城市供熱管網(wǎng)電動(dòng)調節閥集中控制的運行調節

　　本文依據供熱管網(wǎng)水力特性理論，借助MATLAB軟件，實(shí)現對各換熱站一級管網(wǎng)側電動(dòng)調節閥的統一控制，從而解決運行中管網(wǎng)系統的水力、熱力失調問(wèn)題，保證一、二級管網(wǎng)間各換熱站的供熱需求。

一、引言

　　城市供熱管網(wǎng)系統是由多個(gè)串并聯(lián)管段組成的管路系統，是城市集中供熱系統的重要組成部分。為滿(mǎn)足各熱用戶(hù)個(gè)性化供暖需求，實(shí)現系統的節能降耗，分戶(hù)計量控制供暖系統形式正在逐步推廣。由于采暖用戶(hù)的自主調節，連接系統一、二級管網(wǎng)的換熱站應隨著(zhù)用戶(hù)末端進(jìn)行調節。首先是在二級管網(wǎng)側通過(guò)循環(huán)水泵的變頻，來(lái)保證二級管網(wǎng)某處的供、回水壓差不變，目的是穩定因末端用戶(hù)用熱的改變而對管網(wǎng)水力工況的影響，然后，改變一級管網(wǎng)側的供熱參數來(lái)確保二級管網(wǎng)側的供水溫度、及供回水溫差的穩定。在這一過(guò)程中，一級管網(wǎng)側實(shí)際上是按照二級管網(wǎng)側所需的供熱量在進(jìn)行被動(dòng)調節。然而，管網(wǎng)系統中各管路水力工況相互影響，系統中任何一個(gè)調節裝置的工作參數發(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。當各換熱站一級管網(wǎng)側均因二級管網(wǎng)側負荷的改變而各自進(jìn)行被動(dòng)調節時(shí)，由于各換熱站管路間水力工況相互影響，就必然會(huì )導致系統水力、熱力失調，影響供熱效果。因此，為了提高供熱管網(wǎng)整體的運行調節與控制水平，減小水力、熱力失調，保證供熱穩定性，必須將換熱站一級管網(wǎng)各自的被動(dòng)調節進(jìn)行統一管理和控制。

　　本文提出一種在配合一、二級管網(wǎng)間動(dòng)態(tài)調節的同時(shí)，采用電動(dòng)調節閥集中控制的方法，即在供熱管網(wǎng)水力特性理論的基礎上，利用MATLAB軟件智能平臺，對供熱管網(wǎng)的運行調節與控制進(jìn)行模擬計算，輸出信號，利用一級管網(wǎng)側電動(dòng)調節閥對管網(wǎng)各個(gè)換熱站進(jìn)行集中控制與調節。這種方法不僅從管網(wǎng)系統整體平衡角度出發(fā)調節各換熱站的流量以實(shí)現各熱用戶(hù)(換熱站二次網(wǎng)側)的用熱需求，而且整體調節一步到位，迅速準確，大大提高了供熱管網(wǎng)系統整體運行效果。

二、供熱管網(wǎng)水力特性基本公式

　　1、節點(diǎn)流量平衡方程

　　根據質(zhì)量守恒原理，在管網(wǎng)恒定流動(dòng)過(guò)程中，與任一節點(diǎn)關(guān)聯(lián)的所有分支的流量，其代數和等于該點(diǎn)的節點(diǎn)流量，其計算式為：

　　式中bij為流動(dòng)方向的符號函數;bij=1表示i節點(diǎn)為j分支的端點(diǎn)且qj流出該節點(diǎn);bij=-1表示i節點(diǎn)為j分支的端點(diǎn)且qj流向該節點(diǎn);bij=0表示i節點(diǎn)不是j分支的端點(diǎn);Qj為j分支的流量;qi為i節點(diǎn)的節點(diǎn)流量，qi的符號按照流入節點(diǎn)為正好，流出節點(diǎn)為負號。

　　2、回路壓力平衡方程

　　根據能量守恒原理，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和為零。對于回路i，其計算式為：

　　式中cij為分支流動(dòng)方向的符號函數;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;Hj為在j分支輸入的全壓動(dòng)力，一般取所在分支方向為動(dòng)力作用方向，恒為正;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)路同向為正，逆向為負。

三、泵的性能特性曲線(xiàn)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，用計算機模擬計算熱水網(wǎng)絡(luò )時(shí)，水泵性能特性曲線(xiàn)需用代數方程進(jìn)行描述。水泵的揚程與流量的關(guān)系由下列多項式表示：

　　式中C1，C2，C3，…Cn為泵的揚程——流量性能曲線(xiàn)數學(xué)表達式系數;

　　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就可以達到較高的精度。為得到上述方程，需在水泵性能特性曲線(xiàn)上取三點(diǎn)進(jìn)行擬合。

　　當管網(wǎng)的流量Q因負荷變化而需作相應調節時(shí)，由傳感器將信號傳遞給變頻泵，通過(guò)改變泵的頻率來(lái)實(shí)現泵轉速的相應改變，從而達到調節與控制目的。

四、電動(dòng)調節閥流量的調節與自動(dòng)控制

　　調節閥是供熱管網(wǎng)系統中重要的調節裝置，能對管網(wǎng)系統中各管段的流量進(jìn)行調節與控制。在實(shí)際運行的供熱管網(wǎng)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)具有更好的流量調節及控制能力，能夠確定調節閥在任意相對開(kāi)度下的流量計算關(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)了研究調節閥內部復雜結構，而是根據調節閥的流量特性，運用數學(xué)方法推導出相對開(kāi)度、流量、壓力之間的關(guān)系式。

　　1、調節閥流量計算基本公式

　　從流體力學(xué)的觀(guān)點(diǎn)看，調節閥是一個(gè)局部阻力可以變化的節流元件。對于不可壓縮流體，其計算公式為：

　　式中 Q——調節閥接管內流體流量，m3/h;F——調節閥接管截面積，cm2;ξ——調節閥阻力系數，隨調節閥的開(kāi)度而變;ΔP——調節閥前后壓力降，MPa;ρ——流體密度，kg/m3。

　　2、調節閥流通能力

　　調節閥的流通能力是調節閥的重要參數指標，它反映了流體通過(guò)調節閥的能力大小。目前國產(chǎn)調節閥的流通能力計算條件和單位是當調節閥全開(kāi)時(shí)，閥兩端壓差為105Pa，流體密度為1g/cm3，每小時(shí)流經(jīng)調節閥的流量，流量單位為m3/h，接管面積以cm2作單位。其計算式為

　　因此，如果確定流通能力C與相對開(kāi)度之間的關(guān)系，就得到了相對開(kāi)度與流量Q和ΔP的關(guān)系。

　　3、調節閥的流量計算

　　調節閥的流量特性有直線(xiàn)流量特性、等百分比流量特性、快開(kāi)流量特性和拋物線(xiàn)流量特性，現在以等百分比流量特性調節閥為例，運用數學(xué)的推導方法得出相對開(kāi)度、流量和壓力之間的關(guān)系式。等百分比調節閥在不可壓縮流體時(shí)的數學(xué)表達式為：

　　式中Q，Qmax為調節閥行程為l，lmax時(shí)的標準狀態(tài)流量，m3/h;

　　l，lmax為調節閥在某一開(kāi)度、全開(kāi)時(shí)的行程，mm;

　　h為比例系數

　　邊界條件為：

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

　　對式(7)兩邊積分并帶入邊界條件可得：

　　將式(8)再結合式(6)，可得：

　　式中CL，Cmax，Cmin分別為在ΔP一定，相對開(kāi)度為L(cháng)，最小相對開(kāi)度，最大相對開(kāi)度時(shí)調節閥的流通能力。

　　由式(10)便得到等百分比特性調節閥相對開(kāi)度L與流量Q，壓力ΔP的數學(xué)關(guān)系式。也做過(guò)相似的推導，并將數學(xué)推導出的算法計算出的實(shí)際流量與調節閥實(shí)際運行情況下的實(shí)測流量進(jìn)行對比，結論是：相差很小，誤差在8%以?xún)�，均在工程允許誤差范圍之內。故采用此算法可行，且對于調節閥的自動(dòng)調節與控制提供了很便利的控制與調節技術(shù)措施。

　　同理，可以推導出直線(xiàn)特性、快開(kāi)特性和拋物線(xiàn)特性調節閥的計算公式，現將各類(lèi)特性的調節閥的計算公式列于表1：

　　表1 調節閥相對開(kāi)度L、流量Q與壓力ΔP之間的計算公式

　　從上表可知，要得出調節閥相對開(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、最小相對開(kāi)度下的流通能力確定。

　　4、電動(dòng)調節閥的自動(dòng)調節與控制

　　電動(dòng)調節閥是自動(dòng)化過(guò)程控制中的重要執行單元儀表，由電動(dòng)執行機構和調節閥連接組合后經(jīng)過(guò)機械連接裝配、調試安裝構成電動(dòng)調節閥，通過(guò)接收自動(dòng)化控制系統的信號來(lái)驅動(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，實(shí)現自動(dòng)化調節功能。

　　當各換熱站的流量確定后，通過(guò)分析得到閥門(mén)的相對開(kāi)度，由傳感器將信號傳遞給各換熱站調節閥電動(dòng)執行單元，執行器再發(fā)動(dòng)執行指令，自動(dòng)調節閥門(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節到所需的“理想”流量。

五、管網(wǎng)電動(dòng)調節閥集中控制策略

　　對于一個(gè)已知的供熱管網(wǎng)(一級管網(wǎng))系統而言，如圖1所示，各換熱站相互并聯(lián)，在各換熱站入口設有電動(dòng)調節閥。在運行中，各管段阻抗和設備阻抗是固定不變的，只有調節閥通過(guò)調節開(kāi)度而改變阻力特性。在實(shí)際運行中，由于末端供暖用戶(hù)供暖調節引起二級管網(wǎng)側流量和供回水溫度的改變。二級管網(wǎng)側的流量調節是通過(guò)二級管網(wǎng)的變頻泵實(shí)現的，來(lái)保證管網(wǎng)的某處的供回水壓差不變，與此同時(shí)，二級管網(wǎng)側的工作溫度和供回水溫差會(huì )因為用熱負荷的減小或增大而相應的減小或增大，這時(shí)，需要通過(guò)改變一級管網(wǎng)側的供熱量來(lái)保證二級管網(wǎng)側的供水溫度和供回水溫差的不變。一級管網(wǎng)側的調節可以是集中調節和個(gè)體調節相結合，集中調節包括集中質(zhì)調節和流量調節，個(gè)體調節主要是一級管網(wǎng)側閥門(mén)開(kāi)度的調節，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)現對各換熱站流量的調節，則管網(wǎng)的整個(gè)運行調節將成為無(wú)序不穩定的工況，會(huì )出現水力失調和熱力失調現象，嚴重影響供熱質(zhì)量，并將造成供熱效率下降。

　　本文提出應用電動(dòng)調節閥、智能控制平臺相結合，根據節點(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)現各換熱站電動(dòng)調節閥一次調節到位的有序調節方法，即供熱管網(wǎng)電動(dòng)調節閥集中控制的運行調節，該調節策略的調節過(guò)程如下：

　　(1)首先是應用智能平臺，通過(guò)對二次網(wǎng)側反饋回來(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)側的供熱量;分析是否進(jìn)行集中質(zhì)量調節等，最后得到各換熱站一級管網(wǎng)側的調節流量，從而確定管網(wǎng)的所需總流量;

　　(2)分析得到管網(wǎng)循環(huán)水泵的揚程和各換熱站一級管網(wǎng)側調節閥的開(kāi)度。調節閥開(kāi)度改變的目的是改變供熱量，保證二級管網(wǎng)側的供暖調節要求。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(xiàn)會(huì )由1曲線(xiàn)，移位到2曲線(xiàn)。這個(gè)改變會(huì )引起循環(huán)水泵揚程的改變。如果選用的循環(huán)水泵的性能曲線(xiàn)比較平坦，則忽略由此引起的揚程的改變;否則應通過(guò)試算的方法來(lái)確定泵的揚程，并最終確定閥門(mén)的開(kāi)度，而總揚程的確定要在管網(wǎng)系統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);

圖2 一級管網(wǎng)水泵的工作點(diǎn)示意圖

　　(3)一級管網(wǎng)側調節閥開(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節閥和變頻泵。對某個(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)水泵的揚程，通過(guò)節點(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節閥兩端的壓降ΔP。那么，在知道各調節閥的壓降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管網(wǎng)側電動(dòng)調節閥的相對開(kāi)度。最后借助自動(dòng)調節與控制系統，調節閥門(mén)閥芯行程，實(shí)現對管網(wǎng)的流量調節，從而調節換熱站一級管網(wǎng)側的供熱量來(lái)滿(mǎn)足二級管網(wǎng)側的熱負荷要求。

　　這種調節方法，是在滿(mǎn)足節點(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)現了各換熱站電動(dòng)調節閥同時(shí)動(dòng)作，相互不再影響，將各換熱站的流量一次性調節至所需的“理想”流量，同時(shí)也保證了整個(gè)系統的水力與熱力平衡，避免了各換熱站之間無(wú)序且又相互影響的調節。

六、智能平臺程序框圖

　　供熱管網(wǎng)電動(dòng)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(guò)MATLAB軟件實(shí)現的，稱(chēng)為智能控制平臺，其程序框圖如圖3所示。

圖3 智能控制平臺程序框圖

七、結論

　　實(shí)際運行的供熱管網(wǎng)系統是一個(gè)十分復雜的網(wǎng)路，系統中任何一處閥門(mén)開(kāi)度的改變，都會(huì )導致流量發(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)控制與調節，必然會(huì )引起水力失調，而且人們很難從主觀(guān)上判斷這種變化趨勢。運用MATLAB軟件作為智能平臺，再結合電動(dòng)調節閥來(lái)對管網(wǎng)進(jìn)行集中調節與控制，從管網(wǎng)整體系統出發(fā)，各電動(dòng)調節閥同時(shí)動(dòng)作，實(shí)現調節一步到位，迅速準確，提高了供熱管網(wǎng)系統整體運行效果。