CN111288544B - 智慧供热末端阀门智能调节方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智慧供热末端阀门智能调节方法及系统，通过无线通信和有线采集器进行集中设备采集末端阀门的实时数据信息并传送给控制平台，控制平台通过本发明阀门控制算法实时调节末端阀门的工作状态，达到二网供回水热力平衡的目的。
Description
技术领域
本发明涉及热网阀门控制技术领域，具体来说，涉及一种智慧供热末端阀门智能调节方法及系统。
背景技术
由热平衡方程可以得到，散热器向房间传热应与房间向室外的传热量相同，即：
其中：q为建筑物的体积供热指标，V为建筑物的外部体积，tn为室内温度，tw为室外温度，K为散热器的传热系数，F为散热器的散热面积，
为散热器热煤平均温度。
由上式可解出：
即，在稳定工况下，室温为供回水平均温度和外温的加权平均，系数由建筑物的综合传热系数与散热器的传热系数之比决定，如果在比值差不多的情况下，测各热力站的
值基本上反映了该热力站所负责建筑的平均室温，如果各支路的供回水平均温度调为一致，则可以近似认为采暖房间的室温是彼此均匀的。
由于从热力站出来的各支路供水温度是一致的，只要把各支路的回水温度调整成一致就可以了，这也是回水温度平衡法的理论依据。
随着热网行业自控技术越来越普及，末端用户回温调节是热企业需要解决的痛点难题。目前现有的大多数热用户的阀门采用的是非智能的手动阀门，该阀门的缺点不能实时调整控制，需要人工手动调节阀门开度以来控制热用户供热回水温度，这种调节方式的缺点是不能实时调整，对阀门开度，回水温度等关键参数不能直观展示，整个区域范围内热用户的供热用户供热不均衡。
发明内容
本发明的目的在于提出一种智慧供热末端阀门智能调节方法及系统，以克服现有技术中存在的上述不足。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种智慧供热末端阀门智能调节方法，所述方法包括以下步骤：
1)采集二网各单元的用户阀门回水温度和阀门开度，并将采集的回水温度和阀门开度发送给控制平台；
2)控制平台按照如下标准计算得到各阀门的目标开度：
当vsi＝0时，vi＝1，当阀门开度为0时，要先将阀门全开进行全力供热
当vsi>0时，依据如下公式计算得到vi
其中：当vi>vmaxi时，vi＝vmaxi
当vi＜vmini时，vi＝vmini
当vi＜vmaxi且vi>vmini时，vi取按照以上公式计算得到的值
上述公式中：vi为管路i上阀门的目标开度，tpi为管路i的目标回水温度，tp为各管路中有效回水温度的平均值，vsi为管路i上阀门的当前开度，ci为管路i上阀门快慢调整比例系数，vmaxi为阀门i可调整开度的最大值，vmini为阀门i可调整开度的最小值，vf为阀门单次调节的最大调整幅度，tr1为单个阀门手动输入的修正温度，tr2为阀门所在的用户楼层的层高修正温度配置值；ti为管路i的当前回水温度，其中，tp和tpi分别按照如下公式计算出：
tpi＝tp+tr1+tr2
其中：i为有效回水温度的个数；
3)控制平台依据计算得到的各阀门的目标开度调整各阀门。
一种智慧供热末端阀门智能调节系统，所述系统包括：
智能调节阀，设于二网各单元的用户阀门回水管道上，用于将采集的回水温度和阀门开度发送给控制平台、接收控制平台发送的阀门控制指令以及依据控制指令调节阀门开度至目标开度值；
控制平台，包括计算模块和控制模块，所述计算模块用于按照如下标准计算得到各阀门的目标开度：
当vsi＝0时，vi＝1，当阀门开度为0时，要先将阀门全开进行全力供热
当vsi>0时，依据如下公式计算得到vi
其中：当vi>vmaxi时，vi＝vmaxi
当vi＜vmini时，vi＝vmini
当vi＜vmaxi且vi>vmini时，vi取按照以上公式计算得到的值
上述公式中：vi为管路i上阀门的目标开度，tpi为管路i的目标回水温度，tp为各管路中有效回水温度的平均值，vsi为管路i上阀门的当前开度，ci为管路i上阀门快慢调整比例系数，vmaxi为阀门i可调整开度的最大值，vmini为阀门i可调整开度的最小值，vf为阀门单次调节的最大调整幅度，tr1为单个阀门手动输入的修正温度，tr2为阀门所在的用户楼层的层高修正温度配置值；ti为管路i的当前回水温度，其中，tp和tpi分别按照如下公式计算出：
tpi＝tp+tr1+tr2
其中：i为有效回水温度的个数；
所述控制模块用于依据计算得到的各阀门的目标开度向智能调节阀发送控制指令。
作为一种优选，所述智能调节阀包括阀体和执行器，所述阀体内设有阀芯，所述执行器包括用于调节所述阀芯开度的阀芯控制模块，所述执行器还包括：
太阳能发电组件，包括设于执行器上的太阳能电池板，所述太阳能电池板与电池相连；
温差发电组件，包括包覆设于阀体外侧的温差发电片组，所述温差发电片组与电池相连；
水温采集组件，包括设于阀体内的温度传感器，所述温度传感器分别与执行器和无线信号传输模块相连；
无线信号传输模块，用于将温度传感器采集的温度值发送给控制平台以及接收控制平台发送的控制信号，并将所述控制信号传送给执行器。
作为一种优选，所述智能调节阀还包括：
水流发电转换组件，包括与阀体一端连通的水流发电齿轮组，所述水流发电齿轮组依次通过水流发电转换模块、AC-DC转换电路与电池相连。
作为一种优选，所述无线信号传输模块采用NB-IoT通信模组。
作为一种优选，所述阀芯采用陶瓷V型开孔球阀。
作为一种优选，所述温度传感器采用PT1000温度传感器。
作为一种优选，所述智能调节阀还包括：
显示模块，用于显示阀门开度值和温度传感器采集的温度值。
作为一种优选，所述智能调节阀还包括：
无线参数设置模块，用于设置无线信号传输模块传送信号的时间和频率。
本发明的原理：
由于本发明的阀门开度变化与水流量的调节呈线性关系，因此得到：
整理变换并加上人工设定的调整速度系数得到：
本发明的有益效果：应用本发明所述方法及系统的热力系统的整体调节效率能提高30％以上，并最终实现了热力系统的热量平衡；经过有效管控，热力企业能量消耗可降低10％以上。
附图说明
图1是本发明实施例所述调节方法的流程图；
图2是本发明实施例所述调节系统的功能模块结构示意图；
图3是本发明实施例所述智能调节阀的立体图；
图4是本发明实施例所述智能调节阀的爆炸图；
图5是本发明实施例所述智能调节阀的正面结构示意图；
图6是图5中B-B方向的剖视图；
图7是本发明实施例所述智能调节阀的侧面结构示意图；
图8是图7中A-A方向的剖视图；
图9是本发明实施例所述水流发电齿轮组的正面结构示意图；
图10是图9中A-A方向的剖视图；
图11是图9中B-B方向的剖视图；
图12是本发明实施例所述智能调节阀的电路结构框图；
图13是全通径阀门在10KPa的压差下的阀门开度与阀门流量的关系图；
图14是本发明V型球阀在5KPa的压差下的阀门开度与阀门流量的关系图；
图15是本发明V型球阀在10KPa的压差下的阀门开度与阀门流量的关系图；
图16是传统材质阀门在开度0％、50％和100％各阶段的扭矩变化示意图；
图17是陶瓷阀门在开度0％、50％和100％各阶段的扭矩变化示意图；
图18是MCU电路图；
图19是NB-IoT通信模组电路图；
图20是无线参数设置电路图；
图21是MCU和NB供电电压转换电路图；
图22是阀门检测和开度检测电路图；
图23是PT1000测温电路图；
图24是电源管理电路图；
图25是锂电池管理电路图。
图中所示：
1-6V多晶太阳能电池板；2-6V锂电池；3-6V温差发电片组；4-阀体；5-PT1000温度传感器；6-执行器；7-陶瓷V型开孔球阀；8-PT1000连接电缆；9-水流发电组件连接螺纹；10-水流发电齿轮组；11-水流发电转换电路；12-AC/DC转换电路；13-电源管理电路；14-LCD显示器；15-无线参数设置电路；16-NB-IoT通信模组；17-MCU；18-控制平台；19-阀门驱动电路；20-阀门开度检测电路；21-电路板；22-回水管道；23-智能调节阀。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明的实施例公开了一种智慧供热末端阀门智能调节方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S1：采集二网各单元的用户阀门回水温度和阀门开度，并将采集的回水温度和阀门开度发送给控制平台；
步骤S2：控制平台按照如下标准计算得到各阀门的目标开度：
当vsi＝0时，vi＝1
当阀门开度为0时，要先将阀门全开进行全力供热；
当vsi>0时，依据如下公式计算得到vi
其中：当vi>vmaxi时，vi＝vmaxi
当vi＜vmini时，vi＝vmini
当vi＜vmaxi且vi>vmini时，vi取按照以上公式计算得到的值
上述公式中：vi为管路i上阀门的目标开度，tpi为管路i的目标回水温度，tp为各管路中有效回水温度的平均值(不在有效温度范围内的支路，该阀门不进行平衡调整，也即不参与tp的计算。其中，在我国北方地区水换热的供热站，有效的回水温度在20-60摄氏度，一般供热初期和末期正常情况下回水温度地热用户会在20-25度左右，严寒期会在30-40度左右，散热片用户供热初期末期会在30-35度左右，严寒期会在50度左右，在本发明中为了保证计算结果的真实性，我们在计算时会把20-60度区间以外的数据排除。)，vsi为管路i上阀门的当前开度，ci为管路i上阀门快慢调整比例系数(一般取1)，vmaxi为阀门i可调整开度的最大值，vmini为阀门i可调整开度的最小值，vf为阀门单次调节的最大调整幅度，tr1为单个阀门手动输入的修正温度(tr1默认值为0，主要看居民性质，如果该居民建筑用途为商用则进行正修正，还有居民为老人小孩情况修正值为正修正，其它情况修正值为0，每修正1会影响室内温度发生0.5摄氏度变化)，tr2为阀门所在的用户楼层的层高修正温度配置值(底层和顶层默认为2，这中间层默认为0，按常规情况下，主要原因是考虑到底层总开单元门和顶层风力较大会带走一定的热量，而中间层受外界因素影响较小，每修正1会影响室内温度发生0.5摄氏度变化。)；ti为管路i的当前回水温度，其中，tp和tpi分别按照如下公式计算出：
tpi＝tp+tr1+tr2
其中：i为有效回水温度的个数；
3)控制平台依据计算得到的各阀门的目标开度调整各阀门。
基于本发明公开的智慧供热末端阀门智能调节方法，如图2所示，本发明还公开了一种智慧供热末端阀门智能调节系统，所述系统包括：
智能调节阀23，设于二网各单元的用户阀门回水管道22上，用于将采集的回水温度和阀门开度发送给控制平台18、接收控制平台18发送的阀门控制指令以及依据控制指令调节阀门开度至目标开度值；
控制平台18，包括计算模块和控制模块，所述计算模块用于按照如下标准计算得到各阀门的目标开度：
当vsi＝0时，vi＝1
当vsi>0时，依据如下公式计算得到vi
其中：当vi>vmaxi时，vi＝vmaxi
当vi＜vmini时，vi＝vmini
当vi＜vmaxi且vi>vmini且vi-vsi≦vf时，vi取按照以上公式计算得到的值
当vi＜vmaxi且vi>vmini且vi-vsi>vf时，vi＝vsi+vf
上述公式中：vi为管路i上阀门的目标开度，tpi为管路i的目标回水温度，tp为各管路中有效回水温度的平均值，vsi为管路i上阀门的当前开度，ci为管路i上阀门快慢调整比例系数，vmaxi为阀门i可调整开度的最大值，vmini为阀门i可调整开度的最小值，vf为阀门单次调节的最大调整幅度，tr1为单个阀门手动输入的修正温度，tr2为阀门所在的用户楼层的层高修正温度配置值；ti为管路i的当前回水温度，其中，tp和tpi分别按照如下公式计算出：
tpi＝tp+tr1+tr2
其中：i为有效回水温度的个数；
所述控制模块用于依据计算得到的各阀门的目标开度向智能调节阀发送控制指令。
如图3-12和18-25所示，所述智能调节阀包括阀体4和与所述阀体4可拆卸连接的执行器6，所述阀体4内设有阀芯，所述执行器6包括外壳和设于外壳内的电路板21，执行器6还包括：太阳能发电组件，包括设于外壳上端的6V多晶太阳能电池板1，所述6V多晶太阳能电池板1与电路板21插针焊接；6V锂电池仓，内设有6V锂电池2，与电路板21插针焊接；温差发电组件，包括包覆设于阀体4外侧的6V温差发电片组3，所述6V温差发电片组3与阀体4通过密封胶固定，并通过电缆线与电路板21连接；水温采集组件，包括设于阀体4内的PT1000温度传感器5，所述PT1000温度传感器5与阀体4螺纹连接，并通过PT1000连接电缆8与电路板21连接。所述电路板21上集成有MCU17和与MCU17分别电连的电源管理电路13、阀门控制电路、无线参数设置电路15和NB-IoT通信模组16，所述阀门控制电路包括阀门开度检测电路20和阀门驱动电路19，所述NB-IoT通信模组16与控制平台18相连。
在本实施例中，所述智能调节阀为温控阀。
使用时，NB-IoT通信模组16根据无线参数设置电路15设置的信号发送的时间和频率将PT1000温度传感器5采集的供热管道内的回水温度值发送给控制平台18，控制平台18根据回水温度平衡法计算出对应阀门的目标开度值，并将目标开度值发送给MCU17，MCU17通过阀门控制电路控制阀芯调至目标开度值。阀体4和执行器6采用分体式设计，从而便于将同一执行器6应用于多个阀体4，减少了供热管道调节的成本。NB-IoT通信相比其它的无线通讯方式具有如下突出优势：1、覆盖广，相比传统GSM，一个基站可以提供10倍的面积覆盖；2、海量连接，200KHz的频率可以提供10万个联接；3、低功耗，使用AA电池(5号电池)便可以工作十年，无需充电；4、低成本。太阳能和温差发电(阀门供热时，阀门供热管道内的温度为40-60摄氏度，阀门外壁温度是室内温度，为10-20摄氏度。)很好的解决了智能调节阀的供电问题，避免了供电施工的麻烦。
在本实施例中，如图3-4以及图9-12所示，对于安装在光照条件不好位置的智能调节阀，为了保证智能调节阀有足够的工作电量，所述智能调节阀还设有水流发电转换组件，包括水流发电齿轮组10，一端设有用于与阀体4连接的水流发电组件连接螺纹9，所述水流发电齿轮组10依次通过水流发电转换电路11、AC/DC转换电路12与6V锂电池2相连。
在本实施例中，如图7所示，所述阀芯采用陶瓷V型开孔球阀7。阀芯结构采用V形开孔球阀，有效的保证了水流量调节的等百分比。具体的，结合图13-15的实验得知，传统全通径的阀门的阀门开度与阀门流量之间呈抛物线特性，即流量按行程的平方成比例变化，大体具有线性和等百分比特性的中间特性，此种阀门通过调节阀门开度控制阀门流量比较复杂。而本申请采用的V形开孔球阀其流量与开度曲线呈对数曲线。这种特性在行程的每一点上，行程变化百分之多少和流量变化百分之多少是相等的。特点是开度小时，流量变化小，开度大时，则流量变化大。相对于调节来说，就是在不同开度上，具有相同的调节精度。相对行程和相对流量成直线关系。单位行程的变化所引起的流量变化是不变的。流量大时，流量相对值变化小，流量小时，则流量相对值变化大。阀芯材质采用陶瓷，其相比较传统铜材质具有如下特点：1、不易腐蚀：供水供热管网的特点之一就是，水有可能是流动的也有可能是静止的，在静止状态下传统铜材质与水中的钠离子、钙镁离子进行化学反应，产生结垢，会造出电动阀门关闭不严，驱动不动的现象，然而陶瓷材质不存在腐蚀结垢现象；2、耐磨性强：陶瓷阀芯经受50万次以上的开关操作以后仍然可以顺畅省力的操作，能够耐久使用。陶瓷阀芯的耐老化、耐磨损、无需维修，保证了运行的稳定性；3、阀门阻力稳定：如图14-15所示的试压验证，在开度0％、50％和100％各阶段，陶瓷阀门扭矩没有变化，表明陶瓷阀芯为恒扭矩特性。
另外，在本发明中以流程图表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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 (9)
1.一种智慧供热末端阀门智能调节方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1)采集二网各单元的用户阀门回水温度和阀门开度，并将采集的回水温度和阀门开度发送给控制平台；
2)控制平台按照如下标准计算得到各阀门的目标开度：
当vsi＝0时，vi＝1，当阀门开度为0时，要先将阀门全开进行全力供热
当vsi＞0时，依据如下公式计算得到vi
其中：当vi＞vmaxi时，vi＝vmaxi
当vi＜vmini时，vi＝vmini
当vi＜vmaxi且vi＞vmini时，vi取按照以上公式计算得到的值
上述公式中：vi为管路i上阀门的目标开度，tpi为管路i的目标回水温度，tp为各管路中有效回水温度的平均值，有效回水温度为温度值为20-60摄氏度的回水温度，vsi为管路i上阀门的当前开度，ci为管路i上阀门快慢调整比例系数，vmaxi为阀门i可调整开度的最大值，vmini为阀门i可调整开度的最小值，vf为阀门单次调节的最大调整幅度，tr1为单个阀门手动输入的修正温度，tr2为阀门所在的用户楼层的层高修正温度配置值；ti为管路i的当前回水温度，其中，tp和tpi分别按照如下公式计算出：
tpi＝tp+tr1+tr2
其中：i为有效回水温度的个数；
3)控制平台依据计算得到的各阀门的目标开度调整各阀门。
2.一种智慧供热末端阀门智能调节系统，其特征在于，所述系统包括：
智能调节阀，设于二网各单元的用户阀门回水管道上，用于将采集的回水温度和阀门开度发送给控制平台、接收控制平台发送的阀门控制指令以及依据控制指令调节阀门开度至目标开度值；
控制平台，包括计算模块和控制模块，所述计算模块用于按照如下标准计算得到各阀门的目标开度：
当vsi＝0时，vi＝1，当阀门开度为0时，要先将阀门全开进行全力供热
当vsi＞0时，依据如下公式计算得到vi
其中：当vi＞vmaxi时，vi＝vmaxi
当vi＜vmini时，vi＝vmini
当vi＜vmaxi且vi＞vmini时，vi取按照以上公式计算得到的值
上述公式中：vi为管路i上阀门的目标开度，tpi为管路i的目标回水温度，tp为各管路中有效回水温度的平均值，有效回水温度为温度值为20-60摄氏度的回水温度，vsi为管路i上阀门的当前开度，ci为管路i上阀门快慢调整比例系数，vmaxi为阀门i可调整开度的最大值，vmini为阀门i可调整开度的最小值，vf为阀门单次调节的最大调整幅度，tr1为单个阀门手动输入的修正温度，tr2为阀门所在的用户楼层的层高修正温度配置值；ti为管路i的当前回水温度，其中，tp和tpi分别按照如下公式计算出：
tpi＝tp+tr1+tr2
其中：i为有效回水温度的个数；
所述控制模块用于依据计算得到的各阀门的目标开度向智能调节阀发送控制指令。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述智能调节阀包括阀体和执行器，所述阀体内设有阀芯，所述执行器包括用于调节所述阀芯开度的阀芯控制模块，所述执行器还包括：
太阳能发电组件，包括设于执行器上的太阳能电池板，所述太阳能电池板与电池相连；
温差发电组件，包括包覆设于阀体外侧的温差发电片组，所述温差发电片组与电池相连；
水温采集组件，包括设于阀体内的温度传感器，所述温度传感器分别与执行器和无线信号传输模块相连；
无线信号传输模块，用于将温度传感器采集的温度值发送给控制平台以及接收控制平台发送的控制信号，并将所述控制信号传送给执行器。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述智能调节阀还包括：
水流发电转换组件，包括与阀体一端连通的水流发电齿轮组，所述水流发电齿轮组依次通过水流发电转换模块、AC-DC转换电路与电池相连。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述无线信号传输模块采用NB-IoT通信模组。
6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述阀芯采用陶瓷V型开孔球阀。
7.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述温度传感器采用PT1000温度传感器。
8.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述智能调节阀还包括：
显示模块，用于显示阀门开度值和温度传感器采集的温度值。
9.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述智能调节阀还包括：
无线参数设置模块，用于设置无线信号传输模块传送信号的时间和频率。
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Denomination of invention: Intelligent Adjustment Method and System for End Valve of Intelligent Heating Effective date of registration: 20231220 Granted publication date: 20210917 Pledgee: Harbin Kechuang Financing Guarantee Co.,Ltd. Pledgor: HEILONGJIANG SIMATE ENERGY TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2023230000110 |
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