本文依據(jù)供熱管網(wǎng)水力特性理論，借助MATLAB軟件，實現(xiàn)對各換熱站一級管網(wǎng)側(cè)電動調(diào)節(jié)閥的統(tǒng)一控制，從而解決運行中管網(wǎng)系統(tǒng)的水力、熱力失調(diào)問題，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(tǒng)是由多個串并聯(lián)管段組成的管路系統(tǒng)，是城市集中供熱系統(tǒng)的重要組成部分。為滿足各熱用戶個性化供暖需求，實現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能降耗，分戶計量控制供暖系統(tǒng)形式正在逐步推廣。由于采暖用戶的自主調(diào)節(jié)，連接系統(tǒng)一、二級管網(wǎng)的換熱站應隨著用戶末端進行調(diào)節(jié)。首先是在二級管網(wǎng)側(cè)通過循環(huán)水泵的變頻，來保證二級管網(wǎng)某處的供、回水壓差不變，目的是穩(wěn)定因末端用戶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(cè)的供熱參數(shù)來確保二級管網(wǎng)側(cè)的供水溫度、及供回水溫差的穩(wěn)定。在這一過程中，一級管網(wǎng)側(cè)實際上是按照二級管網(wǎng)側(cè)所需的供熱量在進行被動調(diào)節(jié)。然而，管網(wǎng)系統(tǒng)中各管路水力工況相互影響，系統(tǒng)中任何一個調(diào)節(jié)裝置的工作參數(shù)發(fā)生改變，必然會引起各熱用戶(換熱站)之間流量的重新分配。當各換熱站一級管網(wǎng)側(cè)均因二級管網(wǎng)側(cè)負荷的改變而各自進行被動調(diào)節(jié)時，由于各換熱站管路間水力工況相互影響，就必然會導致系統(tǒng)水力、熱力失調(diào)，影響供熱效果。因此，為了提高供熱管網(wǎng)整體的運行調(diào)節(jié)與控制水平，減小水力、熱力失調(diào)，保證供熱穩(wěn)定性，必須將換熱站一級管網(wǎng)各自的被動調(diào)節(jié)進行統(tǒng)一管理和控制。

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

二、供熱管網(wǎng)水力特性基本公式

　　1、節(jié)點流量平衡方程

　　根據(jù)質(zhì)量守恒原理，在管網(wǎng)恒定流動過程中，與任一節(jié)點關(guān)聯(lián)的所有分支的流量，其代數(shù)和等于該點的節(jié)點流量，其計算式為：

　　式中bij為流動方向的符號函數(shù);bij=1表示i節(jié)點為j分支的端點且qj流出該節(jié)點;bij=-1表示i節(jié)點為j分支的端點且qj流向該節(jié)點;bij=0表示i節(jié)點不是j分支的端點;Qj為j分支的流量;qi為i節(jié)點的節(jié)點流量，qi的符號按照流入節(jié)點為正好，流出節(jié)點為負號。

　　2、回路壓力平衡方程

　　根據(jù)能量守恒原理，在管網(wǎng)恒定流動過程中，任意回路中沿回路方向，各個分支管段壓降的代數(shù)和為零。對于回路i，其計算式為：

　　式中cij為分支流動方向的符號函數(shù);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分支輸入的全壓動力，一般取所在分支方向為動力作用方向，恒為正;為重力作用形成的i環(huán)路的流動阻力，環(huán)路I中重力作用形成的動力，與環(huán)路同向為正，逆向為負。

三、泵的性能特性曲線擬合與自動控制

　　水泵是管網(wǎng)最常見的全壓動力源，用計算機模擬計算熱水網(wǎng)絡時，水泵性能特性曲線需用代數(shù)方程進行描述。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——流量性能曲線數(shù)學表達式系數(shù);

　　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上取三點進行擬合。

　　當管網(wǎng)的流量Q因負荷變化而需作相應調(diào)節(jié)時，由傳感器將信號傳遞給變頻泵，通過改變泵的頻率來實現(xiàn)泵轉(zhuǎn)速的相應改變，從而達到調(diào)節(jié)與控制目的。

四、電動調(diào)節(jié)閥流量的調(diào)節(jié)與自動控制

　　調(diào)節(jié)閥是供熱管網(wǎng)系統(tǒng)中重要的調(diào)節(jié)裝置，能對管網(wǎng)系統(tǒng)中各管段的流量進行調(diào)節(jié)與控制。在實際運行的供熱管網(wǎng)系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥的流量調(diào)節(jié)特性受到調(diào)節(jié)閥自身結(jié)構(gòu)因素、調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)及控制能力，能夠確定調(diào)節(jié)閥在任意相對開度下的流量計算關(guān)系式是很重要的。本文采用一種工程近似算法，該算法避開了研究調(diào)節(jié)閥內(nèi)部復雜結(jié)構(gòu)，而是根據(jù)調(diào)節(jié)閥的流量特性，運用數(shù)學方法推導出相對開度、流量、壓力之間的關(guān)系式。

　　1、調(diào)節(jié)閥流量計算基本公式

　　從流體力學的觀點看，調(diào)節(jié)閥是一個局部阻力可以變化的節(jié)流元件。對于不可壓縮流體，其計算公式為：

　　式中 Q——調(diào)節(jié)閥接管內(nèi)流體流量，m3/h;F——調(diào)節(jié)閥接管截面積，cm2;ξ——調(diào)節(jié)閥阻力系數(shù)，隨調(diào)節(jié)閥的開度而變;ΔP——調(diào)節(jié)閥前后壓力降，MPa;ρ——流體密度，kg/m3。

　　2、調(diào)節(jié)閥流通能力

　　調(diào)節(jié)閥的流通能力是調(diào)節(jié)閥的重要參數(shù)指標，它反映了流體通過調(diào)節(jié)閥的能力大小。目前國產(chǎn)調(diào)節(jié)閥的流通能力計算條件和單位是當調(diào)節(jié)閥全開時，閥兩端壓差為105Pa，流體密度為1g/cm3，每小時流經(jīng)調(diào)節(jié)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與相對開度之間的關(guān)系，就得到了相對開度與流量Q和ΔP的關(guān)系。

　　3、調(diào)節(jié)閥的流量計算

　　調(diào)節(jié)閥的流量特性有直線流量特性、等百分比流量特性、快開流量特性和拋物線流量特性，現(xiàn)在以等百分比流量特性調(diào)節(jié)閥為例，運用數(shù)學的推導方法得出相對開度、流量和壓力之間的關(guān)系式。等百分比調(diào)節(jié)閥在不可壓縮流體時的數(shù)學表達式為：

　　式中Q，Qmax為調(diào)節(jié)閥行程為l，lmax時的標準狀態(tài)流量，m3/h;

　　l，lmax為調(diào)節(jié)閥在某一開度、全開時的行程，mm;

　　h為比例系數(shù)

　　邊界條件為：

　　l≈0時，L=0，Q=Qmin;l=lmax時，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(jié)合式(6)，可得：

　　式中CL，Cmax，Cmin分別為在ΔP一定，相對開度為L，最小相對開度，最大相對開度時調(diào)節(jié)閥的流通能力。

　　由式(10)便得到等百分比特性調(diào)節(jié)閥相對開度L與流量Q，壓力ΔP的數(shù)學關(guān)系式。也做過相似的推導，并將數(shù)學推導出的算法計算出的實際流量與調(diào)節(jié)閥實際運行情況下的實測流量進行對比，結(jié)論是：相差很小，誤差在8%以內(nèi)，均在工程允許誤差范圍之內(nèi)。故采用此算法可行，且對于調(diào)節(jié)閥的自動調(diào)節(jié)與控制提供了很便利的控制與調(diào)節(jié)技術(shù)措施。

　　同理，可以推導出直線特性、快開特性和拋物線特性調(diào)節(jié)閥的計算公式，現(xiàn)將各類特性的調(diào)節(jié)閥的計算公式列于表1：

　　表1 調(diào)節(jié)閥相對開度L、流量Q與壓力ΔP之間的計算公式

　　從上表可知，要得出調(diào)節(jié)閥相對開度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可由閥門樣本提供的最大流通能力、最小相對開度下的流通能力確定。

　　4、電動調(diào)節(jié)閥的自動調(diào)節(jié)與控制

　　電動調(diào)節(jié)閥是自動化過程控制中的重要執(zhí)行單元儀表，由電動執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)閥連接組合后經(jīng)過機械連接裝配、調(diào)試安裝構(gòu)成電動調(diào)節(jié)閥，通過接收自動化控制系統(tǒng)的信號來驅(qū)動閥門改變閥芯和閥座之間的截面積大小來控制管道介質(zhì)的流量、溫度、壓力等工藝參數(shù)，實現(xiàn)自動化調(diào)節(jié)功能。

　　當各換熱站的流量確定后，通過分析得到閥門的相對開度，由傳感器將信號傳遞給各換熱站調(diào)節(jié)閥電動執(zhí)行單元，執(zhí)行器再發(fā)動執(zhí)行指令，自動調(diào)節(jié)閥門的閥芯行程，改變閥芯與閥座的斷面積，最終將管段的流量調(diào)節(jié)到所需的“理想”流量。

五、管網(wǎng)電動調(diào)節(jié)閥集中控制策略

　　對于一個已知的供熱管網(wǎng)(一級管網(wǎng))系統(tǒng)而言，如圖1所示，各換熱站相互并聯(lián)，在各換熱站入口設(shè)有電動調(diào)節(jié)閥。在運行中，各管段阻抗和設(shè)備阻抗是固定不變的，只有調(diào)節(jié)閥通過調(diào)節(jié)開度而改變阻力特性。在實際運行中，由于末端供暖用戶供暖調(diào)節(jié)引起二級管網(wǎng)側(cè)流量和供回水溫度的改變。二級管網(wǎng)側(cè)的流量調(diào)節(jié)是通過二級管網(wǎng)的變頻泵實現(xiàn)的，來保證管網(wǎng)的某處的供回水壓差不變，與此同時，二級管網(wǎng)側(cè)的工作溫度和供回水溫差會因為用熱負荷的減小或增大而相應的減小或增大，這時，需要通過改變一級管網(wǎng)側(cè)的供熱量來保證二級管網(wǎng)側(cè)的供水溫度和供回水溫差的不變。一級管網(wǎng)側(cè)的調(diào)節(jié)可以是集中調(diào)節(jié)和個體調(diào)節(jié)相結(jié)合，集中調(diào)節(jié)包括集中質(zhì)調(diào)節(jié)和流量調(diào)節(jié)，個體調(diào)節(jié)主要是一級管網(wǎng)側(cè)閥門開度的調(diào)節(jié)，來改變進入換熱站的流量。由于各換熱站并聯(lián)在管路中，一個換熱站閥門開度的改變，會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控制各閥門的開度，以實現(xiàn)對各換熱站流量的調(diào)節(jié)，則管網(wǎng)的整個運行調(diào)節(jié)將成為無序不穩(wěn)定的工況，會出現(xiàn)水力失調(diào)和熱力失調(diào)現(xiàn)象，嚴重影響供熱質(zhì)量，并將造成供熱效率下降。

　　本文提出應用電動調(diào)節(jié)閥、智能控制平臺相結(jié)合，根據(jù)節(jié)點流量平衡方程和回路壓力平衡方程的管路基本特性，實現(xiàn)各換熱站電動調(diào)節(jié)閥一次調(diào)節(jié)到位的有序調(diào)節(jié)方法，即供熱管網(wǎng)電動調(diào)節(jié)閥集中控制的運行調(diào)節(jié)，該調(diào)節(jié)策略的調(diào)節(jié)過程如下：

　　(1)首先是應用智能平臺，通過對二次網(wǎng)側(cè)反饋回來的流量Qi及供回水溫差Δti進行分析，確定各換熱站一次網(wǎng)側(cè)的供熱量;分析是否進行集中質(zhì)量調(diào)節(jié)等，最后得到各換熱站一級管網(wǎng)側(cè)的調(diào)節(jié)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(cè)調(diào)節(jié)閥的開度。調(diào)節(jié)閥開度改變的目的是改變供熱量，保證二級管網(wǎng)側(cè)的供暖調(diào)節(jié)要求。由于閥門開度的改變，它會引起管網(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)特性曲線會由1曲線，移位到2曲線。這個改變會引起循環(huán)水泵揚程的改變。如果選用的循環(huán)水泵的性能曲線比較平坦，則忽略由此引起的揚程的改變;否則應通過試算的方法來確定泵的揚程，并最終確定閥門的開度，而總揚程的確定要在管網(wǎng)系統(tǒng)總阻抗已知的條件下進行，因此，兩者相互影響，相互依賴;

圖2 一級管網(wǎng)水泵的工作點示意圖

　　(3)一級管網(wǎng)側(cè)調(diào)節(jié)閥開度的確定原理，管網(wǎng)如圖1所示。由于管路中唯一可以改變阻抗的是調(diào)節(jié)閥和變頻泵。對某個換熱站而言，由于管路和換熱器的阻抗不變，在一個新的流量需求下，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，通過節(jié)點流量平衡方程(式1)和回路壓力平衡方程(式2)便可得到各換熱站處調(diào)節(jié)閥兩端的壓降ΔP。那么，在知道各調(diào)節(jié)閥的壓降ΔP和流量Q之后，利用上述分析的閥門流量特性關(guān)系式(見表1)，便能確定各換熱站一級管網(wǎng)側(cè)電動調(diào)節(jié)閥的相對開度。最后借助自動調(diào)節(jié)與控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)閥門閥芯行程，實現(xiàn)對管網(wǎng)的流量調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)換熱站一級管網(wǎng)側(cè)的供熱量來滿足二級管網(wǎng)側(cè)的熱負荷要求。

　　這種調(diào)節(jié)方法，是在滿足節(jié)點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行的，實現(xiàn)了各換熱站電動調(diào)節(jié)閥同時動作，相互不再影響，將各換熱站的流量一次性調(diào)節(jié)至所需的“理想”流量，同時也保證了整個系統(tǒng)的水力與熱力平衡，避免了各換熱站之間無序且又相互影響的調(diào)節(jié)。

六、智能平臺程序框圖

　　供熱管網(wǎng)電動調(diào)節(jié)閥集中控制的運行調(diào)節(jié)的分析計算及反饋執(zhí)行命令，是通過MATLAB軟件實現(xiàn)的，稱為智能控制平臺，其程序框圖如圖3所示。

圖3 智能控制平臺程序框圖

七、結(jié)論

　　實際運行的供熱管網(wǎng)系統(tǒng)是一個十分復雜的網(wǎng)路，系統(tǒng)中任何一處閥門開度的改變，都會導致流量發(fā)生改變，而引起各換熱站之間流量的重新分配，如果不加以科學控制與調(diào)節(jié)，必然會引起水力失調(diào)，而且人們很難從主觀上判斷這種變化趨勢。運用MATLAB軟件作為智能平臺，再結(jié)合電動調(diào)節(jié)閥來對管網(wǎng)進行集中調(diào)節(jié)與控制，從管網(wǎng)整體系統(tǒng)出發(fā)，各電動調(diào)節(jié)閥同時動作，實現(xiàn)調(diào)節(jié)一步到位，迅速準確，提高了供熱管網(wǎng)系統(tǒng)整體運行效果。