CN113819505A - 一种解决供热管网水力失调的控制系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种解决供热管网水力失调的控制系统及其控制方法，其控制系统包括包括室外供水管道、室外回水管道、楼梯间供水立管、楼梯间回水立管，室外供水管道与多个单元热力入口供水支路连通，室外回水管道与多个单元热力入口回水支路连通，单元热力入口供水支路、单元热力入口回水支路上设置有采集用的采集装置，采集装置将采集信号发送到控制系统中；控制方法，包括以下步骤：汇总管网相关参数；数据转换及输送；设定单元温度平衡值；确定单元回水温度波动范围；调控单元阀门。本发明通过水力平衡调控及用户回水温度的控制使室内温度控制精度达到1.0，使水力失调度在5%以内，稳定的室内温度还有助于提高室内热舒适度，提高热用户生活水平。
Description
技术领域
本发明属于供热管网调节控制技术领域，具体涉及一种解决供热管 网水力失调的控制系统及其控制方法。
背景技术
当前在城镇供热二次网系统中,对管网的智能调节与平衡控制是整 个系统设计的核心部分，控制的好坏将对整个供热系统的电耗和热耗性 能产生很大的影响。
从目前运行系统来看，大部分供热系统存在供热管网的水力失调及 热量供应与热负荷需求不匹配等问题，一般在热网末端缺乏有效调节手 段的情况下，不同用户的水力失调导致的室内温度冷热不均，同时为维 持室内温度较低用户的供热质量，采用提高热源输出热量，造成过量供 暖的整体过热损失的问题。另外供热系统热源未能随负荷变化及室外气 候变化没有及时有效地调整供热量，导致整个供热系统部分时间段整体 过热，从而造成能量的大量消耗。因此必须将管网流量控制在一个合理 的范围内,这样既能满足热用户需求,还能使整个供热系统更加节能降 耗。
供热二次网系统中存在较强的热惯性，传热过程时间常数偏大，所 以传统的温度调节手段并不能提供对被控对象的精准控制。同时由于供 热系统通常采用枝状管网，管网特征引起了供热系统的水力失调。
发明内容
本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种解决 供热管网水力失调的控制系统及其控制方法。
本发明的技术方案是：一种解决供热管网水力失调的控制系统，包 括单元热力入口装置和对其进行控制的控制系统，所述单元热力入口装 置包括室外供水管道、室外回水管道，所述室外供水管道与多个单元热 力入口供水支路连通，所述单元热力入口供水支路与楼梯间供水立管连 通，所述室外回水管道与多个单元热力入口回水支路连通，所述单元热 力入口回水支路与楼梯间回水立管连通，所述单元热力入口供水支路、 单元热力入口回水支路上设置有对温度和压力进行采集的采集装置，所 述采集装置将采集信号发送到控制系统中。
更进一步的，所述采集装置包括温度传感器，所述温度传感器设置 在单元热力入口回水支路中。
更进一步的，所述采集装置包括压力传感器，所述压力传感器分别 设置在单元热力入口供水支路、单元热力入口回水支路中。
更进一步的，所述单元热力入口供水支路、单元热力入口回水支路 中还设置有控制用的球阀、泄水用的泄水球阀。
更进一步的，所述单元热力入口供水支路中设置有对进水进行过滤 的过滤器。
更进一步的，所述单元热力入口回水支路中设置有电动调节阀。
更进一步的，所述控制系统包括接收温度传感器、压力传感器信号 并对电动调节阀进行控制的控制器，所述控制器设置在各个楼栋的就地 控制柜中，所述就地控制柜中还设置有对室外环境进行数据采集的室外 温度采集器。
更进一步的，所述控制器、室外温度采集器的采集数据打包通过网 络中心上传到远程控制中心，所述远程控制中心通过SCADA系统进行 显示。
一种解决供热管网水力失调的控制系统的控制方法，包括以下步 骤：
ⅰ.汇总管网相关参数
利用温度传感器测量各单元热力入口回水支路的回水温度TH；
利用压力传感器测量单元热力入口供水支路、单元热力入口回水支 路处的供水压力和回水压力PG、PH；
实时监测电动调节阀的阀门开合度；
将上述检测信号共同传送到对应的控制器中；
ⅱ.数据转换及输送
控制器中的模拟量输入输出模块进行DA数据转换，同时，控制器 中的CPU模块计算供回水压差PL＝PG-PH，将汇总到的相应管网参数信 号输送至远程控制中心；
ⅲ.设定单元温度平衡值
室外温度采集器实时采集当前小区室外环境温度，汇集典型热用户 室内温度，将温度信号上传至远程控制中心的SCADA系统，SCADA 系统系统结合换热站数据下发出各个单元温度设定平衡值To到各台控制 器中；
ⅳ.确定单元回水温度波动范围
预设定回水温度波动范围ε，计算各单元当前回水温度与温度平衡 设定值之差确定温度波动范围ΔTi＝TH-To。
ⅴ.调控单元阀门
对各台控制器进行串级控制，调节电动调节阀的开合度。
更进一步的，所述控制器为PLC控制器。
本发明的有益效果如下：
本发明在传统单元入口装置中增加合理测点及电动调节阀，无需改 变或删减原有装置，大大降低管网改造难度，最大限度减少资源浪费， 针对热网的节能改造具有一定的指导意义。
本发明提出一套准确、科学的基于单元控制的水力平衡方法，通过 水力平衡调控及用户回水温度的控制使室内温度控制精度达到1.0，使 水力失调度在5％以内，稳定的室内温度还有助于提高室内热舒适度， 提高热用户生活水平。
本发明基于智能硬件的搭建，最终各个单元均在新型控制算法下进 行单元水力平衡调整，使各个单元间进行有效的水力平衡调整，最终使 单元各户室温恒定。很好的弥补了传统热网调控的局限性，不仅节省人 力，还能取得更好的控制效果。
本发明应用均匀控制思想对相关控制参数进一步调整，由于各单元 支路存在一定动态扰动情况，对二次网系统的稳定性及阀门使用寿命方 面不利，而观察本发明得到的系统响应曲线即可较好的消除干扰影响， 增强了管网系统自适应能力。
本发明借助串级控制系统实现稳压调温的控制策略，使得回水温 度的变化更加精准反映出热用户的室内温度，调整后使热网稳定,解 决热用户“近热远冷”的现象问题,节省传统加大热源运行方案带来 的电能与热能的浪费。
附图说明
图1是本发明中单元热力入口装置的连接示意图；
图2是本发明中控制系统的整体架构图；
其中：
1 室外供水管道 2 室外回水管道
3 楼梯间供水立管 4 楼梯间回水立管
5 球阀 6 过滤器
7 泄水球阀 8 温度传感器
9 压力传感器 10 电动调节阀
11 单元热力入口供水支路 12 单元热力入口回水支路
13 控制器 14 就地控制柜
15 网络中心 16 远程控制中心
17 SCADA系统 18 室外温度采集器。
具体实施方式
以下，参照附图和实施例对本发明进行详细说明：
如图1～2所示，一种解决供热管网水力失调的控制系统，包括单元 热力入口装置和对其进行控制的控制系统，所述单元热力入口装置包括 室外供水管道1、室外回水管道2，所述室外供水管道1与多个单元热 力入口供水支路11连通，所述单元热力入口供水支路11与楼梯间供水 立管3连通，所述室外回水管道2与多个单元热力入口回水支路12连 通，所述单元热力入口回水支路12与楼梯间回水立管4连通，所述单 元热力入口供水支路11、单元热力入口回水支路12上设置有对温度和 压力进行采集的采集装置，所述采集装置将采集信号发送到控制系统 中。
所述采集装置包括温度传感器8，所述温度传感器8设置在单元热 力入口回水支路12中。
所述采集装置包括压力传感器9，所述压力传感器9分别设置在单 元热力入口供水支路11、单元热力入口回水支路12中。
所述单元热力入口供水支路11、单元热力入口回水支路12中还设 置有控制用的球阀5、泄水用的泄水球阀7。
所述单元热力入口供水支路11中设置有对进水进行过滤的过滤器 6。
所述单元热力入口回水支路12中设置有电动调节阀10。
所述控制系统包括接收温度传感器8、压力传感器9信号并对电动 调节阀10进行控制的控制器13，所述控制器13设置在各个楼栋的就地 控制柜14中，所述就地控制柜14中还设置有对室外环境进行数据采集 的室外温度采集器18。
所述控制器13、室外温度采集器18的采集数据打包通过网络中心 15上传到远程控制中心16，所述远程控制中心16通过SCADA系统17 进行显示。
所述控制器13安装于各个楼栋的控制柜14中，以楼栋号为参考， 对控制器13进行编号：1，2，……，n；所述控制柜14中包含对应控 制器13、变压器及电源等设备。
所述n号控制器与室外温度采集器18相连，实时测量当前小区的 室外环境温度。
所述各台控制器13包括CPU模块、模拟量输入输出模块、PID模 块、通讯模块。
所述各个楼栋PLC控制器13收集到的各单元热力入口处的温度、 压力信号及网络中心15汇集到的典型热用户室内温度信号皆上传至远 程控制中心16的SCADA系统18中进行显示。
一种解决供热管网水力失调的控制系统的控制方法，包括以下步 骤：
ⅰ.汇总管网相关参数
利用温度传感器8测量各单元热力入口回水支路12的回水温度TH；
利用压力传感器9测量单元热力入口供水支路11、单元热力入口回 水支路12处的供水压力和回水压力PG、PH；
实时监测电动调节阀10的阀门开合度；
将上述检测信号共同传送到对应的控制器13中；
ⅱ.数据转换及输送
控制器13中的模拟量输入输出模块进行DA数据转换，同时，控制 器13中的CPU模块计算供回水压差PL＝PG-PH，将汇总到的相应管网参 数信号输送至远程控制中心16；
ⅲ.设定单元温度平衡值
室外温度采集器18实时采集当前小区室外环境温度，汇集典型热 用户室内温度，将温度信号上传至远程控制中心16的SCADA系统17， SCADA系统17系统结合换热站数据下发出各个单元温度设定平衡值To到各台控制器13中；
ⅳ.确定单元回水温度波动范围
预设定回水温度波动范围ε，计算各单元当前回水温度与温度平衡 设定值之差确定温度波动范围ΔTi＝TH-To。
ⅴ.调控单元阀门
对各台控制器13进行串级控制，调节电动调节阀10的开合度。
所述控制器13为PLC控制器。
所述调控单元阀门的具体过程如下：
对各单元温度波动范围进行判定
对比是否各单元温度波动范围|ΔTi|＜ε，若各单元温度波动范围 |ΔTi|＜ε则各单元阀门开度不变；
若各单元|ΔTi|＞ε则调整各单元阀门开度，当前阀门开度y＝yo+Δyi
其中，yo为阀门开度原始值；
Δyi为阀门开度变化量。
假设热用户侧发生管路堵塞、户阀锁闭等现象，造成热用户侧所需 压力减少，此单元支路剩余压差增大，则在其他影响因素不变的情况下， 热站处提供的流量和温度不变；随即，一方面布置本发明的测点下所监 测的单元作用压差PL升高,副控制器输出降低，进入此单元的流量qR下 降，最终导致PL回降，从而体现控制效果；
设原单元热力单元入口的供回水压差在调节流量q作用下的传递函 数为G02(s)，并将单元串级控制系统中的整个副回路等效为一个被控过 程，其等效传递函数用G'02(s)表示，则有
根据已有的实验，可设电动调节阀10的输出特性为Gv(s)，二次侧 压差测量变送器的传递函数为Gm2(s)，副回路中各环节的传递函数分别 为
等效传递函数变为
式中，K'02和T′02分别为等效过程的放大系数与时间常数，且可得
正常热网运行工况下，Kc2KvKm2K02＞＞1，因此副回路调整过程中导 致放大系数K02或Kv随管网负荷变化时，K'02几乎不变，所以此时不再需 要对调节器参数进行重新整定；此外单元作用压差PL升高，又直接影响 此单元的回水温度TH上升，使得副回路设定值gL下降，此时副回路将进 一步抑制了单元热用户端扰动压力的变化所引起的单元作用压差PL的变化。
当小区换热站处供水温度波动，站内阀门扰动导致流量波动等现 象，存在站内阀门波动导致二次网供水温度上升工况，此时单元作用压 差PL受到微弱的影响，然而单元回水温度TH上升，导致串级系统副回路 产生作用，使副回路设定值gL下降，副回路的输出PL必定降低，最终使TH降回设定温度，克服扰动工况。
整个控制系统反应的同时，单元作用压差PL值要比原来工况下的所 有降低，这正是由于热站处二次网供水温度上升，热用户处防止过热现 象的产生所需要的，因为控制过程中副回路的设定值gL已经下降，副回 路也不会产生作用将PL调控到原来的PL值；
即各单元阀门处于自动调整状态时，若某些单元管网参数检测到 TH-To＞0&PL2-PL1＞0,对应单元的电动调节阀10则会增加开度Δy；某些 单元管网参数检测到TH-To＜0&PL2-PL1＜0,对应单元的电动调节阀10则 会减小开度Δy
其中，PL1为单元供回水管道压差原始值；
PL2为单元供回水管道压差当前值。
在上述基础上，结合均匀控制的思想，优化系统调节过程中控制系 统输出误差范围带过大所对应的各控制器14的参数，在管网系统受到 扰动作用时，动态优化管网系统各支路电动调节阀10开度，使得前后 各单元支路的回水温度参数相互协调，统筹兼顾，从而满足系统动态水 力平衡。
各单元回水温度TH及供回水压差PL之间相互协调稳定，系统安全稳 定运行。
本发明在传统单元入口装置中增加合理测点及电动调节阀，无需改 变或删减原有装置，大大降低管网改造难度，最大限度减少资源浪费， 针对热网的节能改造具有一定的指导意义。
本发明提出一套准确、科学的基于单元控制的水力平衡方法，通过 水力平衡调控及用户回水温度的控制使室内温度控制精度达到1.0，使 水力失调度在5％以内，稳定的室内温度还有助于提高室内热舒适度， 提高热用户生活水平。
本发明基于智能硬件的搭建，最终各个单元均在新型控制算法下进 行单元水力平衡调整，使各个单元间进行有效的水力平衡调整，最终使 单元各户室温恒定。很好的弥补了传统热网调控的局限性，不仅节省人 力，还能取得更好的控制效果。
本发明应用均匀控制思想对相关控制参数进一步调整，由于各单元 支路存在一定动态扰动情况，对二次网系统的稳定性及阀门使用寿命方 面不利，而观察本发明得到的系统响应曲线即可较好的消除干扰影响， 增强了管网系统自适应能力。
本发明借助串级控制系统实现稳压调温的控制策略，使得回水温 度的变化更加精准反映出热用户的室内温度，调整后使热网稳定,解 决热用户“近热远冷”的现象问题,节省传统加大热源运行方案带来 的电能与热能的浪费。
Claims (10)
1.一种解决供热管网水力失调的控制系统，包括单元热力入口装置和对其进行控制的控制系统，其特征在于：所述单元热力入口装置包括室外供水管道(1)、室外回水管道(2)，所述室外供水管道(1)与多个单元热力入口供水支路(11)连通，所述单元热力入口供水支路(11)与楼梯间供水立管(3)连通，所述室外回水管道(2)与多个单元热力入口回水支路(12)连通，所述单元热力入口回水支路(12)与楼梯间回水立管(4)连通，所述单元热力入口供水支路(11)、单元热力入口回水支路(12)上设置有对温度和压力进行采集的采集装置，所述采集装置将采集信号发送到控制系统中。
2.根据权利要求1所述的一种解决供热管网水力失调的控制系统，其特征在于：所述采集装置包括温度传感器(8)，所述温度传感器(8)设置在单元热力入口回水支路(12)中。
3.根据权利要求2所述的一种解决供热管网水力失调的控制系统，其特征在于：所述采集装置包括压力传感器(9)，所述压力传感器(9)分别设置在单元热力入口供水支路(11)、单元热力入口回水支路(12)中。
4.根据权利要求3所述的一种解决供热管网水力失调的控制系统，其特征在于：所述单元热力入口供水支路(11)、单元热力入口回水支路(12)中还设置有控制用的球阀(5)、泄水用的泄水球阀(7)。
5.根据权利要求4所述的一种解决供热管网水力失调的控制系统，其特征在于：所述单元热力入口供水支路(11)中设置有对进水进行过滤的过滤器(6)。
6.根据权利要求5所述的一种解决供热管网水力失调的控制系统，其特征在于：所述单元热力入口回水支路(12)中设置有电动调节阀(10)。
7.根据权利要求6所述的一种解决供热管网水力失调的控制系统，其特征在于：所述控制系统包括接收温度传感器(8)、压力传感器(9)信号并对电动调节阀(10)进行控制的控制器(13)，所述控制器(13)设置在各个楼栋的就地控制柜(14)中，所述就地控制柜(14)中还设置有对室外环境进行数据采集的室外温度采集器(18)。
8.根据权利要求7所述的一种解决供热管网水力失调的控制系统，其特征在于：所述控制器(13)、室外温度采集器(18)的采集数据打包通过网络中心(15)上传到远程控制中心(16)，所述远程控制中心(16)通过SCADA系统(17)进行显示。
9.一种解决供热管网水力失调的控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
(ⅰ)汇总管网相关参数
利用温度传感器(8)测量各单元热力入口回水支路(12)的回水温度TH；
利用压力传感器(9)测量单元热力入口供水支路(11)、单元热力入口回水支路(12)处的供水压力和回水压力PG、PH；
实时监测电动调节阀(10)的阀门开合度；
将上述检测信号共同传送到对应的控制器(13)中；
(ⅱ)数据转换及输送
控制器(13)中的模拟量输入输出模块进行DA数据转换，同时，控制器(13)中的CPU模块计算供回水压差PL＝PG-PH，将汇总到的相应管网参数信号输送至远程控制中心(16)；
(ⅲ)设定单元温度平衡值
室外温度采集器(18)实时采集当前小区室外环境温度，汇集典型热用户室内温度，将温度信号上传至远程控制中心(16)的SCADA系统(17)，SCADA系统(17)系统结合换热站数据下发出各个单元温度设定平衡值To到各台控制器(13)中；
(ⅳ)确定单元回水温度波动范围
预设定回水温度波动范围ε，计算各单元当前回水温度与温度平衡设定值之差确定温度波动范围ΔTi＝TH-To；
(ⅴ)调控单元阀门
对各台控制器(13)进行串级控制，调节电动调节阀(10)的开合度。
10.根据权利要求1所述的一种解决供热管网水力失调的控制系统的控制方法，其特征在于：所述控制器(13)为PLC控制器。
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