城市供热管网电动调节阀集中控制运行调节

一、引言

城市供热管网系统是由多串并联管段组成的管道系统，是城市集中供热系统的重要组成部分。为了满足各热用户的个性化供热需求，实现系统的节能降耗，家庭计量控制供热系统的形式正在逐步推广。由于供热用户的独立调整，连接系统一、二级管网的换热站应随用户终端进行调整。首先，通过循环水泵的变频，确保二级管网的供回压差不变，目的是稳定终端用户热量变化对管网水力条件的影响，然后改变一级管网侧的供热参数，确保二级管网侧的供水温度和供回水温差的稳定。在此过程中，一级管网侧实际上是根据二级管网侧所需的供热量进行被动调整。但是，管网系统中各管道的水力条件相互影响，系统中任何调节装置的工作参数发生变化，不可避免地会导致换热站（换热站）之间的被动调节，从而降低换热站之间的整体水力。因此，由于换热管网侧的变化，必然会影响换热管网的变化。

本文提出了一种电动调节阀集中控制的方法，即在加热管网水力特性理论的基础上使用MATLAB软件智能平台模拟计算加热管网的运行调节和控制，输出信号，利用一级管网侧电动调节阀集中控制和调节管网各换热站。该方法不仅从管网系统整体平衡的角度调节换热站的流量，实现换热站用户（换热站二次网侧）的热需求，而且整体调节一步到位，快速准确，大大提高了加热管网系统的整体运行效果。

二、供热管网水力特性基本公式

1.节点流量平衡方程

根据质量守恒原理，在管网恒定流动过程中，与任何节点相关的所有分支的流量代数和等于节点的节点流量为：

   （1）

式中b_ij符号函数为流动方向；

b_ij=1表示i节点为j分支的端点且q_j节点流出；

b_ij=-1表示i节点为j分支的端点和q_j流向节点；

b_ij=0表示i节点不是j分支的端点；

Q_j为j分支流量；

q_i为i节点节点流量，q_i符号按流入节点正好，流出节点为负号。

2.电路压力平衡方程

根据能量守恒原理，在管网恒定流动过程中，任意回路中沿回路方向，各个分支管段压降的代数和为零。对于回路i，计算公式如下：

   （2）

式中c_ij符号函数为分支流动方向；

c_ij=1表示j分支包括在i并与回路同向；

c_ij=-1表示j分支包括在i并与回路反向；

c_ij=0表示j分支不包括在内i回路中；

ΔP_j为j如果阻力损失使压力沿分支方向降低，则分支的阻力损失为正，反之亦然；

H_j为在j分支输入的全压动力一般以分支方向为动力方向，恒为正；

P_Gi形成重力作用i流动阻力、流动阻力、流动阻力I与环路同向为正，逆向为负。

三、拟合和自动控制泵的性能特性曲线

水泵是管网中最常见的全压动力源。在计算机模拟热水网络时，需要用代数方程描述水泵的性能特性曲线。水泵扬程与流量的关系如下：

   （3）

式中C₁，C₂，C₃，…C_n数学表达系数是泵的扬程-流量性能曲线；

上式n一般情况下，取值会影响上述方程描述水泵的精度n=3可以达到更高的精度。为了获得上述方程，需要在泵的性能特性曲线上提取三点进行拟合。

当管网流量Q当负载变化需要相应调整时，传感器将信号传输到变频泵，通过改变泵的频率来实现泵速度的相应变化，从而达到调整和控制的目的。

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四、电动调节阀流量的调节与自动控制

调节阀是加热管网系统中重要的调节装置，可以调节和控制管网系统中各管段的流量。在实际加热管网系统中，调节阀的流量调节特性受到调节阀自身结构因素、调节阀固有流量特性和管道阻力特性的影响。为了使管网具有更好的流量调节和控制能力，在任何相对开度下确定调节阀的流量计算关系是非常重要的。本文采用了一种工程近似算法，避免了调节阀内部复杂结构的研究，而是利用数学方法推断出相对开度、流量和压力之间的关系。

1.调节阀流量计算基本公式

从流体力学的角度来看，调节阀是一种局部阻力可以改变的节流元件。不可压缩流体的计算公式为：

   （4）

式中 Q——调节阀接管内的流体流量，m³/h；

F——调节阀接管截面积，cm²；

ξ——调节阀的阻力系数随调节阀的开度而变化；

ΔP——调节阀前后压降，MPa；

ρ——流体密度，kg/m³。

2.调节阀门的循环能力

调节阀的循环能力是调节阀的重要参数指标，反映了通过调节阀的流体的能力。目前，国内调节阀的循环能力计算条件和单位为10⁵Pa，流体密度为1g/cm³，每小时流经调节阀的流量，流量单位为m³/h，接管面积以cm²作为单位。计算式为

   （5）

因此，如果确定了流通能力C与相对开度的关系得到了相对开度和流量Q和ΔP的关系。

3.计算调节阀的流量

调节阀的流量特性包括直线流量特性、等百分比流量特性、快速打开流量特性和抛物线流量特性。现在以等百分比流量特性调节阀为例，采用数学推导方法获得相对开度、流量和压力之间的关系。当不压缩流体时，等百分比调节阀的数学表达式为：

   （7）

式中Q，Q_max为调节阀行程l，l_max标准状态流量，m³/h；

l，l_max调节阀在一定开度、全开时的行程，mm；

h为比例系数

相对开度；

边界条件如下：

l≈0时，L=0，Q=Q_min；l=l_max时，L=1，Q=Q_max；

可以获得对式(7)两侧积分并带入边界条件:

   （8）

将式(8)再结合式(6)可得：

   （9）

式中CL，Cmax，Cmin分别为在ΔP一定，相对开度为L，最小相对开度，最大相对开度时调节阀的循环能力。

令k₀=Cmax；结合式(9)带入式(6)中得，

   （10）

等百分比特性调节阀相对开度L与流量Q，压力ΔP数学关系类型。也做了类似的推导，将数学推导算法计算的实际流量与调节阀实际运行时的实测流量进行了比较。结论是，差异很小，误差在8%以内，均在工程允许误差范围内。因此，该算法是可行的，为调节阀的自动调节和控制提供了方便的控制和调节技术措施。

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同样，可以推导出直线特性、快速开启特性和抛物线特性调节阀的计算公式，现将各种特性调节阀的计算公式列入表1：

表1 调节阀相对开度L、流量Q与压力ΔP之间的计算公式

从上表可以看出调节阀的相对开度L、流量Q与压力ΔP之间的关系类型需要提出k₀和k，而k₀和k阀门样本提供的最大流通能力和相对开度下的最小流通能力。

4.自动调节和控制电动调节阀

电动调节阀是自动化过程控制中的重要执行单元仪表。电动调节阀由电动执行机构和调节阀组成。通过接收自动控制系统的信号，驱动阀改变阀芯与阀座之间的截面积，控制管道介质的流量、温度、压力等工艺参数，实现自动调节功能。

当每个换热站的流量确定后，通过分析得到阀门的相对开度，传感器将信号传输到每个换热站调节阀的电动执行单元，动执行指令，自动调节阀芯行程，改变阀芯与阀座的断面积，最终将管段流量调节到所需的理想流量。

五、管网电动调节阀集中控制策略

对于已知的供热管网（一级管网）系统，如图1所示，每个换热站并联，每个换热站入口设有电动调节阀。在运行过程中，每个管段的阻抗和设备阻抗是固定的，只有调节阀通过调节开度来改变阻力特性。在实际运行中，由于终端供热用户的供热调节，二次管网侧的流量和供回水温度发生了变化。二次管网侧的流量调节是通过二次管网侧的变频泵实现的，以确保二次管网侧的供回水压差不变。同时，由于热负荷的减小或增加，二次管网侧的工作温度和供回水温差会相应减小或增加。此时，需要改变一次管网侧的供热量，以确保二次管网侧的供水温度和供回水温差不变。一次管网侧的调节可以是集中调节和个体调节相结合，包括集中质量调节和流量调节。个体调节主要是一次管网侧的开度，从而不改变各换热站的运行角度，从而导致各换热站的变化。

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本文提出了电动调节阀与智能控制平台相结合的有序调节方法，根据节点流量平衡方程和电路压力平衡方程的基本特点，实现各换热站电动调节阀的有序调节方法，即供热管网电动调节阀集中控制的运行调节。调整策略的调整过程如下：

(1)第一个应用智能平台，通过反馈二次网侧的流量Q_i供回水温差Δt_i分析确定各换热站一次网侧的供热量；分析是否进行集中质量调整，最获得换热站一级管网侧的调整流量，确定管网所需的总流量；

（2）分析了管网循环水泵的扬程和换热站一级管网侧调节阀的开度。调节阀开度变化的目的是改变加热量，确保二次管网侧的加热调节要求。由于阀门开度的变化，它会导致管网总阻抗的变化，即管网的阻力特性。如图2所示，如果关闭较小，即总阻抗增加，管网特性曲线将从1曲线移位到2曲线。这种变化会导致循环水泵扬程的变化。如果所选循环水泵的性能曲线相对平坦，则忽略由此引起的扬程变化；否则，泵扬程应通过试算确定，阀门开度最终确定，总扬程应在管网系统总阻抗已知条件下确定。因此，两者相互影响和依赖；

图2 一级管网水泵工作点示意图

（3）一级管网侧调节阀开度的确定原理，管网如图1所示。由于管路中唯一可以改变阻抗的是调节阀和变频泵。对某个换热站而言，由于管路和换热器的阻抗不变，在一个新的流量需求下，直接可以得到他们的阻力损失。因此，只要知道循环水泵的扬程，通过节点流量平衡方程（式1）和回路压力平衡方程（式2）便可得到各换热站处调节阀两端的压降ΔP。然后，知道各调节阀的压降ΔP和流量Q之后，各换热站一级管网侧电动调节阀的相对开度可通过上述分析的阀门流量特性关系类型（见表1）确定。最后，通过自动调节控制系统，调节阀芯行程，调节管网流量，调节换热站一级管网侧的供热，满足二级管网侧的热负荷要求。

这种调节方法是在满足节点流量平衡方程和电路压力平衡方程管道的基本特性的条件下进行的，实现了各换热站电动调节阀的同时运动，不再相互影响，将各换热站的流量一次调节到所需的理想流量，同时也保证了整个系统的水力和热平衡，避免了各换热站之间的混乱和相互影响。

六、智能平台程序框图

通过对供热管网电动调节阀集中控制运行调节的分析计算和反馈执行命令MATLAB该软件被称为智能控制平台，其程序框图如图3所示。

图3

七、结论

实际运行的供热管网系统是一个非常复杂的网络。系统中任何阀门开度的变化都会导致流量的变化，导致热交换站之间流量的重新分配。如果不学控制和调整，必然会导致水力失衡，人们很难主观判断这种变化趋势。MATLAB软件作为一个智能平台，结合电动调节阀对管网进行集中调节和控制。从整个管网系统出发，各电动调节阀同时移动，一步调节到位，快速准确，提高了供热管网系统的整体运行效果。