0引言
　　
　　目前，随着变频技术的发展以及系统规模的不断扩大，供热空调水系统的形式在不断发展，各种设计思想层出不穷。对这些系统性能的评价需要一些通用的指标，水力稳定性就是其中之一。
　　
　　水系统的功能就是通过水的循环来传输冷量和热量，系统的运行调节也主要表现为对水力参数如流量、压力或压差的调节，一个供热空调水系统往往由许多水力调节回路组成，水力稳定性就是对各回路之间相互影响程度的反映。例如当一个支路开大阀门以增加流量，其他支路的流量相应地大幅度减小时，我们就称该系统"水力稳定性差"。
　　
　　在设计管网系统时，水力稳定性是系统设计是否合理的一重要指标，它可以帮助确定合理的系统形式，指导管网参数的合理选择。对于一个设计好的系统，在设计其控制系统或进行运行调节时，水力稳定性的研究同样具有指导意义。通过对水力稳定性的分析，可以明确系统可能达到的控制效果，找到系统控制中的薄弱环节，确定相应的调节手段和控制算法。
　　
　　本文采用一种通用的水力稳定性分析方法[1，2]对几种典型的系统形式进行分析，比较不同系统形式在水力稳定性方面的差异以及影响系统水力稳定性的主要因素，分析如何在经济上可行的情况下尺可能提高系统的水力稳定性，从而为系统的设计和运行调节提供参考。
　　
　　1水力稳定性的定义
　　
　　将水系统中的所有水力参数控制回路分为两个部分：D和F。D表示其中的一个回路，而F是其它所有控制回路的集合。以F中所有回路均不控制和全部采用理想闭环控制两个过程作为基础，定义回路D和F的水力稳定性为：
　　
　　     　(1)
其意义为：

　　①在某一工况下，若F中的回路全为开环，改变回路K的调节量M_D使被调量CD变化ΔCDF；

　　②上述改变可能同时引起F中各回路被调量的变化，若F中的回路全部采用理想闭环控制，则各回路将通过调整其调节量来恢复相应回路的被调量，这些调整又会使得D回路的被调量变化-ΔC′_DF；

　　③二者的比值就是该工况下回路D对F的水力稳定性。

　　对某一网络的一个特定工况，K_s随集合D，F的选取而变化。经过上述一个回合的调整，回路D的被调量与设定值C_i+ΔC_DF的偏差为- K_s·ΔC_DF。经过n个回合的调整，其与设定值的偏差为（-K_s）ⁿ·ΔC_DF。若| K_s |<1，则该过程是收敛的，系统是稳定的。 K_s =0表示回路D与集合F中回路的调节互不影响，因而其稳定性最好， K_s与0的偏差大小反映了系统的水力稳定程度，偏差越小稳定性越好。当| K_s |=1时，采用上述调节方式，系统将会等幅振荡，而| K_s |>1，系统就会发散。

　　应该指出，水力稳定性是水系统本身的属性，它与具体的调节器、控制器特性以及控制参数等没有关系。为了反映水系统本身的特性，上述的调节量一般是管段的阻力特性系数（对应阀门调节）或水泵的转速（对就变频调节），而被调量一般是管段的流量、节点的压力或节点间的压差。通过理论计算或在线辨识可以得到对应某一工况和一组D和F的水力稳定值^[2]。

　　由于实际系统并非完全按照上述理想的运行方式来调节，因此水力稳定性与运行调节的关系也并非如前面所述的那样简单。结合实际系统的运行调节，得到水力稳定性的一般意义：

　　①| K_s |<0.2表明在该工况下D回路对F中诸回路的水力稳定性很好。此时若各回路参数已经单独整定，在运行时基本不需要重新整定D回路的控制参数即可得到较好的控制品质。在供热空调系统设计时，应尽量使各回路的水力稳定性在此范围内，从而为系统的控制和运行调节奠定基础。

　　②0.2≤| K_s |<0.8表明相应工况下D回路的水力稳定性较差。此时，如果各回路参数已经单独整定，投入运行后一般需要对控制参数进行一些调整才能使得系统正常运行。

　　③| K_s |≥0.8表明相应回路的水力稳定性极差，这时如果各回路控制参数单独整定，系统整体闭环运行时几科不可避免地发生不可控的现象。需要考虑的一些其他的控制措施，如解耦控制等。

　　④当| K_s |>1时，D回路被调量对调节量的响应在F中所有回路闭合时将会反向。这就是说，如果D回路单独整定后可以独立正常工作的话，只要F中的所有回路一闭合，这个本来稳定的回路马上就不稳定。当然在闭合运行时也可以通过将D回路的调节器动作方向反过来以使得系统的调节恢复稳定，但这显然是一种不安全的情况，因为如果F中的回路置于手动或受到约束，系统的运行调节就将变成正反馈。因此，在输配系统的设计和控制变量的配对上要极力避免这种情况。

　　2 异程系统

　　图1是一个异程供热水网，该网络共有6个流量控制回路一个压差控制回路。各流量控制回路是由每一用户的调节阀控制该用户的流量，在图中从左到右依次为1至6回路；第7回路是压差控制回路，通过调节主循环泵的转速来控制某一用户两端的压差。水泵特性为：H_p=32.0～0.025G～0.008G²，式中G为流量，m³/h。H_p为扬程，m。各管段的阻力特性如表1所示，对应的各用户流量均为3.0 m³/h。

图1 异程系统

表1 异程管网各支路的阻力特性系数h²/ m⁵

　　2．1 不带末端压差控制的系统

　　一般的家庭式供暖系统通常采用质调节的运行方式，整个供暖季流量基本保持不变，系统运行好坏的关键是初调节。初调节有多种方式，最基本的是根据各用户分支的流量调节相应的阀门，相应地形成6个调节回路。水力稳定性的好坏将直接影响管网初调节的难易程度，对于已经完成初调节的管网，水力稳定性则反映了当其它用户流量发生空变或扰动时，自身流量保持不变的能力。另外，近几年自力式流量调节阀开始在一些管网中应用，对于这些系统，管网的水力稳

支路	7→1	1→2	2→3	3→4	4→5	5→6	1→7	2→8	3→9
Si	0.0104	0．020	0．020	0．040	0．040	0．020	2．8444	1.8444	1.2055
支路		7→8	8→9	9→10	10→11	11→12	4→10	5→11	6→12
Si		0．020	0．020	0．040	0．040	0．020	0．4866	0.1666	0.1266

　　定性是保证自力式流量调节阀正常工作的必要条件，管网设计不合理，各用户流量耦合严重，将可能使系统发生振荡，影响系统的调节品质。

　　仍以图1为例，该网络共包括6个流量调节回路，在设计工况下各种组合情况的水力稳定性列于表2。由表2可以看出，前面3个用户的K_s值都小于0.2，水力稳定性很好，而后3个用户的水力稳定性则较差，在该工况下距离热源越远的用户其稳定性越差，这主是因为末端用户的压力损失占整个环中的压力损失比例很小造成的。从这个意义上讲，对简单枝状管网而言，该水力稳定性指标与传统的评价方法结论是基本一致的。

[1] [2] [3]