CN102305432B - 热网监控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热网监控系统及方法。本发明可以解决现有技术热能利用率低下的问题，其技术方案要点是，热网监控系统，包括上位机和子监控系统，子监控系统包括控制器、一次侧电动调节阀、热网一次侧循环泵调速器、热网二次侧循环泵调速器、补水泵调速器，一次侧电动调节阀与控制器电连接，控制器通过热网二次侧循环泵调速器与热网二次侧循环泵电连接，控制器通过热网一次侧循环泵调速器与热网一次侧循环泵电连接，补水泵调速器与补水泵电连接，补水泵调速器上连接有补水启动电路，热网上设置有传感器和热能表，传感器、热能表均与控制器电连接，控制器均通过通讯网络与上位机进行通讯。能通过多种控制方式，保证热能最大利用率。

Description

热网监控系统及方法

技术领域

本发明涉及一种热网监控系统及方法，特别涉及一种能主动根据不同热网的运行状态进行自动调节供热管道一次侧流量和二次侧流量，通过多种控制方式，保证热能最大利用率的热网监控系统及方法。

背景技术

中国是能耗大国，能源利用率非常低，能源储备明显不足。我国北方大部分地区冬季时间长，为保障居民的正常取暖，相应供暖期就比较长，部分地区一年当中有一半以上的时间都需要供暖，供暖行业已经成为一个能源消耗巨大的行业。这样，在保障居民正常取暖的前提下，如何响应国家的要求，最大限度地节能降耗，已经成为供暖企业当前的主要课题。为了实现节能和环保的目标，我国北方地区已经或者正在推行集中供暖，由集中供暖中心将从锅炉制热后的热源进入热网主管，热网主管与一次侧管网的供水端和回水端相连，热源通过一次侧循环水泵在一次侧管网中循环，它的作用是将一次侧管网中的热源通过板式换热器，使二次侧管网制热，利用二次侧或三次侧管网向最终用户供暖。当前大部分新建的或在建的供暖中心、换热中心都已经开始考虑自动化控制，无人值守、远程监控等先进的管理方案，但大部分尚未改造的热网还存在能源浪费、管理粗放等问题，特别是在冬季供热过程中，当天气出现较低温度时，热负荷变大，各用户争相提高阀门开度或供水温度，可能会出现热源暂时不足的情况，这种情况下各用户抢热，如果没有控制措施，就可能会出现近端热负荷基本能够保证，而远端热负荷无法满足，尤其是最不利回路，甚至会比正常天气时室内温度还要低的现象，出现热网水力失调的严重问题。

中国专利公告号CN 201636989U，公开日2010年11月17日，公开了一种热网管网监控系统，监控系统包括热网监控系统和若干个用户监控系统，热网监控系统与用户监控系统为GPRS无线连接，将热网与用户的热力使用情况进行全面监控。此技术方案虽然公开的监控方式能够起到监控作用，但是在实际控制中，还是存在有大量的浪费现象，对供热管道而言依然会有很大的热浪费，一次侧和二次侧的管道内均存在有供热交换不彻底、流速太快、供热管压力过大、热利用率低下的问题，在冬季供热过程中，当天气出现较低温度时，热负荷变大，各用户争相提高阀门开度或供水温度，可能会出现热源暂时不足的情况，这种情况下各用户抢热，如果没有控制措施，就可能会出现近端热负荷基本能够保证，而远端热负荷无法满足，尤其是最不利回路，甚至会比正常天气时室内温度还要低的现象，出现热网水力失调的严重问题。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术热网监控系统及方法采用单一控制方式无法针对不同热能负荷需求进行有效调整整体热能分配的问题，提供了一种能主动根据不同热网的运行状态进行自动调节供热管道一次侧流量和二次侧流量，通过多种控制方式，保证热能最大利用率的热网监控系统及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种热网监控系统，包括给整个系统供电的电源、控制电源、上位机和至少一个子监控系统，所述的子监控系统包括有控制器、一次侧电动调节阀、热网一次侧循环泵调速器、热网二次侧循环泵调速器、补水泵调速器，所述的一次侧电动调节阀与控制器电连接，所述的控制器通过所述的热网二次侧循环泵调速器与热网二次侧循环泵电连接，所述的控制器通过所述的热网一次侧循环泵调速器与热网一次侧循环泵电连接，所述的补水泵调速器与补水泵电连接，所述的补水泵调速器上连接有补水启动电路，所述的热网一次侧管网和热网二次侧管网上均设置有若干个传感器和热能表，所述的传感器、热能表均与所述的控制器电连接，所述的控制器通过通讯网络与上位机进行通讯。这样设置，控制器接收传感器信号和热能表的信号作为环境变量，控制器根据设定程序和环境变量发出工作信号至一次侧电动调节阀，控制一次侧电动调节阀的开度，保证一次侧热水的供应，热网一次侧循环泵将热网一次侧管网维持在一个正常压力差范围内，同时根据需求控制热网二次侧循环泵的转速和补水泵是否启动，保证热网二次侧管道的压力，上位机和GPRS的设置，保证了上位机与控制器之间的通讯，使用者能够采用方便的远程控制。

作为优选，所述的若干个传感器包括设置在热网一次侧管网上的一次侧供水压力传感器、一次侧回水压力传感器、设置在热网二次侧管网上的二次侧供水压力传感器、二次侧回水压力传感器、所述的热能表包括设置在一次侧管网上的一次侧热能表和设置在二次侧管网上的二次侧热能表。一次侧供水压力传感器、一次侧回水压力传感器、二次侧供水压力传感器、二次侧回水压力传感器将测得的压力传输至控制器，由控制器控制热网一次侧循环泵、热网二次侧循环泵的转速以及补水泵的开启保证一次侧管网和二次侧管网的管网工作在正常压力下；一次侧热能表和二次侧热能表的设置可测得出一次侧管网的供水、回水温度以及二次侧管网的供水、回水温度，将这些温度作为变量输入至控制器，控制器可以根据这些变量控制一次侧电动调节阀的开度，达到热能的合理控制。

作为优选，所述的子监控系统还包括有气候补偿器，所述的气候补偿器与所述的控制器电连接。气候补偿器就能够按照室内采暖的实际需求，有效利用自由热，对热网的供热量进行有效的调节，将有利于供热的节能，他可以根据室外气候的温度变化，用户设定的不同时间的室内温度要求，按照设定的曲线自动控制供水温度，实现热网供水温度的气候补偿；另外它还可以通过室内温度传感器，根据室温调节供水温度，实现室温补偿的同时，还具有限定最低回水温度的功能，是局部调节的有力手段。

作为优选，所述的补水启动电路包括手控电路和自动控制电路，所述的自动控制电路的控制端与所述的控制器电连接，所述的手控电路包括补水继电器K5、K6，所述的补水继电器K5常开触点和补水继电器K6常闭触点串联后与手动按钮A1并联构成手控电路，所述补水继电器K5、K6的线圈与压力表开关电连接，所述的压力表开关设置在热网的二次侧管网上。这样设置，既能通过控制器根据现场环境变量计算是够需要补水、具体补水的量地多少，实现自动补水；又有人工手动控制保证了在各种情况下，都能由人工进行具体调节；在人工调节的过程中，补水继电器的设置也确保了在人工调节的过程中，一旦手动控制时出现调节不到位，热网二次侧管网达到极限压力或是达不到正常压力，也能自动断开或是自动补水。

作为优选，所述的子监控系统还包括有设置在热网二次侧管网上的泄水电磁阀，所述的泄水电磁阀控制端与所述的控制器电连接。这样设置，当管网中液体受热膨胀超出临界压力时，控制泄水电磁阀动作实现超压泄水。

一种热网监控方法，能根据热网一次侧管道和热网二次侧管道的运行状态以及环境状态进行自动控制，所述的热网监控方法包括以下几个步骤：

步骤一，根据热网一次侧管网的供水压力和回水压力，控制器根据设定程序发出工作信号至热网一次侧循环泵将热网一次侧管网维持在一个正常压力差范围内。

步骤二，将采集到的室外温度、一次侧回水温度、一次侧供水温度、二次侧回水温度、二次侧供水温度作为变量输入至控制器，控制器根据程序设定，自动控制一次侧电动调节阀的开启角度，以使得一次侧供水量可以根据室外的温度变化而变化，当外界气温升高时将相应减小电动调节阀的开启角度， 当外界气温降低时将相应增大电动调节阀的开启角度，以最大限度地减小供热中心的供热量，最大限度地节能降耗。

步骤三，当热网一次侧管网的温度高于设定温度值时，控制器认为已经具备工作条件，由控制器发出启动信号，热网二次侧管网供水、回水的压力两压力值反馈至控制器中，由控制器计算并根据热网二次侧管网设定的压力差自动控制热网二次侧循环水泵启动及转速；当热网一次侧管网的温度低于设定温度时，控制器认为热网不具备工作条件，发出停止指令，热网二次侧循环泵停止动作。

步骤四，将热网二次侧管网的回水的压力实时反馈给控制器，由控制器发出信号控制补水泵的转速，维持热网二次侧管网正常的压力，当热网二次侧管网中液体受热膨胀超出临界压力时，控制器控制泄水电磁阀动作实现超压泄水。

步骤五，控制器根据内部所设的反馈压力下限与热网二次侧管网压力进行比较，如果反馈压力持续低于反馈下限，控制器将认为发生了爆管事故，会发出一个开关量信号，热网二次侧循环泵、补水泵停止工作并产生报警信号。这样设置，整个热网能主动根据不同热网的运行状态和周边环境调整热网自锁工作状态，通过自动调节供热管道一次侧流量和二次侧流量，保证热网内各热网的一次侧管网和二次侧管网都能运行在合适的工作压力下，在热网管网出现故障时能自动进行调整、报警。

作为优选方案，所述的步骤二中，控制器根据控制程序设置有三种控制方式，包括气候补偿控制方式、分时控制方式和最大功率控制方式，控制器根据使用者的设定选择所述的一种控制方式进行控制。控制器设定有多种控制方式，可以根据各种外部环境进行控制，能更有效地进行控制。

作为优选方案，所述的气候补偿控制方式为：控制器根据热网一次侧管网供水温度、回水温度、热网二次侧管网供水温度、回水温度、室外温度的变化设定温度控制曲线，自动调节一次侧网电动阀门的开度以控制热网一次侧管网的流量，从而实现对热网二次侧管网热量的控制。气候补偿控制方式的设定符合大部分时间内热网的需要，可以自动根据天气进行调节热网一次侧管网的流量，保证热网二次侧管网的热量满足需求。

作为优选方案，所述的最大热量控制方式为：控制器在最大限定值的限制下进行气候补偿控制，以热量值为控制目标，不允许热量值超出最大限定值，即使二次侧需求的热量值大于目前热量值，电动调节阀仍以最大限定值对应的开启角度进行工作。因为，在整个冬季供热过程中，当天气出现较低温度时，热负荷变大，各用户争相提高阀门开度或供水温度，可能会出现热源暂时不足的情况。这种情况下各用户抢热，如果没有控制措施，就可能会出现近端热负荷基本能够保证，而远端热负荷无法满足，尤其是最不利回路，甚至会比正常天气时室内温度还要低的现象，出现供热系统水力失调的严重问题，设计最大热量控制方式，就是为了保证供热管网水力均衡、系统安全的控制方式，管理者根据热源总出力按各站点面积或者负荷按比例均匀分配总负荷，这样当超出热源出力的低温天气负荷需求出现时，管网系统中各站点的供应负荷是有限制的，这个限制保证热网全网负荷均匀，热网不会出现水力失调现象。

作为优选方案，所述的分时控制方式为：控制器根据热网一次侧管网供水温度、回水温度、热网二次侧管网供水温度、回水温度、室外温度的变化以及当前时间的供热目标限定值设定温度控制曲线，自动调节一次侧电动阀的开度以控制热网一次侧网的流量，从而实现对热网二次侧管网热量的控制。分时控制方式对供热系统或者用户更为合理，每天或每月、整个采暖季分为不同的负荷需求区间，设置了不同工作区间的热量调节控制器自动按区间设置的控制目标工作，例如办公楼白天正常用热，晚间室温可以设置低些，控制器就可以按设置的时间和参数自动完成控制，以达到节能的目的。

本发明的有益效果是：本发明能主动根据不同热网的运行状态进行自动调节供热管道一次侧流量和二次侧流量，通过多种控制方式，保证热能最大利用率、保持二次侧热源流量流速，保证二次侧管网压力正常的作用。

附图说明

图1是本发明的一种电路原理图；

图2是本发明的一种主流程图；

图3是本发明中补水启动电路的一种电路示意图；

图4是本发明中补水启动电路的一种自动控制电路的控制端与控制器电连接示意图；

图5是本发明中压力表开关的一种电路示意图。

图中：11、上位机，12、控制器，13、GPRS通讯网络，21、热网一次侧循环泵调速器，22、热网二次侧循环泵调速器，23、热网一次侧循环泵，24、热网二次侧循环泵，25、补水泵调速器，26、补水泵，27、补水启动电路，28、变频器端子，29、压力表开关，30、气候补偿器，31、一次侧电动调节阀，32、泄水电磁阀，3、一次侧热能表，4、二次侧热能表，5、一次侧供水压力传感器，6、一次侧回水压力传感器，7、二次侧供水压力传感器，8、二次侧回水压力传感器。 

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。

实施例：

一种热网监控系统（参照附图1），本实施例对热网进行节能控制，热网包括热网主管，由热源供热的一次侧管网和多个直接面向客户的二次侧管网，热源进入热网主管，热网主管与一次侧管网的供水端和回水端相连，一次侧管网和二次侧管网之间通过换热器进行热交换，一次侧管网上设置有热网一次侧循环泵23，二次侧管网上设置有热网二次侧循环泵22，热网还包括有补水箱，补水箱可通过补水泵26向二次侧管网进行补水，本实施例由一个子监控系统和上位机11构成，包括给整个子监控系统供电的电源、控制电源、控制器12，控制器12通过GPRS通讯网络13与上位机11进行通讯，控制器12通过热网一次侧循环泵调速器21与热网一次侧循环泵23连接，控制器12通过热网二次侧循环泵调速器22与热网二次侧循环泵24连接，本实施例中，热网一次侧循环泵调速器21、热网二次侧循环泵调速器22均为变频器；补水泵26与补水泵调速器25电连接（参见附图3），补水泵调速器25为变频器，补水泵调速器25的S1端子通过补水启动电路27与补水泵调速器25的CM端子电连接，补水启动电路27包括手控电路和自动控制电路（参见附图3），自动控制电路包括补水继电器K4常开触点， 补水继电器K4常开触点的一端与S1端子电连接，补水继电器K4常开触点的另一端与选择开关的选择端电连接，选择开关的固定端与CM端子电连接，手控电路包括补水继电器K5、K6，补水继电器K5常开触点和补水继电器K6常闭触点串联后与手动按钮A1并联，手动按钮A1的一端与S1端子电连接，手动按钮A1的另一端与选择开关的选择端电连接，压力表开关29（参见附图5）的左端接口与补水继电器K5线圈电连接，压力表开关29的右端接口与补水继电器K6线圈电连接，压力表开关29设置在热网的二次侧管网上，补水继电器K4的线圈（参见附图4）与控制器2电连接；热网监控系统还包括气候补偿器30、设置在热网一次侧管网上的一次侧供水压力传感器5、一次侧回水压力传感器6、设置在热网二次侧管网上的二次侧供水压力传感器7、二次侧回水压力传感器8、热网一次侧管网上设置有一次侧热能表3、热网二次侧管网上设置有二次侧热能表4，一次侧供水压力传感器5、一次侧回水压力传感器6、二次侧供水压力传感器7、二次侧回水压力传感器8、一次侧热能表3、二次侧热能表4的输出端均与控制器12电连接；热网一次侧管网上在换热器之前设置有一次侧电动调节阀31、热网二次侧管网上在换热器之后设置有泄水电磁阀32，一次侧电动调节阀31、泄水电磁阀32的输入端均与控制器电连接；在本实施例中，控制器12采用PLC，PLC中包括用于计数、模拟量输入输出、开关量输入输出的238-2BC00模块、238-2BC01模块一个用于模拟量输入的231-1BD53模块，一个RS485模块和CPU214SER模块，CPU214SER模块为计算模块；本实施例中，热网一次侧循环泵调速器21、热网二次侧循环泵调速器22、气候补偿器30的输出端、一次侧电动调节阀31的信号输入端、信号反馈端、泄水电磁阀32的信号输入端、信号反馈端与238-2BC00模块、238-2BC01模块电连接，一次侧供水压力传感器5、一次侧回水压力传感器6、二次侧供水压力传感器7、二次侧回水压力传感器8的输出端均与231-1BD53模块电连接，一次侧热能表3、二次侧热能表4的输出端与RS485模块电连接。在多换热器、多次侧换热的情况下，可将本实施例中的子监控系统对应换热器进行设置，子监控系统与上位机11构成星形通讯网络。

一种热网监控方法（参见附图2），能根据热网一次侧管道和热网二次侧管道的运行状态以及环境状态进行自动控制，首先进行初始化，控制器12读取控制程序、开始与上位机通过GPRS网络进行通讯，设置在热网一次侧管网上的一次侧供水压力传感器5、一次侧回水压力传感器6、设置在热网二次侧管网上的二次侧供水压力传感器7、二次侧回水压力传感器8、设置在一次侧管网上的一次侧热能表3和设置在二次侧管网上的二次侧热能表4均读取初始数值进入工作状态；一次侧电动调节阀31和泄水电磁阀32读取初始开度，气候补偿器30开始测量室外温度。

然后，控制器12读取一次侧供水压力传感器5、一次侧回水压力传感器6信号，发出控制信号至热网一次侧循环泵调速器21，热网一次侧循环泵调速器21对热网一次侧循环泵23进行变频控制，热网一次侧循环泵23工作，将热网一次侧管网维持在一个正常压力差范围内。

控制器12通过气候补偿器30、一次侧热能表3、二次侧热能表4获取室外温度、一次侧回水温度、一次侧供水温度、二次侧回水温度、二次侧供水温度，此时，使用者可以通过上位机对控制器发出指令，选择气候补偿控制方式、分时控制方式和最大功率控制方式三种控制方式中的一种控制方式制作温度控制曲线对一次侧电动调节阀的开启角度进行控制，如果使用者没有进行选择，控制器可按默认的气候补偿控制方式进行控制。

气候补偿控制方式为：控制器根据热网一次侧管网供水温度、回水温度、热网二次侧管网供水温度、回水温度、室外温度的变化设定温度控制曲线，自动调节一次侧网电动阀门的开度以控制热网一次侧管网的流量，从而实现对热网二次侧管网热量的控制，本实施例中，温度控制曲线由控制器的变量做多输入单输出的PID运算后得出。最大热量控制方式为：控制器在最大限定值的限制下进行气候补偿控制，以热量值为控制目标，不允许热量值超出最大限定值，即使二次侧需求的热量值大于目前热量值，电动调节阀仍以最大限定值对应的开启角度进行工作，在本实施例中，最大限定值的设定可由认为设定，也可根据热网二次侧管网的回路的数量进行自动设定，同时不同子中的一次侧电动阀的最大限定值可以相同也可以采用不同的开启角度的限定值，作为优选，对应各二次侧管网回路的一次侧电动阀的开度依次侧渐变，其中对应二次侧管网最不利回路的一次侧电动阀开度的最大限定值可设置为最大，对应二次侧管网最优回路的一次侧电动阀开度的最大限定值可设置为最小。控制器根据热网一次侧管网供水温度、回水温度、热网二次侧管网供水温度、回水温度、室外温度的变化以及当前时间的供热目标限定值设定温度控制曲线，自动调节一次侧电动阀的开度以控制热网一次侧网的流量，从而实现对热网二次侧管网热量的控制，本实施例中，当前时间数值由上位机统一提供，当前时间数值对应设置有一次侧电动阀开度的最大限定值，即不同时间段设置有不同的热量最大限定值，保证不同时间、面对不同服务对象子监控系统的一次侧电动阀在不同时段有不同的开启角度的限度，作为优选，面向办公楼、工厂等生产单位、企业，白天一次侧电动阀开度的最大限定值设置正常，晚间一次侧电动阀开度的最大限定值可以设置低些，对应住宅区、生活区、商业区则日间一次侧电动阀开度的最大限定值可以设置低些，晚间一次侧电动阀开度的最大限定值设置为正常，如此控制器就可以按设置的时间和参数自动完成控制，以达到节能的目的。

当热网一次侧管网的温度高于设定温度值时，控制器认为已经具备工作条件，由控制器发出启动信号，热网二次侧管网供水、回水的压力两压力值反馈至控制器中，由控制器计算并根据热网二次侧管网设定的压力差自动控制热网二次侧循环水泵启动及转速；当热网一次侧管网的温度低于设定温度时，控制器认为热网不具备工作条件，发出停止指令，热网二次侧循环泵停止动作。

当处于供热过程中，二次侧供水压力传感器7，二次侧回水压力传感器8将热网二次侧管网的回水的压力实时反馈给控制器12，由控制器12发出信号至补水泵调速器25和热网二次侧循环泵调速器22，热网二次侧循环泵调速器22控制热网二次侧循环泵24的转速、补水泵调速器25控制补水泵26的转速，或者是由人工进行现场调节控制补水启动电路27驱动补水泵26以维持热网二次侧管网正常的压力，当热网二次侧管网中液体受热膨胀超出临界压力时，控制器12控制泄水电磁阀32动作实现超压泄水。

在供热过程中，控制器12根据内部所设的反馈压力下限与热网二次侧管网压力进行比较，如果反馈压力持续低于反馈下限，控制器将认为发生了爆管事故，会发出一个开关量信号，热网二次侧循环泵24、补水泵26停止工作并产生报警信号至上位机11。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (3)

1.一种热网监控方法，能根据热网一次侧管道和热网二次侧管道的运行状态以及环境状态进行自动控制，其特征在于，所述的热网监控方法包括以下几个步骤：

步骤一，根据热网一次侧管网的供水压力和回水压力，控制器根据设定程序发出工作信号至热网一次侧循环泵将热网一次侧管网维持在一个正常压力差范围内；

步骤二，将采集到的室外温度、一次侧回水温度、一次侧供水温度、二次侧回水温度、二次侧供水温度作为变量输入至控制器，控制器根据程序设定，自动控制一次侧电动调节阀的开启角度，以使得一次侧供水量可以根据室外的温度变化而变化，当外界气温升高时将相应减小电动调节阀的开启角度， 当外界气温降低时将相应增大电动调节阀的开启角度，以最大限度地减小供热中心的供热量，最大限度地节能降耗；

步骤三，当热网一次侧管网的温度高于设定温度值时，控制器认为已经具备工作条件，由控制器发出启动信号，热网二次侧管网供水、回水的压力两压力值反馈至控制器中，由控制器计算并根据热网二次侧管网设定的压力差自动控制热网二次侧循环水泵启动及转速；当热网一次侧管网的温度低于设定温度时，控制器认为热网不具备工作条件，发出停止指令，热网二次侧循环泵停止动作；

步骤四，将热网二次侧管网的回水的压力实时反馈给控制器，由控制器发出信号控制补水泵的转速，维持热网二次侧管网正常的压力，当热网二次侧管网中液体受热膨胀超出临界压力时，控制器控制泄水电磁阀动作实现超压泄水；

步骤五，控制器根据内部所设的反馈压力下限与热网二次侧管网压力进行比较，如果反馈压力持续低于反馈下限，控制器将认为发生了爆管事故，会发出一个开关量信号，热网二次侧循环泵、补水泵停止工作并产生报警信号。

2.根据权利要求1所述的热网监控方法，其特征在于：所述的步骤二中，控制器根据控制程序设置有三种控制方式，包括气候补偿控制方式、分时控制方式和最大功率控制方式，控制器根据使用者的设定选择所述的一种控制方式进行控制。

3.根据权利要求2所述的热网监控方法，其特征在于：所述的最大热量控制方式为：控制器在最大限定值的限制下进行气候补偿控制，以热量值为控制目标，不允许热量值超出最大限定值，即使二次侧需求的热量值大于目前热量值，电动调节阀仍以最大限定值对应的开启角度进行工作。

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