一種基于智慧供熱框架下的二次網(wǎng)智能控制調(diào)節(jié)閥

齊先博

（中國石油大學(xué)勝利學(xué)院）

1 技術(shù)背景及設(shè)計(jì)理念

集中供熱系統(tǒng)的二次網(wǎng)在運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)供熱不均衡的現(xiàn)象，導(dǎo)致處于不同位置的熱用戶分配的熱量不均勻。例如距離熱源較近的近端樓棟可能會(huì)過熱，而距離熱源較遠(yuǎn)的遠(yuǎn)端樓棟的熱用戶又可能會(huì)過冷。

因此，提出對單個(gè)熱用戶的供熱（流）量進(jìn)行調(diào)控從而減輕供熱不均現(xiàn)象的技術(shù)方案。

該方案設(shè)計(jì)理念的實(shí)現(xiàn)，是一種智能控制調(diào)節(jié)閥。將其安裝在供熱回水管路上，包括：閥門、驅(qū)動(dòng)模塊、用于測量回水溫度的測溫模塊、用于向監(jiān)控平臺上傳所述回水溫度和接收所述監(jiān)控平臺發(fā)送的控制指令的無線通訊模塊以及用于根據(jù)所述控制指令控制所述驅(qū)動(dòng)模塊，調(diào)節(jié)所述閥門開關(guān)狀態(tài)的控制模塊。在供熱節(jié)能和分戶熱計(jì)量的角度提出了從二網(wǎng)末端進(jìn)行流量調(diào)節(jié)節(jié)能的新理念，通過智能控制調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)后，讓每戶都得到一個(gè)最合理的流量，節(jié)能到戶，且戶（互）不干擾，理論整體節(jié)能可達(dá)30%以上。

2 智能控制調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 智能控制調(diào)節(jié)閥簡介

智能控制調(diào)節(jié)閥采用O型球閥+異形配流盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路。O型球閥閥體內(nèi)部安裝有中間通孔的球體，球體上開有一個(gè)直徑與管道直徑相等的通孔，全開時(shí)為無阻閥，流通能力大，流體進(jìn)入閥門沒有方向性。球體可在密封座中旋轉(zhuǎn)，在管路方向兩側(cè)各有一個(gè)環(huán)狀的彈性體來實(shí)現(xiàn)密封（或者接觸面打磨密封）。通過旋轉(zhuǎn)球體90°，即可改變通孔的方向，從而實(shí)現(xiàn)球閥的開關(guān)。其結(jié)構(gòu)如圖1。

帶擋片O型球閥是在O型球閥的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)具有一定形狀的擋片，由于擋片的存在使此類電動(dòng)球閥的調(diào)節(jié)性能趨于線性，調(diào)節(jié)性能提高，但是由于此擋片的存在減小了閥門全開時(shí)的通流面積，對閥門的流量有所影響。

2.2 SOLIDWORKS建立球閥模型

采用SOLIDWORKS建模軟件，建立DN25的球閥模型。

2.2.1 模擬設(shè)計(jì)

圖1 智能控制調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)

采用Flow Simulation，模擬了不同形狀的擋片下，不同的開度下，O型球閥當(dāng)兩端的壓差維持在0.1MPa時(shí)，流量與閥門開度的關(guān)系。

2.2.2 無擋片

對于無擋片的O型球閥，開度在0°～ 25°間，流量基本上為 0m3/h，在25°～40°間，隨著開度增加，流量緩慢上升。在40°～80°間呈線性上升，在80°～90°間，流量基本上維持不變，保持緩慢增加。

2.2.3 擋片只有兩個(gè)角

對于擋片只有兩個(gè)角的O型球閥，開度在0°～25°間，流量基本上為0m3/h。在25°～40°間，隨著開度增加，流量緩慢上升，在40°～80°間呈線性上升，在80°～90°間，流量基本上維持不變，保持緩慢增加。

2.2.4 擋片為三角形

對于擋片形狀為三角形的O型球閥，開度在0°～25°間，流量基本上為0m3/h。在25°～40°間，隨著開度增加，流量緩慢上升。在40°～80°間呈線性上升。在80°～90°間，流量基本上維持不變，保持緩慢增加。

2.2.5 擋片為四邊形

對于擋片形狀為四邊形的O型球閥，開度在0°～25°間，流量基本上為0m3/h。在25°～40°間，隨著開度增加，流量緩慢上升。在40°～80°間呈線性上升。在80°～90°間，流量基本上維持不變，保持緩慢增加。

2.2.6 擋片為五邊形

對于擋片為五邊形的O型球閥，開度在0°～25°間，流量基本上為0m3/h。在25°～40°間，隨著開度增加，流量緩慢上升。在40°～80°間呈線性上升。在80°～90°間，流量基本上維持不變，保持緩慢增加。

2.2.7 擋片為六邊形

對于擋片為六邊形的O型球閥，開度在0°～25°間，流量基本上為0m3/h。在25°～40°間，隨著開度增加，流量緩慢上升。在40°～80°間呈線性上升。在80°～90°間，流量基本上維持不變，保持緩慢增加。

2.2.8 擋片為七邊形

對于擋片為七邊形的O型球閥，開度在0°～25°間，流量基本上為0m3/h。在25°～40°間，隨著開度增加，流量緩慢上升。在40°～80°間呈線性上升。在80°～90°間，流量基本上維持不變，保持緩慢增加。

2.2.9 擋片為八邊形

對于擋片為八邊形的O型球閥，開度在0°～25°間，流量基本上為0m3/h。在25°～40°間，隨著開度增加，流量緩慢上升。在40°～80°間呈線性上升。在80°～90°間，流量基本上維持不變，保持緩慢增加。

2.2.1 0擋片為九邊形

對于擋片為九邊形的O型球閥，開度在0°～25°間，流量基本上為0m3/h。在25°～40°間，隨著開度增加，流量緩慢上升。在40°～80°間呈線性上升。在80°～90°間，流量基本上維持不變，保持緩慢增加。

2.2.1 1擋片為十邊形

對于擋片為十邊形的O型球閥，開度在0°～25°間，流量基本上為0m3/h。在25°～40°間，隨著開度增加，流量緩慢上升。在40°～80°間呈線性上升。在80°～90°間，流量基本上維持不變，保持緩慢增加。

2.2.1 2不同結(jié)構(gòu)的測試數(shù)據(jù)

上述模擬結(jié)果顯示，不論擋板形狀如何，DN25的球閥在0°～25°間沒有流量。在40°～80°間保持線性變化。在80°以上流量基本上保持不變。因此，在將不同形狀的擋片下，在開度為40°～80°間，擬合出流量與閥門開度的關(guān)系。

擋片形狀為四邊形、五邊形、七邊形、八邊形、九邊形和十邊形時(shí)，在開度40°～80°間的線性關(guān)系更好。但是當(dāng)開啟角度為90°時(shí)，流量大小的依次順序?yàn)槭呅危揪胚呅危景诉呅危酒哌呅危疚暹呅危舅倪呅巍?/p>

2.3 設(shè)計(jì)結(jié)論

通過模擬測試總結(jié)得出以下結(jié)論。

①DN25球閥，開度在0°～25℃間，流量基本上為0m3/h。在25°～40℃間，隨著開度增加，流量緩慢上升。在40°～50℃間呈線性上升。在50°～90℃間，呈指數(shù)增加，保持低阻力大流通量。因此在設(shè)置檔位時(shí)，可以開辟0°～50°開度范圍，通過在球芯入口處增加1個(gè)異形檔片來實(shí)現(xiàn)二網(wǎng)用戶近端供熱的高阻力調(diào)節(jié)特性。在50°～90℃間的開度范圍設(shè)置幾個(gè)檔位，實(shí)現(xiàn)二網(wǎng)用戶遠(yuǎn)端供熱的低阻力大流通量特性。這樣可以實(shí)現(xiàn)整網(wǎng)用戶的按需供熱，確保近端熱用戶、遠(yuǎn)端熱用戶的用戶熱保障，可以最大程度地實(shí)現(xiàn)能源的充分利用，同時(shí)不增加管網(wǎng)的阻力、不增加換熱站的電耗。

②擋片形狀為接近喇叭口形狀時(shí)，在開度0°～50℃間的高阻力線性調(diào)節(jié)最好，通過使用solidworks軟件模擬管網(wǎng)阻力計(jì)算，可在0°～50℃間開設(shè)5個(gè)檔位最為適宜；在開度50°～90℃間的低阻力大流量線性調(diào)節(jié)最好，通過使用solidworks軟件模擬管網(wǎng)阻力計(jì)算，可在50°～90℃間開設(shè)3個(gè)檔位最為適宜，所以閥體的整體設(shè)計(jì)檔位為8個(gè)開度。

2.4 流量調(diào)控方法

二網(wǎng)水力平衡調(diào)節(jié)分3個(gè)階段，初寒、嚴(yán)寒、末寒。

初寒期為供熱系統(tǒng)升溫階段，系統(tǒng)默認(rèn)不調(diào)節(jié)，由于供熱運(yùn)行初期，供熱能耗不足，需將智能閥設(shè)置為全開狀態(tài)。如果用戶需要調(diào)節(jié)則手動(dòng)啟動(dòng)平衡調(diào)節(jié)功能。嚴(yán)寒期，供熱管理軟件定周期監(jiān)測所有熱用戶的回水溫度，并根據(jù)整網(wǎng)的目標(biāo)值調(diào)控閥門流量大小控制各戶的回水溫度,進(jìn)行智能調(diào)節(jié)。初次調(diào)節(jié)所有熱用戶閥門開度均為最大開度，過熱用戶（回水溫度高的用戶）按調(diào)節(jié)周期逐一減小1檔，不熱的用戶（回水溫度低的用戶）保持最大開度。末寒期供熱系統(tǒng)間歇運(yùn)行，停運(yùn)期間保持運(yùn)行期間最后一次的閥門開度。待下次運(yùn)行時(shí)，供熱管理軟件自動(dòng)判斷供熱系統(tǒng)正常循環(huán)后，再次根據(jù)各戶的平均回水溫度接續(xù)上次的閥門開度進(jìn)行定周期實(shí)時(shí)調(diào)控。

3 能源管理與能耗分析

供熱控制系統(tǒng)具有流量、熱量計(jì)量功能，通過控制系統(tǒng)，可以把現(xiàn)場的流量、熱量數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾碇行?，包括瞬時(shí)量和累計(jì)量，同時(shí)系統(tǒng)能夠通過輸入面板將換熱站的水耗、電耗數(shù)據(jù)輸入到控制器中。通過通訊系統(tǒng)將能源數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾碇行?，進(jìn)行換熱站和公共建筑的能源消耗統(tǒng)計(jì)分析。能源分析系統(tǒng)還可以和收費(fèi)系統(tǒng)、氣象數(shù)據(jù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)連接，可以根據(jù)氣象數(shù)據(jù)和經(jīng)營收費(fèi)系統(tǒng)供熱面積數(shù)據(jù)對換熱站和公共建筑的綜合能源消耗進(jìn)行專業(yè)分析。

4 熱網(wǎng)動(dòng)態(tài)平衡分析與控制

4.1 全網(wǎng)動(dòng)態(tài)水力平衡分析計(jì)算

系統(tǒng)能夠根據(jù)換熱站及公共建筑的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對全網(wǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的水力平衡分析計(jì)算，為管網(wǎng)自動(dòng)調(diào)節(jié)、控制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4.2 全網(wǎng)動(dòng)態(tài)平衡控制功能

系統(tǒng)能夠根據(jù)動(dòng)態(tài)水力平衡分析計(jì)算結(jié)果，確定全網(wǎng)綜合調(diào)節(jié)控制方案。

4.3 初調(diào)節(jié)控制

在供暖準(zhǔn)備期，系統(tǒng)能夠根據(jù)全網(wǎng)負(fù)荷、管網(wǎng)特性、熱源參數(shù)等，自動(dòng)進(jìn)行全網(wǎng)初調(diào)節(jié)計(jì)算，系統(tǒng)能夠計(jì)算出每個(gè)換熱站和公共建筑的閥門初始開度，通過通訊網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)將閥門初調(diào)節(jié)參數(shù)下達(dá)到控制器中，在較短的時(shí)間內(nèi)建立起管網(wǎng)初始水力工況，保證所有用戶都能夠得到及時(shí)準(zhǔn)確地供熱服務(wù)。

5 生產(chǎn)運(yùn)行綜合調(diào)度管理

生產(chǎn)運(yùn)行綜合調(diào)度管理系統(tǒng)是建立在熱網(wǎng)控制系統(tǒng)之上的一套綜合調(diào)度、管理、分析系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠和熱力公司已有的各種業(yè)務(wù)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)連接，包括經(jīng)營收費(fèi)系統(tǒng)、氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)、熱源及熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，綜合調(diào)度管理系統(tǒng)。熱力公司領(lǐng)導(dǎo)和調(diào)度人員可以隨時(shí)查詢供熱生產(chǎn)運(yùn)行的所有數(shù)據(jù)，通過綜合數(shù)據(jù)分析，下達(dá)供熱運(yùn)行調(diào)度調(diào)節(jié)指令，指導(dǎo)全網(wǎng)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。系統(tǒng)同時(shí)能夠?qū)ιa(chǎn)運(yùn)行所有數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，對全網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及成本分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

6 供熱能源管理與服務(wù)

該方案在給熱力公司提供控制管理系統(tǒng)的同時(shí)，還為熱力公司提供能源管理、換熱站及公共建筑調(diào)節(jié)控制服務(wù)，建立起一套能源管理控制與服務(wù)系統(tǒng)，由大型數(shù)據(jù)服務(wù)器及各種管理分析軟件組成。系統(tǒng)可以和熱力公司換熱站及公共建筑控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)連接，將熱力公司換熱站及公共建筑的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)到能源管理服務(wù)中心數(shù)據(jù)庫中，熱力公司有授權(quán)的調(diào)度管理人員可以登錄查詢、統(tǒng)計(jì)、分析運(yùn)行數(shù)據(jù)，也可以下達(dá)控制指令，調(diào)整運(yùn)行曲線參數(shù)等工作，降低熱力公司的設(shè)備投資，同時(shí)也為熱力公司的控制調(diào)節(jié)，節(jié)能分析提供基礎(chǔ)平臺，大大降低運(yùn)行管理費(fèi)用。