)为第i和第i+1个集中质量块之间刚度系数的标幺值;Di(i+1)为第i和第i+1个集中质量块之间的互阻尼系数;Pmi为作用在第i个质量块上的原动转矩;Pe为电磁转矩。
针对上述发电机组模型,从机端流入发电机的暂态能量流为:
WING可以分为和两个部分单独计算。将式(8)代入第1部分,推导可得:
详细推导过程见附录A。
当Pmi为固定值时,式(10)变为:
式(11)等号右边前3项都是与路径无关的积分项,参考物理中保守力和非保守力的概念,将与路径无关的积分项称为保守项,保守项和元件的暂态能量对应,其中第1项为质量块之间轴系变形能的和,第2项为各质量块动能之和,第3项为各质量块位置势能之和,这3个部分是和发电机轴系有关的发电机暂态能量;第4项和第5项是与路径有关的项,称为非保守项,式(11)中的非保守项随时间不断增加,是耗散项,表示轴系自阻尼和互阻尼消耗的能量。式(11)中各项所对应的物理意义非常明确。
将继续拆分为两部分单独进行研究:
将式(7)代入-∫idduq,可得:
式(13)等号右侧第1,2项为与路径有关的非保守项,分别代表励磁绕组和d轴阻尼绕组消耗的能量,其中阻尼绕组的能量消耗恒为非负,但励磁绕组能量消耗的正负和具体的励磁控制有关;后几项为与路径无关的保守项,对应发电机绕组中的暂态能量。
将式(7)代入∫iqdud,可得:
式(14)等号右侧第1,2项为与路径有关的非保守项,而且都是耗散项,分别代表q轴两个阻尼绕组消耗的能量,这两项恒为非负;后几项为与路径无关的保守项,对应发电机绕组中的暂态能量。式(13)和式(14)的详细推导过程见附录B。
综上所述,从机端流入发电机的暂态能量流一部分为以下与路径无关的保守项,对应发电机中的暂态能量为:
另一部分是与路径有关的非保守项,其中一些是明确的耗散项,包括:,分别为发电机自阻尼、互阻尼、d轴阻尼绕组以及q轴两个阻尼绕组所产生的暂态能量消耗,对应的都是正阻尼。
还有一个非保守项与励磁绕组有关,其正负和励磁控制有关,即励磁绕组可能消耗能量(正阻尼),也可能产生能量(负阻尼)。
通过注入发电机暂态能量流的理论推导可以总结得到,次同步振荡分析中发电机组采用多质量块模型,流入发电机的暂态能量流一部分是发电机暂态能量的变化,另一部分是发电机阻尼(包括轴系的自阻尼、互阻尼,转子阻尼绕组)所消耗的能量,能量消耗和阻尼特性仍然具有良好的对应关系。
将该结论扩展,在次同步振荡中,若某元件不断吸收能量,它对次同步振荡的作用为正阻尼;若某元件不断发出能量,它对次同步振荡的作用为负阻尼。系统振荡时,暂态能量流中的保守项也是振荡的,而非保守项是单调变化的,可以通过对暂态能量流进行拟合的方式提取出非保守项随时间变化的趋势和大小,即可反映元件的阻尼特性。
3 方法步骤
第2节推导得到的暂态能量流与次同步振荡阻尼的关系与低频振荡的结论类似。对于次同步强迫振荡,扰动源不断发出能量,流向系统中的正阻尼元件被消耗掉,使得系统等幅振荡,因此可以通过暂态能量流定位强迫扰动源。对于次同步自由振荡,则可以通过元件发出或吸收暂态能量流的情况评估元件阻尼特性。具体步骤如下。
步骤1:采集一段时间内元件端口电压、电流瞬时值,并从abc坐标系转换到xy坐标系。
步骤2:对xy坐标系下的电压、电流进行快速傅里叶变换(FFT),得到各个次同步频率下的电压、电流分量。
如前所述,电压电流瞬时值中频率为f-的次同步量和频率为f+的超同步量,经过abc坐标系到xy坐标系的变换后,xy轴分量中的频率变为fN-f-和f+-fN。
步骤3:将不同次同步频率下的电压、电流分量代入式(3),得到不同次同步频率下的暂态能量流。
步骤4:对各个次同步频率下的暂态能量流曲线进行线性拟合,得到W(t)=at+b,斜率a反映暂态能量流中的非保守项大小,称为能流功率。
线性拟合的效果取决于所取时间段内振幅的变化,若接近等幅,则暂态能量流上升的斜率固定,线性拟合的效果好,因此步骤1中需要选取振荡近似等幅的时间段内的数据。
步骤5:将元件最大能流功率对应的次同步频率称为主导频率。若主导频率下注入元件的能流功率为负值,代表该元件发出能量,反之吸收能量。对于次同步强迫振荡,发出能量的即是强迫扰动源。暂态能量流还可用于评估元件阻尼特性,若元件吸收能量,则具有正阻尼特性,反之具有负阻尼特性。
4 仿真验证
仿真工具采用PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件,验证暂态能量流法对次同步强迫振荡扰动源定位及阻尼评估的有效性。
4.1 单机无穷大系统加强迫振荡源
首先构造强迫振荡的算例验证基于暂态能量流的强迫扰动源定位。强迫扰动源考虑电流源和电压源两种情况。
1)电流源扰动
强迫扰动源为电流源的仿真系统示意图如图1所示。此仿真系统改自IEEE First Benchmark Model[14],由一台具有多质量块轴系模型的发电机、变压器、线路(考虑有、无串补两种情况)、强迫扰动源和无穷大系统组成。系统各参数基本沿用IEEE First Benchmark Model中的设置,系统的基频为60Hz。系统在不加强迫扰动之前是正阻尼系统。发电机有4个轴系自然扭振频率,分别为15.71,20.21,25.55,32.28Hz。
强迫扰动源是一个小幅的非工频电流源。为了使得仿真算例更具有一般性,电流源考虑两种,一种是次同步频率的电流源,另一种是与次同步频率对应的超同步频率的电流源,超同步频率的电流也能引发次同步振荡[1,3,4]。仿真时,两组电流源同时注入系统,模拟现实中次同步和超同步电流同时存在的情况。次同步扰动源和超同步扰动源频率设置的方法如下,当次同步扰动源频率为f-时,超同步扰动源频率为f+=2fN-f-,此时两个振荡源在发电机轴系上产生的转矩频率都是fN-f-。同时,任意设置多组次同步电流与超同步电流的幅值比和相位差,以模拟任意次同步、超同步扰动源幅值和相位的组合。根据强迫振荡的理论,次同步频率f-与自然扭振频率互补时,振荡更明显,因此重点关注自然扭振互补频率附近的能流功率。
设置3个电压、电流瞬时值测点,测点1称为发电机侧,以发电机流出为正方向;测点2称为振荡源侧,以振荡源流出为正方向;测点3称为无穷大系统侧,以无穷大系统流出为正方向。
首先仿真线路是纯电感的情况。对于仿真的所有幅值比和相位差的组合,暂态能量流都由强迫电流源发出流向发电机,如图1的箭头所示,暂态能量流法准确找到了扰动源。附录C中列出两种组合的详细结果:①同时注入次同步和超同步电流,I-∶I+=3∶1,φ--φ+=90°(I-和I+分别为次同步和超同步电流源的幅值,φ-和φ+分别为次同步和超同步电流源的初相位),次同步频率在34.4Hz附近;②只注入超同步电流,其频率在75.8Hz附近。能流功率分别如附录C图C1、图C2所示,为保持一致,图C2横坐标将超同步电流源的频率通过2fN-f+变换到了对应的次同步频率。
在线路上加入了串补电容和电阻。串补电容加在强迫扰动源左侧,即发电机侧,而电阻加在了强迫扰动源的两侧,两侧电阻的比例与两侧电感的比例相同。电容值设为70μF,系统是正阻尼系统,发电机转速稳定。加入34.4Hz的强迫次同步电流扰动源后,计算3个测点的能流功率,扰动源依然发出能量,发电机依然吸收能量,找到了强迫扰动源。
2)电压源扰动
强迫扰动源为电压源的仿真系统示意图如图2所示。此仿真系统与图1系统的区别在于,电压扰动源串联在系统中,另外,设置了两个电压、电流瞬时值测点,测点1称为发电机侧,以发电机流出为正方向;测点2称为无穷大系统侧,以无穷大系统流出为正方向。
仿真过程与强迫电流源时一致,首先仿真线路是纯电感的情况。仿真结果显示,暂态能量流由强迫电压源发出流向发电机,如图2的箭头所示,暂态能量流法准确找到了扰动源。附录C列出两种组合的详细结果:①同时注入次同步和超同步电压,U-∶U+=1∶4,θ--θ+=100°(U-和U+分别为次同步和超同步电压源的幅值,θ-和θ+分别为次同步和超同步电压源的初相位),次同步频率在27.7Hz附近;②只注入次同步电压,其频率在34.4Hz附近。能流功率分别如附录C图C3、图C4所示。
在线路上加入了串补电容和电阻。电容值设为70μF,系统是正阻尼系统。加入27.7Hz的强迫次同步电压扰动源,计算两个测点的能流功率,扰动源依然发出能量,发电机依然吸收能量,找到了强迫扰动源。
综上,次同步强迫振荡时,暂态能量流法在各种不同情况下都能够准确地定位出强迫扰动源,验证了方法的有效性。
4.2 GTSDC阻尼次同步振荡
本算例中元件阻尼特性明确,用于验证暂态能量流法应用于元件阻尼特性评估的有效性。
机端次同步阻尼控制器(generator terminal sub-synchronous damping controller,GTSDC)是一种新型的基于电力电子技术的次同步阻尼控制装置,由多模态次同步阻尼控制器(multimodal subsynchronous damping controller,MSDC)和电流跟踪逆变器(current-tracking inverter,CTI)构成[15]。当发电机有扭振频率为自然扭振频率fn的转速偏移Δω时,MSDC会产生频率和扭振频率互补的补偿电流参考值Δiabc,CTI跟踪参考值的变化输出次同步频率f0-fn和超同步频率f0+fn的补偿电流,部分流入机组内部,产生抑制次同步振荡的电磁阻尼转矩,提高次同步振荡的阻尼。因此,一个参数恰当的GTSDC表现为正阻尼。
仿真系统采用文献[16]中的系统。上都电厂内投运4台参数一致的汽轮发电机组,其中1号和3号机组安装了GTSDC,但仿真开始时GTSDC并未投入,所有机组通过500kV的输电网络与华北电网相连。上都电厂有两条出线,均安装了串联补偿,串补度都为45%。3.05s时,断开其中的一条出线,系统发生发散的次同步振荡,如图3所示;4s时GTSDC投入,振荡由发散转为收敛,验证了GTSDC的正阻尼特性。为了阻尼振荡,GTSDC产生了相对于基频对称的24Hz次同步频率和76Hz超同步频率的电流,A相电流及其幅频特性如附录C图C5和图C6所示。
取GTSDC端口7~10s的电压、电流数据计算注入GTSDC的能流功率为1.240 6(标幺值),代表吸收能量,对次同步振荡的贡献为正阻尼,与预期相符,暂态能量流法评估得到的阻尼特性是正确的。
4.3 HVDC系统引发的次同步振荡
本算例研究装置引发的次同步振荡。仿真系统示意图如图4所示。此仿真系统由两台具有多质量块轴系的发电机、输电线、HVDC系统和无穷大系统组成。该系统不是对称系统,两台发电机的参数一致,但两个HVDC系统整流侧的配置不同。系统基频为50Hz。发电机有3个轴系自然扭振频率,分别为13.49,23.49,26.99Hz。在输电线靠近发电机母线处,设置A相瞬时接地故障。系统中还设置了6个测点,测点1和2的正方向为注入HVDC系统,测点3和4的正方向为指向无穷大系统,测点5和6的正方向为从发电机流出。
HVDC系统整流侧采用定电流控制,控制框图如附录C图C7所示[17]。定电流控制器参数KP和KI对HVDC系统的阻尼特性有很大的影响,增大KP和减小KI都可以使系统次同步振荡的阻尼比降低甚至变负,此时可认为HVDC系统对系统阻尼的贡献变坏。调节两个HVDC系统定电流控制器的参数,使KP=0.8,KI=0.2,此时发电机的转速曲线如图5所示。由图5可以看出,此时的系统是近似零阻尼系统。计算各测点次同步频率下的能流功率,发现系统的主导频率为36.5 Hz,各测点在36.5Hz处的能流功率如表1所示。
调节两个HVDC系统定电流控制器的参数,使KP=0.8,KI=0.02,此时发电机的转速曲线如图6所示。由图6可以看出,此时的系统是负阻尼系统。系统的主导频率依然为36.5 Hz,计算各测点次同步频率下的能流功率,如表2所示。
由表1、表2可以看出,相同测点能流功率的符号一致,再结合正方向,可以得到暂态能量流向如图4的箭头所示,两个HVDC系统均发出暂态能量流给发电机。对比两表中的能流功率大小可以发现,发散系统的能流功率比临界稳定系统的能流功率大得多。次同步振荡不稳定是修改HVDC系统控制参数导致的,可认为HVDC系统具有负阻尼特性。暂态能量流是由HVDC系统发出给发电机,而且HVDC系统在系统负阻尼时发出的能流功率远大于零阻尼的情况,说明暂态能量流法的结论是有效的。
5 结语
本文将低频振荡分析中的暂态能量流法发展应用于次同步振荡分析。首先研究了次同步振荡分析中暂态能量流的计算方法。然后在汽轮发电机组详细模型下推导了能量流的组成,在次同步振荡时,流入发电机的能量包括发电机暂态能量和阻尼所消耗的能量两部分,包括轴系的自阻尼、互阻尼,转子阻尼绕组以及励磁绕组产生的阻尼。上述推导建立了次同步振荡分析中能量消耗和阻尼特性之间的关系,消耗能量的元件具有正阻尼,产生能量的元件具有负阻尼。在次同步强迫振荡中,强迫扰动源不断发出能量。在PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件下搭建了强迫振荡、机端次同步阻尼控制器、装置引发的次同步振荡等算例进行仿真分析,结果表明,暂态能量流法能够正确定位次同步强迫振荡的扰动源,并对元件阻尼特性进行有效评估。
由于次同步振荡源定位的研究还处于起步阶段,本文方法对不同机理振荡的适应性还需要进一步研究和验证。目前本文的推导都是以汽轮发电机组为核心展开的,研究的是有发电机轴系参与的振荡,而且验证所采用的算例是强迫振荡,扰动源明确。而次同步振荡中,很多情况下振荡源目前还不明确,例如串补引起的次同步谐振;有些机理不同,例如完全由风电场主导的次同步振荡。对于这些场景,暂态能量流法的适应性还需要进一步研究和完善。
浅议建筑压力流排水系统 第4篇
1建筑压力流排水系统提出的背景
随着物质生活水平和生活品味的不断提高, 以及节能减排的观念深入人心, 人们逐渐对室内排水系统的设计工艺和施工质量有了新的要求和标准。传统重力流排水系统不论是在舒适安全, 还是在节能环保等方面都已经不能满足新时代的要求。于是我们看到今天的建筑排水系统在不断的派生着各种新的子系统, 新技术、新材料如雨后春笋般涌现。从同层排水系统的开发利用到真空流、压力流排水系统的初步尝试, 新的建筑排水系统正在逐渐被人们认识并接受, 有些已经在日常生活和生产中被广泛的应用。
压力流排水系统的研究是美国在1954年提出的, 当时主要目的是想把合流制下水道改造为分流制下水道。20世纪70年代进行了50多户居民实用性压力流排水管道的改造, 随后在200多处别墅和住宅中推广实施。80年代中期, 原联邦德国、荷兰、日本等国家也开始了压力流排水系统的研究。其中日本等国家也相继开始了室内压力流排水系统的研究。
笔者在现有的条件下搭制了高为4 m的钢制高台, 在台上按照一般住宅卫生间的布置, 设置了坐便器、洗手盆、浴缸等卫生器具, 按压力流排水系统的组成和连接等要求, 进行管道、管件、卫生器具的安装和连接, 并按照压力流排水的动作和特点, 模拟压力流排水实验。本文在对实验进行介绍的基础上, 对建筑压力流的含义作出分析和评价, 在探讨其使用优势的同时, 大胆的提出几个今后对其重点关注和研究的方向。
2建筑压力流排水系统的构成和动作
2.1 系统的构成
建筑压力流排水系统是一种依靠贮水、增压装置的联动作用, 产生了高压的水流, 将各个卫生器具产生的废水及时排除的排水系统。它由卫生器具 (洗面盆、盥洗盆、压力坐便器等) 、污水接纳装置 (污水罐、传感器等) 、增压装置、压力管道及排水附件等组成, 单个卫生间的大致结构见图1。
2.2 排水系统动作过程
1) 强制压力坐便器的排水过程。粪便等排泄物降落, 首先临时处于压力坐便器内。需要排除时, 随着给水阀的打开, 少量的水流和排泄物一起组成粪便废水进入了污水罐中, 当罐中废水水位升高到设定值时, 传感器动作将信号传达给水泵, 随即水泵开启, 将粪便废水排除。当污水罐内水位下降到设定值之下时, 水泵停机, 污水罐重新空置, 而给水阀还要再延长给水时间3 s～4 s, 使坐便器内有新鲜水停留, 起到保持卫生和润湿的作用, 为下一次接纳污物作准备。至此, 坐便器一次排水动作全部结束, 系统重新回到待机状态。在排除的过程中利用水泵的高速水流压力冲刷作用使废水高效高速的排除。2) 其他卫生器具的排水过程。其他排水器具的动作过程相对简单:一次排水时, 生活污水进入本器具对应的污水罐中, 当罐内水位升高到设定值时, 传感器动作将信号传于水泵, 水泵开启, 直接或将固液混合物进行破碎后排除。随着器具排水的停止, 污水罐内水位下降到设定值之下, 水泵关闭, 污水罐空置, 一次排水动作结束, 系统回到待机状态。
3建筑压力流排水系统的优点
1) 强制压力流坐便器的一次冲水量仅需2 L左右, 可大大减少日常生活用于冲厕的水量。节水的直接经济效益产生于节约的水费、水资源费及排污费。更为重要的是从节约水资源的角度, 满足了全球性环境保护的要求。
2) 由于系统产生了压力水流, 废水不必靠自身重力流动, 可以使排水管管径大大减小。敷设于住户内的排水横管可以采用DN32甚至口径更小的DN25承压排水管, 在现场敷设施工时就可彻底打破传统重力流排水管道的施工方法, 模仿给水管的敷设, 将排水管道置于本层楼板垫层或墙体甚至天花板内。这样管线安装灵活, 可轻松连接远距离洁具, 必要时可上升铺设, 无坡度要求, 轻易避开障碍物, 使排水管的敷设变得轻松而简单。
3) 明确了房屋的产权问题, 增大了空间, 有利于强调私密性。新型的压力流排水管道系统全部在本住户自家完成, 避免管道穿楼板。凡涉及到管道的维修和改造不需再和下层住户交涉, 同时, 下层厨卫的有效空间增大, 打破了厨卫装修吊顶的传统方式。这对于目前强调私密性和追求最大使用空间的住宅建筑尤为重要。
4) 排水管埋地、埋墙, 管道不必裸露在外, 排水时大大减小了噪声, 增加了房屋使用的舒适度。
5) 随着各种管道配件的完善使用和成熟运用, 加之施工技术的日臻精益, 压力管道气密性增强, 使困扰住户或住户之间的污水跑冒滴漏、臭气溢入室内的问题得到解决, 杜绝了疾病的传播, 室内环境特别是厨卫的环境不会受到污染。
6) 有压流增大了水流对管道的冲刷强度, 使管内无杂物沉积, 避免了器具和管道的堵塞, 省去了清通的工作。
7) 在每户排水横管接排水立管的地方要相应的设置排水止回阀。这样不管其他住户的排水情况多么复杂也不会影响到本户排水系统内的水流, 直接省去了传统重力流排水系统中用于制造水封的“S”“P”等形式的存水弯, 使管道内由于压力波动或其他原因引起的水封减少或破坏得到根本解决, 管道内的有害气体和污水不会回溢到室内。
8) 压力流排水系统中, 在压力的作用下, 管道中的水很快被排除, 不需要通气管路系统, 大大减少了设计量和施工量, 节省了资源, 简化了系统。特别是在现代大型综合楼的设计施工中, 为了楼顶的空气环境或房屋立面的美观, 很多情况下不能或不宜伸顶或侧墙通气。这种条件下, 压力流排水系统不需要通气管路的优点就更加地明显了。
9) 压力流排水系统与传统重力流排水系统相比, 在管道系统中不但省去了较为占用空间的存水弯, 更去除了管路复杂的通气管道系统, 大大简化了整个系统的构成, 同时用DN25, DN32的管道替代了DN50～DN110的管道, 节省了所用的管材, 降低了工程造价, 简化了施工的过程。在经济方面和实际施工操作方面也有着明显的优势。
4建筑压力流排水系统的研究方向
1) 普通常用的卫生器具的排水口到排水横管的一段距离中有相当充裕的空间来安置增压装置, 甚至有人认为, 在条件和技术允许下, 增压装置、储污罐和卫生器具可以连为一体, 减少了连接的管道, 也大大提高了系统的美观性。但像排水地漏这样的地面排水器具怎样融入压力流排水系统中还有待于深入地探讨。2) 排水止回阀的质量和性能在整个系统中起了很关键的作用。理论上分析认为, 由于这些管件的存在与作用, 有效的避免了排水时立管内压力水流产生的正、负压力变化对其他住户排水横管的影响, 可以消除一户排水多户冒水的隐患。通过作者了解, 我国目前已有为数不少的公司、厂家在排水止回阀的新型排水管件的开发与研制上取得了很大的成果。但具体到实际中时仍需相关的部门通过实验数据制定一系列严格的规范和标准去规定排水止回阀的各项指标, 使其设计、应用更加合理、安全、可靠。3) 压力流使得排水管管径大大的减小, 节省了管材, 但管径大小却不是任意的。传统重力流排水管管径的确定综合了大量实验和实际工程经验, 往往兼顾了排水量、流速、坡度、充满率等等重要因素。压力流的排水管管径也需要通过理论计算和实际工程实用的验证来确定。4) 压力排水系统中要用到增压装置“水泵”, 由于人们用水的不规律性, 使排水时断时续, 水量也极不稳定, 造成水泵开开停停, 频繁的启闭。这种情况下就自然的考虑到水泵的失灵和开泵水锤。在研究压力流排水系统时不应忽略这两个问题。5) 要承受有压的污、废水冲击, 排水管的管材应通过实验的验证而慎重选择。6) 由于系统的特殊要求, 目前在国内运用会使工程造价超过传统的排水系统的造价;作为新型的系统, 它使用的安全可靠性也是使用者最为关心的问题之一, 因此, 在一些涉及到保障排水的安全可靠的细节上应给予足够的重视。
5建筑压力流排水系统的展望
综上所述, 建筑内压力流排水系统实现了一种新型的排水方式, 但在我国长期形成的传统观念影响下, 其系统成型、成熟至开始使用直到推广普及一定会是一个相当漫长的过程。作为建筑排水技术上的一次变革, 首先需要广大从事给排水工作的专家、学者以及一线工作者转变观念, 同时也需要相关的机构、企业等的积极支持, 并由国家权威机构或各相关高校开展一些必要的试验。
我国对日益严重的水资源和环境问题高度重视, 提倡建立资源节约和环境友好型社会, 在“以人为本”基本理念不断深入人心的今天, 随着我国综合实力和人民生活水平的迅速提高, 以及科学技术的日新月异, 我们相信, 人们的传统观念会很快发生转变, 建筑压力流这样一种高效、节能、节水及环保的排水系统一定会很快得到认可并接受。况且随着目前我国室外压力排水系统工程的普遍应用和技术的日臻成熟, 对室内的压力流系统进行系统化、理论化和设计、施工、管理规范化, 也应该尽快纳入议事日程, 以便使压力排水技术在基础工程建设中发挥更大的作用, 使得住宅室内环境越来越好, 真正提高人们的生活水平, 优化住宅质量, 满足对和谐社会建设的要求。
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能量流系统论文
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