CN100489700C - 平衡控制节流一体化的阀门控制方法及阀门装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种阀门控制方法，旨在提供一种应用于中央空调水系统输配过程平衡节流一体化的阀门控制方法，本发明还提供了实现该方法的智能阀门装置。该方法通过智能控制器中设定阀门两端的动态平衡压差设定值和目标空气温度设定值，根据空气温度测量值与空气温度设定值比较，执行PID算法输出单位化的电子阀门开度X值；和无量纲的阀门机械开度ξ，并利用模拟量输出直接调节控制驱动模拟量电动执行器的机械开度。当该阀门控制方法及智能阀门装置应用于中央空调、集中供热管网水系统流量平衡控制和热舒适节流控制时，能显著提高水系统的输配能效比，节能效果十分明显。

Description

平衡控制节流一体化的阀门控制方法及阀门装置

技术领域

本发明涉及一种阀门控制方法，特别涉及一种应用于中央空调水系统输配过程平衡节流一体化的阀门控制方法。本发明还涉及了实现该—体化控制方法的智能阀门装置。

背景技术

在中央空调水系统输配管网中普遍存在着水力失调现象，管网水力不平衡易造成系统能源的浪费和设备运行噪声的增加，动态平衡电动调节阀技术是解决空调末端设备水系统输配的水力平衡和节能控制的最佳手段。

电动动态平衡与节流控制一体的智能阀门装置作为空气品质控制与水系统输配节流控制的智能化集成装置，不仅具有空气热舒适性节流控制功能，而且利用集成的动态流量智能平衡功能实现输配节点的水力平衡，从而提高管网系统的输配能效比，综合节能效果十分显著。

目前普遍应用的动态平衡电动调节阀又称电动动态调节阀，本质上是一种具有机械自力式自动流量平衡功能的压力无关型电动调节阀，这种阀门的动态流量平衡功能的原理十分简单，即一体型或组合型动态平衡电动阀的两端压差DP＝P1—P3随机变化时，利用机械自力式压差控制阀(装置)通过改变压差控制阀门两端的压力差值DP2＝P2—P3自动控制调节阀芯两端的压力差值DP1＝P1—P2恒定，或者利用机械自力式压差平衡控制阀(器)通过改变压差控制阀门两端的压力差值DP1＝P1—P2确保调节阀芯两端压力差值DP2＝P2—P3自动恒定，当电动调节阀的阀芯两端压差自动平衡时，相应实现了动态流量平衡的电动调节阀门功能。

基于弹簧机械自力式原理实现的动态平衡电动阀，存在(1)压差平衡控制器(或称“压差控制阀”)本质上也是流体阻力元件，且这个压差值至少占有动态平衡电动阀节点总压差P的50％左右。在流体输配管网任意节点上，这个近50％的输配能耗没有真正节约；(2)没有真实的高精度传感器测量装置，实际运行时难以实现高精度的流量测量与平衡控制。虽然许多产品名牌标识的流量控制偏差可达到5％，但长时间使用后流量的一致性性与准确度差，且这个5％的误差也是浪费能耗；(3)空调系统供冷/制热输配工况不能实现自动切换。如果没有冬夏模式的智能化自动切换，按夏天模式设定调试的动态平衡电动调节阀在冬天模式运行时将会部分或全部地失去平衡、无法实现精确控制，最终的结果是浪费了输配能耗、降低了系统稳定性和热舒适性；(4)压差P1固定型的动态平衡电动调节阀平衡流量值偏小、适应性差、现场二次设置后调节特性不理想；5)机械自力式原理存在疲劳寿命问题且结构复杂，特别是机械式压差平衡控制器中的薄膜膜片容易疲劳损坏；(6)输配系统的节点压力、压差、流量等信号无法实现BA系统的远程设定与智能监控等缺点。为此，本发明人曾经提出了多种方法，即采用新一代信息电子技术实现一种电子式原理的动态平衡电动调节阀，包括：(一)基于高级智能特征计算方法嵌入到智能控制器，并结合压差传感器、模拟量电动调节蝶阀进行高级组合一体化控制，实现具有理想阀门调节特性的动态流量平衡电动调节阀的控制方法；(二)基于插入式流量传感器、智能控制器、模拟量电动控制阀和嵌入式软件技术实现一种具有等百分比调节特性的压力无关型电动控制阀实现方法；(三)利用两个压力传感器或压差传感器、智能控制器、模拟量电动控制阀和嵌入式高级算法技术构成一种电子原理实现理想等百分比调节特性、并具有自动流量平衡功能的电动调节阀。以上的电动调节阀门装置均可简称电子式动态平衡电动调节阀。

对于中央空调末端设备(包括组合形式空调AHU、新风机组FCU)的热舒适性控制，目前已普遍开始采用房间空气温度传感器、直接数字控制器(DDC)或智能控制仪表、机械式动态平衡电动调节阀的成套组合，实现空气品质控制与动态流量平衡的节能解决方案，这种技术路线可以进一步改进与完善。如果将用于中央空调末端设备控制的DDC与电子式动态平衡电动调节阀的智能仪表装置直接进行集成创新一体化，与最新机械式的动态平衡电动调节阀节能解决方案比较，可以进一步降低管网输配系统的节点压力损失(无需内置机械式压差控制器)，从而明显提高中央空调水系统的输配能效比。

目前公知的还没有发现电动动态平衡与节流控制一体化的智能阀门装置。这种智能型平衡控制节流阀装置同时还具有制冷/制热模式自动切换控制、电动动态流量平衡控制、热舒适性控制等功能。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种应用于中央空调水系统输配过程平衡节流一体化的阀门控制方法，及实现该控制方法的智能阀门装置。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明提供了一种中央空调水系统输配过程平衡节流一体化的阀门控制方法的实现方法，包括以下步骤：

(1)在电动阀门的智能控制器中设定阀门两端的动态平衡压差设定值ΔPS和目标空气温度设定值；

(2)读取中央空调水系统输配管网中水温传感器的测量值，根据设置的标准确定智能控制器的工作状态为制热模式或制冷模式；制冷模式下智能控制器执行PID正作用算法，制热模式下智能控制器执行PID反作用算法；

(3)测量空气温度和阀门两端的动态压差ΔPp；

(4)智能控制器根据空气温度测量值与空气温度设定值比较，执行PID算法输出单位化的电子阀门开度X值；根据公式

$K_V^P\left(\mathrm{\ξ}\right)=K_V^S\left(X\right)\·\sqrt{\mathrm{\Δ}{P}_S/\mathrm{\Δ}{P}_P}$

或

$F\left(\mathrm{\ξ}\right)=\frac{R^X-1}{R-1}\·\sqrt{\mathrm{\Δ}{P}_S/\mathrm{\Δ}{P}_P}$

计算出无量纲的阀门机械开度ξ，并利用模拟量输出直接调节控制驱动模拟量电动执行器的机械开度ξ。

本发明进一步的目的在于提供一种用于实现中央空调水系统输配过程平衡节流一体化控制的智能阀门装置，包括设于电动调节阀阀体内的电动阀体组件，电动阀体组件连接模拟量电动执行器，还有一个设置接线端子的智能控制器，模拟量电动执行器、空气温度传感器、水温度传感器和阀门出入口压差检测装置通过电缆线和接线端子连接至智能控制器。

作为本发明的一种改进，所述空气温度传感器、水温度传感器和阀门出入口压力检测装置通过电缆线和接线端子接入到智能控制器的模拟量输入端。

作为本发明的一种改进，所述阀门出入口压差检测装置是一个压差传感器，其高压端、低压端的测量压力管口分别连接到电动调节阀阀体的入流口和出流口。

作为本发明的一种改进，所述阀门出入口压差检测装置包括两个压力传感器，分别安装于电动调节阀阀体的入流口和出流口。

作为本发明的一种改进，所述模拟量电动执行器通过电缆线和接线端子连接至智能控制器的模拟量输出端。

作为本发明的一种改进，所述模拟量电动执行器是模拟量角行程电动执行器或模拟量直行程电动执行器。

作为本发明的一种改进，所述的电动阀体组件是角行程电动调节蝶阀、角行程电动调节球阀或直行程电动调节座阀，并通过连接件直接安装于电动调节阀体内。

作为本发明的一种改进，所述的水温度传感器是标准RI产品或数字温度传感器，采用搭接或插入形式安装于电动调节阀体上。

作为本发明的一种改进，所述的空气温度传感器是标准RI产品或数字温度传感器，采用墙面安装或风管插入安装形式。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的阀门装置不仅具有热舒适性节流控制功能，而且同时还具有制冷/制热模式自动切换控制、电动动态流量平衡控制等功能。这种电动动态平衡控制与热舒适性节流控制一体化的智能阀门装置属于一种具有理想等百分比调节特性的压力无关型控制阀，其工作压差起始值小、通流能力大、结构简单、运行可靠。当该阀门控制方法及智能阀门装置应用于中央空调、集中供热管网水系统流量平衡控制和热舒适节流控制时，能显著提高水系统的输配能效比，节能效果十分明显。

附图说明

图1为实施例中阀门局部剖视结构示意与装配图；

图2为可调比R＝10时的阀门电子开度(X)与流量(Q/Q_MAX)特性曲线；

图3为可调比R＝40时的阀门电子开度(X)与流量(Q/Q_MAX)特性曲线。

图中：1 高压端压力传感器、2 水温传感器、3 智能控制器、4 接线端子、5连接电缆、6 模拟量电动执行器、7 空气温度传感器、8 电动调节阀体、9 低压端压力传感器、10 电动阀体组件。

具体实施方式

参考附图1，下面将对本发明进行详细描述：

图中给出了一种智能型平衡节流控制阀门装置，包括空气温度传感器7、水温度传感器2、智能控制器3、电动调节阀体8、电动阀体组件10、模拟量电动执行器6，安装于电动调节阀体8入流口的高压端压力传感器1和电动调节阀体8出流口的低压端压力传感器9组成阀门出入口压差检测装置。

所述的空气温度传感器7、水温度传感器2、高压端压力传感器1和低压端压力传感器9通过电缆线5和接线端子4依次接入到智能控制器3的模拟量输入端；智能控制器3的模拟量输出端通过接线端子4和电缆线5与模拟量电动执行器6连接。模拟量电动执行器6连接电动阀体组件10，电动阀体组件10通过连接件直接安装于电动调节阀阀体8内。

阀门出入口压差检测装置也可以采用一个压差传感器，其高压端、低压端的测量压力管口分别连接到电动调节阀体的入流口、出流口的壁面。

模拟量电动执行器6可以是模拟量角行程电动执行器或模拟量直行程电动执行器。电动阀体组件10可以是角行程电动调节蝶阀、角行程电动调节球阀或直行程电动调节座阀。

水温度传感器2、空气温度传感器7可以采用PT100、PT500、PT1000、NI1000等无源形式的标准RI类产品，也可以采用数字温度传感器。水温度传感器2采用搭接或插入形式安装于电动调节阀体8上。空气温度传感器7采用墙面安装或风管插入安装形式。

高压端压力传感器1、低压端压力传感器9、智能控制器3、模拟量电动执行器6、电动阀体组件10和电动调节阀体8共同构成了流量调节和流量平衡控制装置。

智能控制器3内嵌入或者下载一种“热舒适性节流控制与电动动态流量智能平衡控制的程序”。利用该程序，智能控制器3根据水温传感器的测量温度值作定性判断，以决定制冷模式或制热模式工作，一般地当水温小于20度时自动选择制冷模式，水温大于30度时自动选择是制热模式，20～30度为过渡区，维持上一次运行模式(空调制冷模式的水温一般小于10度，制热模式的水温一般大于50度)。智能控制器3既可以采用具有高级数学函数计算功能和可实现PID控制算法的通用型控制器，也可以专门开发的智能控制器产品(例如基于单片机MCU的开发)。

一种电动动态平衡与节流控制一体化的实际控制方法，我们引入一个无量纲的阀门电子开度X。

其中：X∈[0，1]                         (1)

智能控制器3利用空气温度传感器7测量目标空气温度，根据与空气温度设定值比较执行PID算法(如果是制冷模式采取正作用PID、制热模式采取反作用PID)输出单位化的电子阀门开度X值。如图2或图3所示，在给定的标称阀门规格下，不同的X值对应唯一的有量纲水流量值，这就是所谓的电动动态流量智能平衡功能。

阀门流量调节特性计算公式定义如下：

$Q_S=K_V^S\·\sqrt{\mathrm{\Δ}{P}_S}---\left(2\right)$

其中流量系数： $K_V^S=K_V\left(X\right)---\left(3\right)$

定义电动调节阀的可调比R，则理想等百分比调节特性计算公式：

$K_V^S=K_V^S\left(X\right)=K_{\mathrm{VS}}\·(R^X-1)/(R-1)---\left(4\right)$

其中调节阀的最大流量系数； $K_{\mathrm{VS}}=K_V^S\left(1\right)---\left(5\right)$

显然，给定阀门的电子开度X时其动态平衡流量控制设定值自然给定。

我们再定义智能控制器3的无量纲模拟量输出值变量ξ(标准控制信号驱动模拟量电动执行器的无量纲机械开度ξ，也就是阀门的无量纲机械开度ξ，且ξ∈[0，1])， $Q_P=K_V^P\left(\mathrm{\ξ}\right)\·\sqrt{\mathrm{\Δ}{P}_P}.$

给定阀门两端的动态压差设定值ΔP_S＝(P₁-P₂)_S，当阀两端的动态压差测量值ΔP_P＝(P₁-P₂)_P随机变化时，为了保持动态流量的自动恒定控制，必须存在下列关系式：

Q_P＝Q_S                                 (6)

即： $K_V^P\left(\mathrm{\ξ}\right)\·\sqrt{\mathrm{\Δ}{P}_P}=K_V^S\left(X\right)\·\sqrt{\mathrm{\Δ}{P}_S}---\left(7\right)$

所以有： $K_V^P\left(\mathrm{\ξ}\right)=K_V^S\left(X\right)\·\sqrt{\mathrm{\Δ}{P}_S/\mathrm{\Δ}{P}_P}---\left(8\right)$

显然，当ΔP_S＝ΔP_P时，存在 $K_V^P\left(\mathrm{\ξ}\right)=K_V^S\left(X\right),$ 对于特殊形式的理想等百分比调节特性的电动阀门，还可以简化到ξ＝X，此时阀门的电子开度与机械开度完全一致，即无须对阀门机械开度的输出调节进行计算修正。

每一个给定电动调节阀门的机械调节特性即使不理想，总存在数学拟合函数公式：

$K_V^P\left(\mathrm{\ξ}\right)=K_{\mathrm{VS}}\·F\left(\mathrm{\ξ}\right)---\left(9\right)$

而理想等百分比调节公式：

$K_V^S\left(X\right)=K_{\mathrm{VS}}\·(R^X-1)/(R-1)---(10-1)$

或者近似简化的等百分比调节公式：

$K_V^S\left(X\right)=K_{\mathrm{VS}}\·\left(R^{X-1}\right)---(10-2)$

将公式(10-1)、(9)代入到公式(8)，简化后可得到通用公式：

$F\left(\mathrm{\ξ}\right)=\frac{R^X-1}{R-1}\·\sqrt{\mathrm{\Δ}{P}_S/\mathrm{\Δ}{P}_P}---\left(11\right)$

利用数学反函数或反函数拟合公式可以直接求得机械开度ξ。

在电动调节阀门的机械调节特性已知给定的情况下，给定阀门两端的动态压差设定值ΔP_S＝(P₁-P₂)_S，当阀门两端的动态压差测量值ΔP_P已知时，智能控制器3利用公式(11)对电子开度值X进行动态计算后，利用数学反函数直接输出机械开度ξ。且ΔP_P的随机变化总是可以通过阀门机械开度ξ的调节修正实现阀门流量的动态平衡。

公式(8)或公式(11)也可以采用近似数学拟合公式或数值离散点形式进行方法。

本发明的动态平衡电动调节阀实现方法步骤如下：

(1)设定阀门的动态平衡压差设定值ΔP_S、空气温度设定值；

(2)读入水温传感器的测量值确定制热模式或制冷模式。如果是制冷模式采取正作用PID、制热模式时采取反作用PID；

(3)测量空气温度、测量阀门两端的动态压差ΔP_P(可以利用两个压力传感器的测量值计算得到，也可以直接利用压差传感器进行测量得到)；

(4)根据空气温度测量值与空气温度设定值比较，执行PID算法输出单位化的电子阀门开度X值。

(5)同时，智能控制器根据计算公式(8)或者计算公式(11)，结合数学库的反函数计算出无量纲的阀门机械开度ξ，利用模拟量输出直接调节控制驱动模拟量电动执行器的机械开度ξ，从而实现动态流量的自动平衡控制和热舒适性的节流控制。

实际使用时，只需要更换智能控制器的特征计算公式(通过数学方法实现)，还可以实现线性调节特性、或者抛物线调节特性，且这些理想调节特性均属于压力无关型的调节，并具有自动流量智能平衡功能和热舒适性控制功能。

显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (1)

1、一种平衡控制节流一体化的阀门控制方法，包括以下步骤：

(1)在电动阀门的智能控制器中设定阀门两端的动态平衡压差设定值ΔP_S和目标空气温度设定值；

(2)读取输配管网中水温传感器的测量值，根据设置的标准确定智能控制器的工作状态为制热模式或制冷模式；制冷模式下智能控制器执行PID正作用算法，制热模式下智能控制器执行PID反作用算法；

(3)测量目标点的空气温度和阀门两端的动态压差ΔP_P；

(4)智能控制器根据空气温度测量值与空气温度设定值比较，执行PID算法输出单位化的电子阀门开度X值；根据公式

$K_V^P\left(\mathrm{\ξ}\right)=K_V^S\left(X\right)\·\sqrt{\mathrm{\Δ}{P}_S/\mathrm{\Δ}{P}_P}$

或  $F\left(\mathrm{\ξ}\right)=\frac{R^X-1}{R-1}\·\sqrt{\mathrm{\Δ}{P}_S/\mathrm{\Δ}{P}_P}$

利用数学反函数库计算出无量纲的阀门机械开度ξ，并利用模拟量输出直接调节控制驱动模拟量电动执行器的机械开度ξ；

所述智能控制器根据水温传感器的测量温度值作定性判断，以决定制冷模式或制热模式工作；当水温小于20度时自动选择制冷模式，水温大于30度时自动选择制热模式，20～30度为过渡区，维持上一次运行模式。

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