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                      一、引言

                      城市供熱管網系統是由多串并聯管段組成的管道系統,是城市集中供熱系統的重要組成部分。為了滿足各熱用戶的個性化供熱需求,實現系統的節能降耗,家庭計量控制供熱系統的形式正在逐步推廣。由于供熱用戶的獨立調整,連接系統一、二級管網的換熱站應隨用戶終端進行調整。首先,通過循環水泵的變頻,確保二級管網的供回壓差不變,目的是穩定終端用戶熱量變化對管網水力條件的影響,然后改變一級管網側的供熱參數,確保二級管網側的供水溫度和供回水溫差的穩定。在此過程中,一級管網側實際上是根據二級管網側所需的供熱量進行被動調整。但是,管網系統中各管道的水力條件相互影響,系統中任何調節裝置的工作參數發生變化,不可避免地會導致換熱站(換熱站)之間的被動調節,從而降低換熱站之間的整體水力。因此,由于換熱管網側的變化,必然會影響換熱管網的變化。

                      本文提出了一種電動調節閥集中控制的方法,即在加熱管網水力特性理論的基礎上使用MATLAB軟件智能平臺模擬計算加熱管網的運行調節和控制,輸出信號,利用一級管網側電動調節閥集中控制和調節管網各換熱站。該方法不僅從管網系統整體平衡的角度調節換熱站的流量,實現換熱站用戶(換熱站二次網側)的熱需求,而且整體調節一步到位,快速準確,大大提高了加熱管網系統的整體運行效果。

                      二、供熱管網水力特性基本公式

                      1.節點流量平衡方程

                      根據質量守恒原理,在管網恒定流動過程中,與任何節點相關的所有分支的流量代數和等于節點的節點流量為:

                         (1)

                      式中bij符號函數為流動方向;

                      bij=1表示i節點為j分支的端點和qj節點流出;

                      bij=-1表示i節點為j分支的端點和qj流向節點;

                      bij=0表示i節點不是j分支的端點;

                      Qj為j分支流量;

                      qi為i節點節點流量,qi符號按流入節點正好,流出節點為負號。

                      2.電路壓力平衡方程

                      根據能量守恒原理,在管網恒定流動過程中,每個分支管段的壓降代數為零。對于電路i,計算公式如下:

                         (2)

                      式中cij符號函數為分支流動方向;

                      cij=1表示j分支包括在i并與回路同向;

                      cij=-1表示j分支包括在i并與回路反向;

                      cij=0表示j分支不包括在內i回路中;

                      ΔPj為j如果阻力損失使壓力沿分支方向降低,則分支的阻力損失為正,反之亦然;

                      Hj為在j分支輸入的全壓動力一般以分支方向為動力方向,恒為正;

                      PGi形成重力作用i流動阻力、流動阻力、流動阻力I與環路同向為正,逆向為負。

                      三、擬合和自動控制泵的性能特性曲線

                      水泵是管網最常見的全壓動力源,用計算機模擬計算熱水網絡時,水泵性能特性曲線需用代數方程進行描述。水泵的揚程與流量的關系由下列多項式表示:

                         (3)

                      式中C1,C2,C3,Cn數學表達系數是泵的揚程-流量性能曲線;

                      上式n一般情況下,取值會影響上述方程描述水泵的精度n=3可以達到更高的精度。為了獲得上述方程,需要在泵的性能特性曲線上提取三點進行擬合。

                      當管網流量Q當負載變化需要相應調整時,傳感器將信號傳輸到變頻泵,通過改變泵的頻率來實現泵速度的相應變化,從而達到調整和控制的目的。

                      四、電動調節閥流量的調節和自動控制

                      調節閥是加熱管網系統中重要的調節裝置,可以調節和控制管網系統中各管段的流量。在實際加熱管網系統中,調節閥的流量調節特性受到調節閥自身結構因素、調節閥固有流量特性和管道阻力特性的影響。為了使管網具有更好的流量調節和控制能力,在任何相對開度下確定調節閥的流量計算關系是非常重要的。本文采用了一種工程近似算法,避免了調節閥內部復雜結構的研究,而是利用數學方法推斷出相對開度、流量和壓力之間的關系。

                      1.調節閥流量計算基本公式

                      從流體力學的角度來看,調節閥是一種局部阻力可以改變的節流元件。不可壓縮流體的計算公式為:

                         (4)

                      式中 Q——調節閥接管內的流體流量,m3/h;

                      F——調節閥接管截面積,cm2;

                      ξ——調節閥的阻力系數隨調節閥的開度而變化;

                      ΔP——調節閥前后壓降,MPa;

                      ρ——流體密度,kg/m3。

                      2.調節閥門的循環能力

                      調節閥的循環能力是調節閥的重要參數指標,反映了通過調節閥的流體的能力。目前,國內調節閥的循環能力計算條件和單位為105Pa,流體密度為1g/cm3,每小時流經調節閥的流量,流量單位為m3/h,接管面積以cm2作為單位。計算式為

                         (5)

                      因此,如果確定了流通能力C與相對開度的關系得到了相對開度和流量Q和ΔP的關系。

                      3.調節閥的流量計算

                      調節閥的流量特性包括直線流量特性、等百分比流量特性、快速打開流量特性和拋物線流量特性?,F在以等百分比流量特性調節閥為例,采用數學推導方法獲得相對開度、流量和壓力之間的關系。當不壓縮流體時,等百分比調節閥的數學表達式為:

                         (7)

                      式中Q,Qmax為調節閥行程l,lmax標準狀態流量,m3/h;

                      l,lmax調節閥在一定開度、全開時的行程,mm;

                      h為比例系數

                      相對開度;

                      邊界條件如下:

                      l≈0時,L=0,Q=Qmin;l=lmax時,L=1,Q=Qmax;

                      可以獲得對式(7)兩側積分并帶入邊界條件:

                         (8)

                      將式(8)再結合式(6)可得:

                         (9)

                      式中CL,Cmax,Cmin分別為在ΔP一定,相對開度為L,最小相對開度,最大相對開度時調節閥的循環能力。

                      令k0=Cmax;結合式(9)帶入式(6)中得,

                         (10)

                      等百分比特性調節閥相對開度L與流量Q,壓力ΔP數學關系類型。也做了類似的推導,將數學推導算法計算的實際流量與調節閥實際運行時的實測流量進行了比較。結論是,差異很小,誤差在8%以內,均在工程允許誤差范圍內。因此,該算法是可行的,為調節閥的自動調節和控制提供了方便的控制和調節技術措施。

                      同樣,可以推導出直線特性、快速開啟特性和拋物線特性調節閥的計算公式,現將各種特性調節閥的計算公式列入表1:

                      表1 調節閥相對開度L、流量Q與壓力ΔP之間的計算公式

                      從上表可以看出調節閥的相對開度L、流量Q與壓力ΔP之間的關系類型需要提出k0和k,而k0和k閥門樣本提供的最大流通能力和相對開度下的最小流通能力。

                      4.自動調節和控制電動調節閥

                      電動調節閥是自動化過程控制中的重要執行單元儀表。電動調節閥由電動執行機構和調節閥組成。通過接收自動控制系統的信號,驅動閥改變閥芯與閥座之間的截面積,控制管道介質的流量、溫度、壓力等工藝參數,實現自動調節功能。

                      當每個換熱站的流量確定后,通過分析得到閥門的相對開度,傳感器將信號傳輸到每個換熱站調節閥的電動執行單元,動執行指令,自動調節閥芯行程,改變閥芯與閥座的斷面積,最終將管段流量調節到所需的理想流量。

                      五、管網電動調節閥集中控制策略

                      對于已知的供熱管網(一級管網)系統,如圖1所示,每個換熱站并聯,每個換熱站入口設有電動調節閥。在運行過程中,每個管段的阻抗和設備阻抗是固定的,只有調節閥通過調節開度來改變阻力特性。在實際運行中,由于終端供熱用戶的供熱調節,二次管網側的流量和供回水溫度發生了變化。二次管網側的流量調節是通過二次管網側的變頻泵實現的,以確保二次管網側的供回水壓差不變。同時,由于熱負荷的減小或增加,二次管網側的工作溫度和供回水溫差會相應減小或增加。此時,需要改變一次管網側的供熱量,以確保二次管網側的供水溫度和供回水溫差不變。一次管網側的調節可以是集中調節和個體調節相結合,包括集中質量調節和流量調節。個體調節主要是一次管網側的開度,從而不改變各換熱站的運行角度,從而導致各換熱站的變化。

                      本文提出了電動調節閥與智能控制平臺相結合的有序調節方法,根據節點流量平衡方程和電路壓力平衡方程的基本特點,實現各換熱站電動調節閥的有序調節方法,即供熱管網電動調節閥集中控制的運行調節。調整策略的調整過程如下:

                      (1)第一個應用智能平臺,通過反饋二次網側的流量Qi供回水溫差Δti分析確定各換熱站一次網側的供熱量;分析是否進行集中質量調整,最獲得換熱站一級管網側的調整流量,確定管網所需的總流量;

                      (2)分析了管網循環水泵的揚程和換熱站一級管網側調節閥的開度。調節閥開度變化的目的是改變加熱量,確保二次管網側的加熱調節要求。由于閥門開度的變化,它會導致管網總阻抗的變化,即管網的阻力特性。如圖2所示,如果關閉較小,即總阻抗增加,管網特性曲線將從1曲線移位到2曲線。這種變化會導致循環水泵揚程的變化。如果所選循環水泵的性能曲線相對平坦,則忽略由此引起的揚程變化;否則,泵揚程應通過試算確定,閥門開度最終確定,總揚程應在管網系統總阻抗已知條件下確定。因此,兩者相互影響和依賴;

                      圖2 一級管網水泵工作點示意圖

                      (3)一級管網側調節閥開度的確定原理,如圖1所示。因為管道中唯一能改變阻抗的是調節閥和變頻泵。對于換熱站,由于管道和換熱器的阻抗不變,它們的阻力損失可以在新的流量需求下直接得到。因此,只要知道循環泵的揚程,每個換熱站調節閥兩端的壓降都可以通過節點流量平衡方程(型1)和電路壓力平衡方程(型2)來獲得。ΔP。然后,知道各調節閥的壓降ΔP和流量Q之后,各換熱站一級管網側電動調節閥的相對開度可通過上述分析的閥門流量特性關系類型(見表1)確定。最后,通過自動調節控制系統,調節閥芯行程,調節管網流量,調節換熱站一級管網側的供熱,滿足二級管網側的熱負荷要求。

                      這種調節方法是在滿足節點流量平衡方程和電路壓力平衡方程管道的基本特性的條件下進行的,實現了各換熱站電動調節閥的同時運動,不再相互影響,將各換熱站的流量一次調節到所需的理想流量,同時也保證了整個系統的水力和熱平衡,避免了各換熱站之間的混亂和相互影響。

                      六、智能平臺程序框圖

                      供熱管網電動調節閥集中控制的運行調節的分析計算及反饋執行命令,是通過MATLAB該軟件被稱為智能控制平臺,其程序框圖如圖3所示。

                      圖3

                      七、結論

                      實際運行的供熱管網系統是一個非常復雜的網絡。系統中任何閥門開度的變化都會導致流量的變化,導致熱交換站之間流量的重新分配。如果不學控制和調整,必然會導致水力失衡,人們很難主觀判斷這種變化趨勢。MATLAB軟件作為一個智能平臺,結合電動調節閥對管網進行集中調節和控制。從整個管網系統出發,各電動調節閥同時移動,一步調節到位,快速準確,提高了供熱管網系統的整體運行效果。

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