二級管網(wǎng)水力平衡調(diào)節(jié)閥優(yōu)化控制

楊志剛

(北京北燃環(huán)能科技發(fā)展有限公司,北京100011)

1 概述

近年來,北方地區(qū)供熱需求增速明顯。《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃(2017—2021年)》顯示:2017—2021年,北方地區(qū)新建供熱管網(wǎng)8.4×104km。其中,新建供熱一級管網(wǎng)、二級管網(wǎng)各4.2×104km。完成供熱管網(wǎng)改造里程5×104km。其中,改造供熱一級管網(wǎng)1.6×104km、二級管網(wǎng)3.4×104km。2017—2021年,北方地區(qū)新建智能化熱力站2.2×104座,改造1.4×104座。以往,由于缺乏高效準確的管網(wǎng)監(jiān)控和調(diào)節(jié)手段,易造成管網(wǎng)近熱遠冷,從而導致熱能分配不合理、整體能耗高等問題[1]。隨著通信、物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展,這一問題得到了一定的解決。目前,在二級管網(wǎng)水力調(diào)節(jié)方法中,由于水溫測量比流量測量、熱量測量成本更低,回水溫度法成為二級管網(wǎng)水力調(diào)節(jié)應用較多的方式[2]?；厮疁囟确ㄊ侵笇⒕哂袦囟炔杉δ艿恼{(diào)節(jié)閥安裝在各個樓棟入口的回水管上,對回水溫度進行監(jiān)測、采集,并上傳至服務器。服務器將各樓棟回水溫度進行匯總,結合二級管網(wǎng)總供回水溫度、室外溫度等參數(shù)計算出目標回水溫度,并下達調(diào)節(jié)指令至各調(diào)節(jié)閥,各調(diào)節(jié)閥根據(jù)目標回水溫度,執(zhí)行調(diào)節(jié)指令,并反饋結果。通過多次調(diào)節(jié),最終實現(xiàn)二級管網(wǎng)水力平衡。

本文針對二級管網(wǎng)水力平衡調(diào)節(jié)閥,在傳統(tǒng)PID控制基礎上,加入PID參數(shù)選擇、溫度變化斜率控制、超調(diào)量過大處理、邊界限制等控制方式,快速、穩(wěn)定地完成調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。

2 二級管網(wǎng)水力平衡系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)架構

二級管網(wǎng)水力平衡系統(tǒng)分為設備層、網(wǎng)絡傳輸層、應用管理層[3],系統(tǒng)架構見圖1。

圖1 二級管網(wǎng)水力平衡系統(tǒng)架構

設備層,主要指樓棟入口回水管上的調(diào)節(jié)閥,調(diào)節(jié)閥閥體集成了高精度溫度傳感器,能夠監(jiān)測回水溫度,在電動執(zhí)行器中集成了基于物聯(lián)網(wǎng)技術的無線通信模組,實現(xiàn)了調(diào)節(jié)閥的無線遠程通信,并能夠接收遠程控制指令。

網(wǎng)絡傳輸層,主要指無線網(wǎng)絡,調(diào)節(jié)閥通過無線網(wǎng)絡將監(jiān)測、儲存數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關,再上傳至相關運營商提供的云服務器。

應用管理層,云服務器將設備層上傳的數(shù)據(jù)進行綜合處理,對管網(wǎng)平衡進行計算分析,并將計算結果儲存到數(shù)據(jù)庫中,然后轉換成調(diào)節(jié)閥控制指令,下發(fā)到各個調(diào)節(jié)閥,控制每個調(diào)節(jié)閥的開度,實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。運行管理人員可隨時通過計算機、手機終端查看二級管網(wǎng)運行狀況,并根據(jù)實際情況,對管網(wǎng)進行進一步調(diào)控。

2.2 工作方式

將調(diào)節(jié)閥安裝在各樓棟入口回水管上,對回水溫度進行采集,采集數(shù)據(jù)上傳到云服務器。根據(jù)各調(diào)節(jié)閥采集的數(shù)據(jù),綜合考慮各樓棟入口回水溫度、二級管網(wǎng)總供回水溫度、室外溫度等,計算出目標回水溫度。云服務器將目標指令(目標回水溫度)下發(fā)至各個調(diào)節(jié)閥,調(diào)節(jié)閥接收到目標指令后進行調(diào)節(jié)。在下1個采集周期,采集數(shù)據(jù)上傳至云服務器,云服務器根據(jù)上傳數(shù)據(jù),重新計算目標回水溫度,然后再次下發(fā)目標指令,直至二級管網(wǎng)水力平衡。

3 調(diào)節(jié)閥優(yōu)化控制

在實際應用中,由于通過調(diào)節(jié)閥門的開度來控制回水流量,進而控制水溫,而水溫的上升和下降都存在一定的延時,因此對閥門的調(diào)節(jié)提出了更加嚴格的要求。

傳統(tǒng)PID控制方式,閥門調(diào)節(jié)過程速度慢、時間較長、精度低、易受外界干擾。初始溫度與目標溫度相差較大(大于10 ℃)時,易造成溫度調(diào)節(jié)超調(diào)量過大,導致閥門全開或關閉,而控制電動機依然處于工作狀態(tài),導致控制電動機損壞。在二級管網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)過程中,僅靠一組超調(diào)值小、穩(wěn)態(tài)精度高的PID參數(shù)無法滿足需求。針對以上問題,在閥門傳統(tǒng)PID控制基礎上加入PID參數(shù)選取、溫度斜率控制、超調(diào)量過大處理、邊界限制等控制方法,使調(diào)節(jié)過程快速、穩(wěn)定。

3.1 PID參數(shù)選取

PID控制采用適用于嵌入式軟件的PID離散控制算法[4]。在調(diào)節(jié)閥接收到云服務器下發(fā)的目標回水溫度后,調(diào)節(jié)閥在進入PID控制前,根據(jù)各樓棟入口回水溫度、二級管網(wǎng)總供回水溫度、室外溫度,選取相適應的PID參數(shù),使調(diào)節(jié)閥能夠適應不同的工況,實現(xiàn)快速調(diào)節(jié)。選定PID參數(shù)后,調(diào)節(jié)閥根據(jù)實際回水溫度、調(diào)節(jié)閾值等,計算調(diào)節(jié)脈沖數(shù),進入調(diào)節(jié)過程。

3.2 其他控制

嵌入式軟件除PID參數(shù)選取功能外,還針對PID傳統(tǒng)調(diào)節(jié)過程中存在的調(diào)節(jié)速度慢、超調(diào)量過大等問題,增加溫度斜率控制、超調(diào)量過大處理、邊界限制等功能。同時,嵌入式軟件采用了實時操作系統(tǒng),具有支持多任務并發(fā)處理等特點,優(yōu)化調(diào)節(jié)效果。

① 溫度斜率控制

在調(diào)節(jié)過程中,由于溫度變化滯后等原因,易造成回水溫度的變化率出現(xiàn)連續(xù)遞增或遞減的狀態(tài),閥門會持續(xù)進行單一方向的開閥或關閥動作,進而導致超調(diào)量過大現(xiàn)象。因此,需要加入溫度斜率控制?；究刂撇呗詾?在閥門調(diào)節(jié)過程中,每90 s采集1次回水溫度,若回水溫度每90 s的變化大于設定值,閥門立即停止動作,待回水溫度變化小于設定值時,閥門繼續(xù)根據(jù)目標指令進行開度調(diào)節(jié)。通過這種方式,為水溫的變化留出充分的緩沖時間,有效防止超調(diào)量過大現(xiàn)象的出現(xiàn)。

② 超調(diào)量過大處理

在調(diào)節(jié)過程中,若出現(xiàn)超調(diào)量過大的情況,實時操作系統(tǒng)根據(jù)超調(diào)情況迅速響應,對閥門輸出反向脈沖,及時減小超調(diào)量。在下1個采集周期中,若檢測到超調(diào)量過大的情況,再次重復反向脈沖調(diào)節(jié),直至超調(diào)量回歸正常范圍。

③ 邊界限制

在研發(fā)階段,結合供熱公司實際調(diào)節(jié)方式,對調(diào)節(jié)閥進行試驗,記錄閥門調(diào)節(jié)所需最大脈沖數(shù),將不同溫差(指實際回水溫度與目標回水溫度的差)與對應的最大調(diào)節(jié)脈沖數(shù)進行擬合,得到擬合函數(shù)。將擬合函數(shù)作為閥門調(diào)節(jié)的邊界條件,植入控制程序。

在調(diào)節(jié)過程中,當調(diào)節(jié)閥PID控制脈沖數(shù)達到邊界條件,若PID控制繼續(xù)輸出增加脈沖數(shù)的指令,則該指令暫不作用于調(diào)節(jié)閥,即調(diào)節(jié)閥的開度調(diào)節(jié)受到邊界條件的限制。

4 實例分析

4.1 應用場景

北京某小區(qū)實際供熱面積為24 789 m2。居住建筑14棟,公共建筑4棟。改造前,二級管網(wǎng)完全依賴人工調(diào)節(jié)。2020—2021年供暖期前,完成了小區(qū)二級管網(wǎng)改造。在每棟居住建筑單元及公共建筑入口安裝調(diào)節(jié)閥,并配套通信裝置,部署云服務器。

4.2 優(yōu)化效果

安裝調(diào)節(jié)閥后,通過試驗發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)時間過長,過長的調(diào)節(jié)時間使調(diào)節(jié)過程更易受到外界干擾。因此,對調(diào)節(jié)閥的控制程序進行了優(yōu)化,在原有PID控制的基礎上加入PID參數(shù)選取、溫度斜率控制、超調(diào)量過大處理、邊界限制等控制。

選取其中1臺調(diào)節(jié)閥,分別于2020年11月25日、27日,對控制優(yōu)化前后的測試結果進行對比。優(yōu)化前后回水溫度隨時間的變化分別見圖2、3。

圖2 優(yōu)化前回水溫度隨時間的變化

由圖2可知,控制程序優(yōu)化前,回水溫度達到目標回水溫度37.5 ℃±0.5 ℃用時7 h左右。由圖3可知,控制程序優(yōu)化后,回水溫度達到目標回水溫度35.4 ℃±0.5 ℃用時4 h左右,相比優(yōu)化前縮短約3 h。超調(diào)量得到有效抑制,調(diào)節(jié)過程快速、穩(wěn)定。

5 結論

控制程序優(yōu)化后,達到目標回水溫度用時4 h左右,比優(yōu)化前縮短約3 h。超調(diào)量得到有效抑制,調(diào)節(jié)過程快速、穩(wěn)定。

圖3 優(yōu)化后回水溫度隨時間的變化