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一、引言
城市供熱管網(wǎng)系統(tǒng)是由多個(gè)串并聯(lián)管段組成的管路系統(tǒng),是城市集中供熱系統(tǒng)的重要組成部分。為滿(mǎn)足各熱用戶(hù)個(gè)性化供暖需求,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能降耗,分戶(hù)計(jì)量控制供暖系統(tǒng)形式正在逐步推廣。由于采暖用戶(hù)的自主調(diào)節(jié),連接系統(tǒng)一、二級(jí)管網(wǎng)的換熱站應(yīng)隨著用戶(hù)末端進(jìn)行調(diào)節(jié)。首先是在二級(jí)管網(wǎng)側(cè)通過(guò)循環(huán)水泵的變頻,來(lái)保證二級(jí)管網(wǎng)某處的供、回水壓差不變,目的是穩(wěn)定因末端用戶(hù)用熱的改變而對(duì)管網(wǎng)水力工況的影響,然后,改變一級(jí)管網(wǎng)側(cè)的供熱參數(shù)來(lái)確保二級(jí)管網(wǎng)側(cè)的供水溫度、及供回水溫差的穩(wěn)定。在這一過(guò)程中,一級(jí)管網(wǎng)側(cè)實(shí)際上是按照二級(jí)管網(wǎng)側(cè)所需的供熱量在進(jìn)行被動(dòng)調(diào)節(jié)。然而,管網(wǎng)系統(tǒng)中各管路水力工況相互影響,系統(tǒng)中任何一個(gè)調(diào)節(jié)裝置的工作參數(shù)發(fā)生改變,必然會(huì)引起各熱用戶(hù)(換熱站)之間流量的重新分配。當(dāng)各換熱站一級(jí)管網(wǎng)側(cè)均因二級(jí)管網(wǎng)側(cè)負(fù)荷的改變而各自進(jìn)行被動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí),由于各換熱站管路間水力工況相互影響,就必然會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)水力、熱力失調(diào),影響供熱效果。因此,為了提高供熱管網(wǎng)整體的運(yùn)行調(diào)節(jié)與控制水平,減小水力、熱力失調(diào),保證供熱穩(wěn)定性,必須將換熱站一級(jí)管網(wǎng)各自的被動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)行統(tǒng)一管理和控制。
本文提出一種在配合一、二級(jí)管網(wǎng)間動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的同時(shí),采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥集中控制的方法,即在供熱管網(wǎng)水力特性理論的基礎(chǔ)上,利用MATLAB軟件智能平臺(tái),對(duì)供熱管網(wǎng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)與控制進(jìn)行模擬計(jì)算,輸出信號(hào),利用一級(jí)管網(wǎng)側(cè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥對(duì)管網(wǎng)各個(gè)換熱站進(jìn)行集中控制與調(diào)節(jié)。這種方法不僅從管網(wǎng)系統(tǒng)整體平衡角度出發(fā)調(diào)節(jié)各換熱站的流量以實(shí)現(xiàn)各熱用戶(hù)(換熱站二次網(wǎng)側(cè))的用熱需求,而且整體調(diào)節(jié)一步到位,迅速準(zhǔn)確,大大提高了供熱管網(wǎng)系統(tǒng)整體運(yùn)行效果。
二、供熱管網(wǎng)水力特性基本公式
1.節(jié)點(diǎn)流量平衡方程
根據(jù)質(zhì)量守恒原理,在管網(wǎng)恒定流動(dòng)過(guò)程中,與任一節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)的所有分支的流量,其代數(shù)和等于該點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)流量,其計(jì)算式為:
式中bij為流動(dòng)方向的符號(hào)函數(shù);
bij=1表示i節(jié)點(diǎn)為j分支的端點(diǎn)且qj流出該節(jié)點(diǎn);
bij=-1表示i節(jié)點(diǎn)為j分支的端點(diǎn)且qj流向該節(jié)點(diǎn);
bij=0表示i節(jié)點(diǎn)不是j分支的端點(diǎn);
Qj為j分支的流量;
qi為i節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)流量,qi的符號(hào)按照流入節(jié)點(diǎn)為正好,流出節(jié)點(diǎn)為負(fù)號(hào)。
2.回路壓力平衡方程
根據(jù)能量守恒原理,在管網(wǎng)恒定流動(dòng)過(guò)程中,任意回路中沿回路方向,各個(gè)分支管段壓降的代數(shù)和為零。對(duì)于回路i,其計(jì)算式為:
式中cij為分支流動(dòng)方向的符號(hào)函數(shù);
cij=1表示j分支包括在i回路中并與回路同向;
cij=-1表示j分支包括在i回路中并與回路反向;
cij=0表示j分支不包括在i回路中;
ΔPj為j分支的阻力損失,若阻力損失使壓力沿分支方向降低則為正,反之為負(fù);
Hj為在j分支輸入的全壓動(dòng)力,一般取所在分支方向?yàn)閯?dòng)力作用方向,恒為正;
PGi為重力作用形成的i環(huán)路的流動(dòng)阻力,環(huán)路I中重力作用形成的動(dòng)力,與環(huán)路同向?yàn)檎?,逆向?yàn)樨?fù)。
三、泵的性能特性曲線擬合與自動(dòng)控制
水泵是管網(wǎng)最常見(jiàn)的全壓動(dòng)力源,用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算熱水網(wǎng)絡(luò)時(shí),水泵性能特性曲線需用代數(shù)方程進(jìn)行描述。水泵的揚(yáng)程與流量的關(guān)系由下列多項(xiàng)式表示:
式中C1,C2,C3,…Cn為泵的揚(yáng)程——流量性能曲線數(shù)學(xué)表達(dá)式系數(shù);
上式n的取值將影響上述方程描述水泵的精度,在一般情況下,取n=3就可以達(dá)到較高的精度。為得到上述方程,需在水泵性能特性曲線上取三點(diǎn)進(jìn)行擬合。
當(dāng)管網(wǎng)的流量Q因負(fù)荷變化而需作相應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí),由傳感器將信號(hào)傳遞給變頻泵,通過(guò)改變泵的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)泵轉(zhuǎn)速的相應(yīng)改變,從而達(dá)到調(diào)節(jié)與控制目的。
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四、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥流量的調(diào)節(jié)與自動(dòng)控制
調(diào)節(jié)閥是供熱管網(wǎng)系統(tǒng)中重要的調(diào)節(jié)裝置,能對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)中各管段的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制。在實(shí)際運(yùn)行的供熱管網(wǎng)系統(tǒng)中,調(diào)節(jié)閥的流量調(diào)節(jié)特性受到調(diào)節(jié)閥自身結(jié)構(gòu)因素、調(diào)節(jié)閥固有流量特性因素和管路阻力特性因素等的影響,為了使管網(wǎng)具有更好的流量調(diào)節(jié)及控制能力,能夠確定調(diào)節(jié)閥在任意相對(duì)開(kāi)度下的流量計(jì)算關(guān)系式是很重要的。本文采用一種工程近似算法,該算法避開(kāi)了研究調(diào)節(jié)閥內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu),而是根據(jù)調(diào)節(jié)閥的流量特性,運(yùn)用數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)出相對(duì)開(kāi)度、流量、壓力之間的關(guān)系式。
1.調(diào)節(jié)閥流量計(jì)算基本公式
從流體力學(xué)的觀點(diǎn)看,調(diào)節(jié)閥是一個(gè)局部阻力可以變化的節(jié)流元件。對(duì)于不可壓縮流體,其計(jì)算公式為:
式中 Q——調(diào)節(jié)閥接管內(nèi)流體流量,m3/h;
F——調(diào)節(jié)閥接管截面積,cm2;
ξ——調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù),隨調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度而變;
ΔP——調(diào)節(jié)閥前后壓力降,MPa;
ρ——流體密度,kg/m3。
2.調(diào)節(jié)閥流通能力
調(diào)節(jié)閥的流通能力是調(diào)節(jié)閥的重要參數(shù)指標(biāo),它反映了流體通過(guò)調(diào)節(jié)閥的能力大小。目前國(guó)產(chǎn)調(diào)節(jié)閥的流通能力計(jì)算條件和單位是當(dāng)調(diào)節(jié)閥全開(kāi)時(shí),閥兩端壓差為105Pa,流體密度為1g/cm3,每小時(shí)流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量,流量單位為m3/h,接管面積以cm2作單位。其計(jì)算式為
因此,如果確定流通能力C與相對(duì)開(kāi)度之間的關(guān)系,就得到了相對(duì)開(kāi)度與流量Q和ΔP的關(guān)系。
3.調(diào)節(jié)閥的流量計(jì)算
調(diào)節(jié)閥的流量特性有直線流量特性、等百分比流量特性、快開(kāi)流量特性和拋物線流量特性,現(xiàn)在以等百分比流量特性調(diào)節(jié)閥為例,運(yùn)用數(shù)學(xué)的推導(dǎo)方法得出相對(duì)開(kāi)度、流量和壓力之間的關(guān)系式。等百分比調(diào)節(jié)閥在不可壓縮流體時(shí)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:
式中Q,Qmax為調(diào)節(jié)閥行程為l,lmax時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)流量,m3/h;
l,lmax為調(diào)節(jié)閥在某一開(kāi)度、全開(kāi)時(shí)的行程,mm;
h為比例系數(shù)
令為相對(duì)開(kāi)度;
邊界條件為:
l≈0時(shí),L=0,Q=Qmin;l=lmax時(shí),L=1,Q=Qmax;
對(duì)式(7)兩邊積分并帶入邊界條件可得:
式中CL,Cmax,Cmin分別為在ΔP一定,相對(duì)開(kāi)度為L(zhǎng),最小相對(duì)開(kāi)度,最大相對(duì)開(kāi)度時(shí)調(diào)節(jié)閥的流通能力。
令k0=Cmax;再結(jié)合式(9)帶入式(6)中得,
由式(10)便得到等百分比特性調(diào)節(jié)閥相對(duì)開(kāi)度L與流量Q,壓力ΔP的數(shù)學(xué)關(guān)系式。也做過(guò)相似的推導(dǎo),并將數(shù)學(xué)推導(dǎo)出的算法計(jì)算出的實(shí)際流量與調(diào)節(jié)閥實(shí)際運(yùn)行情況下的實(shí)測(cè)流量進(jìn)行對(duì)比,結(jié)論是:相差很小,誤差在8%以?xún)?nèi),均在工程允許誤差范圍之內(nèi)。故采用此算法可行,且對(duì)于調(diào)節(jié)閥的自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制提供了很便利的控制與調(diào)節(jié)技術(shù)措施。
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同理,可以推導(dǎo)出直線特性、快開(kāi)特性和拋物線特性調(diào)節(jié)閥的計(jì)算公式,現(xiàn)將各類(lèi)特性的調(diào)節(jié)閥的計(jì)算公式列于表1:
表1 調(diào)節(jié)閥相對(duì)開(kāi)度L、流量Q與壓力ΔP之間的計(jì)算公式
從上表可知,要得出調(diào)節(jié)閥相對(duì)開(kāi)度L、流量Q與壓力ΔP之間的關(guān)系式,就要求出k0和k,而k0和k可由閥門(mén)樣本提供的最大流通能力、最小相對(duì)開(kāi)度下的流通能力確定。
4.電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制
電動(dòng)調(diào)節(jié)閥是自動(dòng)化過(guò)程控制中的重要執(zhí)行單元儀表,由電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)閥連接組合后經(jīng)過(guò)機(jī)械連接裝配、調(diào)試安裝構(gòu)成電動(dòng)調(diào)節(jié)閥,通過(guò)接收自動(dòng)化控制系統(tǒng)的信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)閥門(mén)改變閥芯和閥座之間的截面積大小來(lái)控制管道介質(zhì)的流量、溫度、壓力等工藝參數(shù),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化調(diào)節(jié)功能。
當(dāng)各換熱站的流量確定后,通過(guò)分析得到閥門(mén)的相對(duì)開(kāi)度,由傳感器將信號(hào)傳遞給各換熱站調(diào)節(jié)閥電動(dòng)執(zhí)行單元,執(zhí)行器再發(fā)動(dòng)執(zhí)行指令,自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)的閥芯行程,改變閥芯與閥座的斷面積,最終將管段的流量調(diào)節(jié)到所需的“理想”流量。
五、管網(wǎng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥集中控制策略
對(duì)于一個(gè)已知的供熱管網(wǎng)(一級(jí)管網(wǎng))系統(tǒng)而言,如圖1所示,各換熱站相互并聯(lián),在各換熱站入口設(shè)有電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。在運(yùn)行中,各管段阻抗和設(shè)備阻抗是固定不變的,只有調(diào)節(jié)閥通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)度而改變阻力特性。在實(shí)際運(yùn)行中,由于末端供暖用戶(hù)供暖調(diào)節(jié)引起二級(jí)管網(wǎng)側(cè)流量和供回水溫度的改變。二級(jí)管網(wǎng)側(cè)的流量調(diào)節(jié)是通過(guò)二級(jí)管網(wǎng)的變頻泵實(shí)現(xiàn)的,來(lái)保證管網(wǎng)的某處的供回水壓差不變,與此同時(shí),二級(jí)管網(wǎng)側(cè)的工作溫度和供回水溫差會(huì)因?yàn)橛脽嶝?fù)荷的減小或增大而相應(yīng)的減小或增大,這時(shí),需要通過(guò)改變一級(jí)管網(wǎng)側(cè)的供熱量來(lái)保證二級(jí)管網(wǎng)側(cè)的供水溫度和供回水溫差的不變。一級(jí)管網(wǎng)側(cè)的調(diào)節(jié)可以是集中調(diào)節(jié)和個(gè)體調(diào)節(jié)相結(jié)合,集中調(diào)節(jié)包括集中質(zhì)調(diào)節(jié)和流量調(diào)節(jié),個(gè)體調(diào)節(jié)主要是一級(jí)管網(wǎng)側(cè)閥門(mén)開(kāi)度的調(diào)節(jié),來(lái)改變進(jìn)入換熱站的流量。由于各換熱站并聯(lián)在管路中,一個(gè)換熱站閥門(mén)開(kāi)度的改變,會(huì)引起其他各換熱站流量的改變。如果不從管路基本特性角度考慮來(lái)控制各閥門(mén)的開(kāi)度,以實(shí)現(xiàn)對(duì)各換熱站流量的調(diào)節(jié),則管網(wǎng)的整個(gè)運(yùn)行調(diào)節(jié)將成為無(wú)序不穩(wěn)定的工況,會(huì)出現(xiàn)水力失調(diào)和熱力失調(diào)現(xiàn)象,嚴(yán)重影響供熱質(zhì)量,并將造成供熱效率下降。
本文提出應(yīng)用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、智能控制平臺(tái)相結(jié)合,根據(jù)節(jié)點(diǎn)流量平衡方程和回路壓力平衡方程的管路基本特性,實(shí)現(xiàn)各換熱站電動(dòng)調(diào)節(jié)閥一次調(diào)節(jié)到位的有序調(diào)節(jié)方法,即供熱管網(wǎng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥集中控制的運(yùn)行調(diào)節(jié),該調(diào)節(jié)策略的調(diào)節(jié)過(guò)程如下:
(1)首先是應(yīng)用智能平臺(tái),通過(guò)對(duì)二次網(wǎng)側(cè)反饋回來(lái)的流量Qi及供回水溫差Δti進(jìn)行分析,確定各換熱站一次網(wǎng)側(cè)的供熱量;分析是否進(jìn)行集中質(zhì)量調(diào)節(jié)等,最后得到各換熱站一級(jí)管網(wǎng)側(cè)的調(diào)節(jié)流量,從而確定管網(wǎng)的所需總流量;
(2)分析得到管網(wǎng)循環(huán)水泵的揚(yáng)程和各換熱站一級(jí)管網(wǎng)側(cè)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度。調(diào)節(jié)閥開(kāi)度改變的目的是改變供熱量,保證二級(jí)管網(wǎng)側(cè)的供暖調(diào)節(jié)要求。由于閥門(mén)開(kāi)度的改變,它會(huì)引起管網(wǎng)總阻抗的變化,即改變了管網(wǎng)的阻力特性。如圖2所示,如果是關(guān)小,即總的阻抗增加,管網(wǎng)特性曲線會(huì)由1曲線,移位到2曲線。這個(gè)改變會(huì)引起循環(huán)水泵揚(yáng)程的改變。如果選用的循環(huán)水泵的性能曲線比較平坦,則忽略由此引起的揚(yáng)程的改變;否則應(yīng)通過(guò)試算的方法來(lái)確定泵的揚(yáng)程,并最終確定閥門(mén)的開(kāi)度,而總揚(yáng)程的確定要在管網(wǎng)系統(tǒng)總阻抗已知的條件下進(jìn)行,因此,兩者相互影響,相互依賴(lài);
(3)一級(jí)管網(wǎng)側(cè)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的確定原理,管網(wǎng)如圖1所示。由于管路中唯一可以改變阻抗的是調(diào)節(jié)閥和變頻泵。對(duì)某個(gè)換熱站而言,由于管路和換熱器的阻抗不變,在一個(gè)新的流量需求下,直接可以得到他們的阻力損失。因此,只要知道循環(huán)水泵的揚(yáng)程,通過(guò)節(jié)點(diǎn)流量平衡方程(式1)和回路壓力平衡方程(式2)便可得到各換熱站處調(diào)節(jié)閥兩端的壓降ΔP。那么,在知道各調(diào)節(jié)閥的壓降ΔP和流量Q之后,利用上述分析的閥門(mén)流量特性關(guān)系式(見(jiàn)表1),便能確定各換熱站一級(jí)管網(wǎng)側(cè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的相對(duì)開(kāi)度。最后借助自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制系統(tǒng),調(diào)節(jié)閥門(mén)閥芯行程,實(shí)現(xiàn)對(duì)管網(wǎng)的流量調(diào)節(jié),從而調(diào)節(jié)換熱站一級(jí)管網(wǎng)側(cè)的供熱量來(lái)滿(mǎn)足二級(jí)管網(wǎng)側(cè)的熱負(fù)荷要求。
這種調(diào)節(jié)方法,是在滿(mǎn)足節(jié)點(diǎn)流量平衡方程和回路壓力平衡方程的管路基本特性條件下進(jìn)行的,實(shí)現(xiàn)了各換熱站電動(dòng)調(diào)節(jié)閥同時(shí)動(dòng)作,相互不再影響,將各換熱站的流量一次性調(diào)節(jié)至所需的“理想”流量,同時(shí)也保證了整個(gè)系統(tǒng)的水力與熱力平衡,避免了各換熱站之間無(wú)序且又相互影響的調(diào)節(jié)。
六、智能平臺(tái)程序框圖
供熱管網(wǎng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥集中控制的運(yùn)行調(diào)節(jié)的分析計(jì)算及反饋執(zhí)行命令,是通過(guò)MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)的,稱(chēng)為智能控制平臺(tái),其程序框圖如圖3所示。
七、結(jié)論
實(shí)際運(yùn)行的供熱管網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)十分復(fù)雜的網(wǎng)路,系統(tǒng)中任何一處閥門(mén)開(kāi)度的改變,都會(huì)導(dǎo)致流量發(fā)生改變,而引起各換熱站之間流量的重新分配,如果不加以科學(xué)控制與調(diào)節(jié),必然會(huì)引起水力失調(diào),而且人們很難從主觀上判斷這種變化趨勢(shì)。運(yùn)用MATLAB軟件作為智能平臺(tái),再結(jié)合電動(dòng)調(diào)節(jié)閥來(lái)對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行集中調(diào)節(jié)與控制,從管網(wǎng)整體系統(tǒng)出發(fā),各電動(dòng)調(diào)節(jié)閥同時(shí)動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)一步到位,迅速準(zhǔn)確,提高了供熱管網(wǎng)系統(tǒng)整體運(yùn)行效果。
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