CN108386901A - 由水轮机发电驱动的热力入口智能控制系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种由水轮机发电驱动的热力入口智能控制系统，其步骤如下：获取建筑物基本信息；获取系统实时运行参数；给定控制参数设定值；给定智能控制算法；根据控制参数设定值和实际运行参数的误差和控制算法，计算得出控制信号；根据控制信号驱动电调阀调节热力入口流量，进而实现建筑物供暖系统的热力平衡，满足热用户对供暖质量的要求，实现供暖末端(二次网建筑物)热力入口的自动化和智能化控制；控制中心可以采集热力入口上传的实时运行数据和下发控制指令到各热力入口；控制中心可实现相应的智慧供热管控功能，包括实时运行数据采集、计算、控制策略、控制指令下发、数据呈现、热力平衡、地理信息系统。

Description

由水轮机发电驱动的热力入口智能控制系统及控制方法
技术领域
本发明属于热力系统技术领域，具体涉及一种由水轮机发电驱动的热力入口智能控制系统及控制方法。
背景技术
目前，供暖系统热力入口装置的现状是：
(1)大部分区域供热系统热力入口没有流量调节装置或其已经失效；
(2)热力入口不具备实时数据采集、上传和反馈功能；
(3)热力入口没有与控制中心存在数据交互功能；
(4)没有采用水轮机方式通过管道中水的流动进行发电和存储，并驱动自力式动态差压平衡型电调阀动作进行流量控制；
(5)没有将二次网热力入口功能集成，实现过滤、发电、存储、数据采集、电调阀自动控制、信号传输、接收来自上位的指令进行自动控制。
因此，研制一种在热力入口集成发电、存储、数据采集、电调阀自动控制、信号传输、接收来自控制中心的指令进行自动控制各种功能的，由水轮机发电驱动的热力入口智能控制系统及控制方法是非常必要的，并且该发明也具有重要的实际应用前景。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明的第一个目的在于公开一种由水轮机发电驱动的热力入口智能控制系统；本发明的第二个目的在于公开一种基于由水轮机发电驱动的热力入口智能控制系统的控制方法；实现了在热力入口集成发电、存储、数据采集、电调阀自动控制、信号传输、接收来自控制中心的指令进行自动控制各种功能。
为了实现上述目标，本发明所采用的技术方案是：
由水轮机发电驱动的热力入口智能控制系统，包括控制中心(1)、若干个智能控制器(2)、若干个电调阀(3)和若干个水轮机(4)，
所述水轮机(4)利用热力入口管道中水的流动发电并为所述智能控制器(2)和所述电调阀(3)供电，
所述智能控制器(2)采集热力入口的实时运行参数，根据控制策略和控制参数设定值与热力入口实时运行参数之间的误差得出控制信号，然后发送给所述电调阀(3)调节热力入口的流量，
所述控制中心(1)接收各热力入口的所述智能控制器(2)上传的实时运行数据，下发控制指令、控制参数设定值到所述智能控制器(2)控制各热力入口的热力平衡。
前述的由水轮机发电驱动的热力入口智能控制系统，所述水轮机(4)还包括：电能储存装置(41)和电源转换装置(42)，所述电能储存装置(41)储存所述水轮机(4)产生的电能，通过所述电源转换装置(42)为所述智能控制器(2)和所述电调阀(3)供电。
前述的由水轮机发电驱动的热力入口智能控制系统，所述控制中心(1)包括但不限于以下功能：运行数据计算、控制策略、控制指令下发、数据呈现、热力平衡、地理信息系统、运行状态评价。
前述的由水轮机发电驱动的热力入口智能控制系统，所述智能控制器(2)与所述控制中心(1)通过网络连接。
前述的由水轮机发电驱动的热力入口智能控制系统，所述电调阀(3)为自力式动态压差平衡型电调阀。
前述的由水轮机发电驱动的热力入口智能控制系统，所述智能控制器(2)采集的热力入口实时运行参数包括但不限于以下各项：供水温度、回水温度、水轮机转速、电调阀开度、室内温度。
前述的由水轮机发电驱动的热力入口智能控制系统，所述控制中心(1)的控制参数设定值包括但不限于以下各项：室内温度设定值、供回水温度平均值的设定值、回水温度设定值。
一种基于前述的由水轮机发电驱动的热力入口智能控制系统的控制方法，包括以下步骤：
S1、获取建筑物基本信息，执行步骤S2；
S2、获取系统实时运行参数，执行步骤S3；
S3、给定控制参数设定值，执行步骤S4；
S4、给定智能控制策略，执行步骤S5；
S5、智能控制器根据控制参数设定值和实际运行参数的误差和控制算法，计算得出控制信号，执行步骤S7；
S6、控制中心下发控制指令、控制参数设定值控制各热力入口的热力平衡，执行步骤S7；
S7、电调阀动作调节热力入口的流量。
前述的控制方法，所述步骤S1中，所述建筑物基本信息包括但不限于以下各项：建筑物实际供热面积、设计室外温度、设计室内温度、设计热负荷指标、设计二次网供水温度、设计二次网回水温度、末端散热装置传热系数实验中的计算系数。
前述的控制方法，所述步骤S2中，所述实时运行参数的采集间隔调节范围为5分钟/次至1小时/次。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
(1)通过水轮机发电和电能存储，驱动智能控制器和电调阀动作；
(2)实现实时采集热力入口运行数据，根据供热系统实际情况，实现热力入口控制策略个性化选择；
(3)智能控制器采用智能化的自适应控制算法；
(4)通过控制中心智能管控各热力入口，实现各二次网和换热站的热力平衡，进而实现节能减排、保护环境和绿色供热目标。
附图说明
图1是本发明的由水轮机发电驱动的热力入口智能控制系统的一个具体实施例的系统组成示意图；
图2是图1的由水轮机发电驱动的热力入口智能控制系统的控制方法的一个具体实施例的工作流程图。
其中：
1-控制中心 2-智能控制器
3-电调阀 4-水轮机
41-电能储存装置 42-电源转换装置
符号意义：
Ts2-二次网供水温度 Tr2-二次网回水温度
Tz-室内温度 r-水轮机转速
u-控制器输出信号。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
参照图1，本发明的由水轮机发电驱动的热力入口智能控制系统，包括控制中心1、智能控制器2、电调阀3和水轮机4，
水轮机4利用热力入口管道中水的流动发电并为智能控制器2和电调阀3供电，
智能控制器2采集热力入口的实时运行参数，根据控制策略和控制参数设定值与热力入口实时运行参数之间的误差得出控制信号，然后发送给电调阀3调节热力入口的流量，
控制中心1接收各热力入口的智能控制器2上传的实时运行数据，下发控制指令、控制参数设定值到智能控制器2控制各热力入口的热力平衡；控制中心1根据采集的各热力入口实时运行数据，进行计算和比较，给出热力平衡所需要的控制参数，并下发至各热力入口智能控制器2，实现就地控制，保证各热力入口的热力平衡和精准供热，满足用户供热质量。
热力平衡原理为：
1)根据室内温度实测值和设定值的误差进行热力平衡，以便保证误差最小；
2)根据二次网供回水平均温度实测值(计算得到)和设定值的误差进行热力平衡，以便保证误差最小；
3)根据二次网回水温度实测值和设定值的误差进行热力平衡，以便保证误差最小。
作为一种优选的方案，水轮机4还包括：电能储存装置41和电源转换装置42，电能储存装置41储存水轮机4产生的电能，通过电源转换装置42为智能控制器2和电调阀3供电；通过由水轮机4在水流的冲击作用下，带动水轮机4叶轮转动，进而带动水轮发电机电磁场转换发电，发电后进入电能存储装置41，并通过电源转换装置42产生稳定电源，以便提供12V稳定直流电电力，驱动电调阀3动作和智能控制器2的运行，实现数据上传至控制中心1。
作为一种优选的方案，控制中心1包括但不限于以下功能：运行数据计算、控制策略、控制指令下发、数据呈现、热力平衡、地理信息系统、运行状态评价；
运行数据计算包括：
1)二次网平均温度计算：
Tw2arg＝(Ts2+Tr2)/2
式中，Ts2-二次网供水温度；Tr2-二次网回水温度；Tw2arg为二次网平均温度；
2)热力入口循环流量计算：根据水轮机转数与流量的关系，得出循环流量，公式为：
G2＝f1+f2*r+f3*r^2+f4*r^3
式中，f1至f4为通过水轮机实验得出的模拟系数；r为水轮机转数rpm；G2为循环流量T/h；
3)热力入口供热量(Q2in)计算：
Q2in＝4187*G2/3.6*(Ts2-Tr2)，单位W
式中，Ts2-二次网供水温度；Tr2-二次网回水温度；G2为循环流量T/h；Q2in为热力入口供热量。
控制策略包括三项控制策略可选：
1)室内温度控制策略；
2)二次网平均温度控制策略；
3)二次网回水温度控制策略；
通常，当室内温度信号难以获取或获取数量不足时，可以采用二次网供回水平均温度或二次网回水温度控制策略，但以室内温度控制策略为最佳。
控制指令下发包括：
根据给定的室内温度下发指令，直接控制热力入口电调阀3开度，进而直接控制实际室内温度；
可也根据实时监测的室外温度，经计算给出二次网供回水平均温度设定值或二次网回水温度设定值，通过下发指令，由就地热力入口智能控制器2计算得出控制信号，由电调阀3执行操作。
运行数据呈现包括：
给出实时运行时间和室内温度、二次网供回水平均温度、二次网回水温度、热力入口循环流量、电调阀3开度曲线；也可给出数据列表形式显示。
热力平衡包括：
根据温度设定值和实测值之比(室内温度、二次网供回水平均温度、二次网回水温度)，判断热力平衡状态。
地理信息系统包括：
采用供热区域总平面图，并标注各换热站的二次网热力入口位置，在各热力入口位置处分别给出室内温度、二次网供回水平均温度、二次网回水温度实测值；对每种参数进行冷暖色的颜色区分(如室内温度较低时采用冷色表示，高时采用暖色表示，中间温度与之间的颜色对应)；如此可以明确显示系统的热点(温度呈现异常的位置和区域)，以便进一步针对热点地区进行调控，实现节能减排和保证供热质量。
作为一种优选的方案，智能控制器2与控制中心1通过网络连接。
作为一种优选的方案，电调阀3为自力式动态压差平衡型电调阀。
作为一种优选的方案，智能控制器2采集的热力入口实时运行参数包括但不限于以下各项：供水温度、回水温度、水轮机转速、电调阀开度、室内温度。
作为一种优选的方案，控制中心1的控制参数设定值包括但不限于以下各项：室内温度设定值、供回水温度平均值的设定值、回水温度设定值。
参照图2，一种基于由水轮机发电驱动的热力入口智能控制系统的控制方法，包括以下步骤：
S1、获取建筑物基本信息，执行步骤S2；
S2、获取系统实时运行参数，包括：；
实时室外温度；建筑物实时运行参数：时间、二次网供水温度、二次网回水温度、二次网热力入口自力式动态压差平衡型电调阀开度、室内温度；水轮机转速；
执行步骤S3。
S3、给定控制参数设定值，执行步骤S4；
从控制中心1下发到二次网热力入口智能控制器2中，包括：
1)室内温度设定值：
控制中心直接给定和下发指令；
2)二次网供回水温度平均值的设定值：
Tw2argsp＝a+b*To+c*To^2
式中，Tw2argsp为二次网供回水平均温度设定值；
a、b、c为计算系数，可通过历史数据拟合确定，历史数据包括一个采暖期的室外温度、二次网供水温度、二次网回水温度，通过计算得出二次网供回水平均温度历史数据，经拟合得出二次网供回水平均温度与室外温度的关系，进而得出计算系数；
To为室外温度。
3)二次网回水温度设定值
Tr2sp＝d+e*To+f*To^2
式中，Tr2sp为二次网回水温度设定值；
d、e、f为计算系数，可通过历史数据拟合确定，历史数据包括一个采暖期的室外温度、二次网回水温度，通过计算拟合得出二次网回水温度与室外温度的关系，进而得出计算系数；
To为室外温度。
S4、给定智能控制策略，执行步骤S5；
优选PI控制器的控制算法，其输入信号为时间、控制参数设定值和控制参数实测值，其输出信号的计算公式为：
式中，u为控制器输出信号；
kp、ki为比例和积分系数，均为常数；
Tsp为温度设定值，C；
Tmsd为温度实测值，C；
t为时间，s；
为温度设定值与其实测值之差的积分；
智能PI控制器的控制算法针对比例和积分常数，采用随着温度设定值和实测值的误差改变系数值的方法进行计算，方法如下：
E＝Tsp-Tmsd；
式中，E为误差值；
Kp＝f5+f6*E+f7*E^2
Ki＝f8+f9*E+f10*E^2
Kp、Ki为比例和积分系数，随误差变化而变化；
f5至f10为计算系数，根据各建筑物热力入口所供暖建筑的热力特性和供暖末端装置，通过经验值进行给定；
这种智能控制计算方法保证了控制系统的及时性、稳定性和精准热力平衡，进而提高了热用户的供热质量和降低了系统能耗水平。
S5、智能控制器根据控制参数设定值和实际运行参数的误差和控制算法，计算得出控制信号，执行步骤S7；
控制信号计算方法由步骤S4给出：
式中，Tsp可为室内温度设定值、二次网供回水平均温度设定值、二次网回水温度设定值；Tmsd可为室内温度、二次网供回水平均温度、二次网回水温度实测值。
S6、控制中心下发控制指令、控制参数设定值控制各热力入口的热力平衡，执行步骤S7。
S7、电调阀动作调节热力入口的流量；
热力入口电调阀3根据智能控制器2计算得出的控制信号，通过有水轮机4发电和电能储存装置41储存的电力驱动电调阀3动作，实现热力入口的流量调节，进而实现建筑物供暖系统的热力平衡，满足热用户对供暖质量的要求，实现供暖末端热力入口的自动化和智能化控制以及降低系统能耗。
作为一种优选的方案，步骤S1中，建筑物基本信息包括但不限于以下各项：建筑物实际供热面积(F，m2)、设计室外温度(Tod，℃)、设计室内温度(Tzd，℃)、设计热负荷指标(qd，W/m2)、设计二次网供水温度(Ts2d，℃)、设计二次网回水温度(Tr2d，℃)、末端散热装置传热系数实验中的计算系数(cht)。
作为一种优选的方案，步骤S2中，实时运行参数的采集间隔调节范围为5分钟/次至1小时/次。
需要说明的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.由水轮机发电驱动的热力入口智能控制系统，其特征在于，包括控制中心(1)、若干个智能控制器(2)、若干个电调阀(3)和若干个水轮机(4)，
所述水轮机(4)利用热力入口管道中水的流动发电并为所述智能控制器(2)和所述电调阀(3)供电，
所述智能控制器(2)采集热力入口的实时运行参数，根据控制策略和控制参数设定值与热力入口实时运行参数之间的误差得出控制信号，然后发送给所述电调阀(3)调节热力入口的流量，
所述控制中心(1)接收各热力入口的所述智能控制器(2)上传的实时运行数据，下发控制指令、控制参数设定值到所述智能控制器(2)控制各热力入口的热力平衡。
2.根据权利要求1所述的由水轮机发电驱动的热力入口智能控制系统，其特征在于，所述水轮机(4)还包括：电能储存装置(41)和电源转换装置(42)，所述电能储存装置(41)储存所述水轮机(4)产生的电能，通过所述电源转换装置(42)为所述智能控制器(2)和所述电调阀(3)供电。
3.根据权利要求1所述的由水轮机发电驱动的热力入口智能控制系统，其特征在于，所述控制中心(1)包括但不限于以下功能：运行数据计算、控制策略、控制指令下发、数据呈现、热力平衡、地理信息系统、运行状态评价。
4.根据权利要求1所述的由水轮机发电驱动的热力入口智能控制系统，其特征在于，所述智能控制器(2)与所述控制中心(1)通过网络连接。
5.根据权利要求1所述的由水轮机发电驱动的热力入口智能控制系统，其特征在于，所述电调阀(3)为自力式动态压差平衡型电调阀。
6.根据权利要求1所述的由水轮机发电驱动的热力入口智能控制系统，其特征在于，所述智能控制器(2)采集的热力入口实时运行参数包括但不限于以下各项：供水温度、回水温度、水轮机转速、电调阀开度、室内温度。
7.根据权利要求1所述的由水轮机发电驱动的热力入口智能控制系统，其特征在于，所述控制中心(1)的控制参数设定值包括但不限于以下各项：室内温度设定值、供回水温度平均值的设定值、回水温度设定值。
8.一种基于权利要求1-7任一项所述的由水轮机发电驱动的热力入口智能控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取建筑物基本信息，执行步骤S2；
S2、获取系统实时运行参数，执行步骤S3；
S3、给定控制参数设定值，执行步骤S4；
S4、给定智能控制策略，执行步骤S5；
S5、智能控制器根据控制参数设定值和实际运行参数的误差和控制算法，计算得出控制信号，执行步骤S7；
S6、控制中心下发控制指令、控制参数设定值控制各热力入口的热力平衡，执行步骤S7；
S7、电调阀动作调节热力入口的流量。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述建筑物基本信息包括但不限于以下各项：建筑物实际供热面积、设计室外温度、设计室内温度、设计热负荷指标、设计二次网供水温度、设计二次网回水温度、末端散热装置传热系数实验中的计算系数。
10.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述实时运行参数的采集间隔调节范围为5分钟/次至1小时/次。
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