CN111322447A - 动态流量平衡和能量控制一体化的阀门控制方法及阀门 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电动阀门及其控制技术，旨在提供一种动态流量平衡和能量控制一体化的阀门控制方法及阀门。该阀门的前后阀体通过引压管接至压差传感器，压差传感器通过信号线连接智能控制器；在进水一侧阀体上装有回水温度传感器，还包括装在供水管道的供水温度传感器，分别通过信号线连接至智能控制器；智能控制器通过信号线连接执行器，后者通过支架固定在阀体上，并以加长轴接于V型球阀。本发明通过运用流量/能量的累积算法能实现积算更长时间内的所有流量/能量和，从而能够实现根据目标控制每段时间流量/能量，达到平衡调节的目的。在相同条件下可将能耗最大降低30％，能获得大幅节能收益。可以根据实际需求选择使用控制方式，现场应用更灵活。

Description

动态流量平衡和能量控制一体化的阀门控制方法及阀门

技术领域

本发明涉及电动阀门及其控制技术，更确切的说，是涉及一种动态流量平衡和能量控制一体化的阀门控制方法及阀门。

背景技术

中央空调变流量水系统中普遍存在着水力失调现象，管网水力的不平衡容易造成系统能源的大量浪费，采用动态平衡电动调节阀控制技术是解决复杂管网水力系统平衡的最佳方法。

目前市场上广泛采用的弹簧机械自力式动态平衡电动调节阀产品弊端凸显，通流能力小、动态平衡压差控制范围小、应用不灵活、工作压差起始值偏高，导致总体能耗偏高。

建设资源节约型社会是统筹人与自然和谐发展和促进可持续发展的重大举措，也是实现节约发展、清洁发展、安全发展的重要任务。落实到中央空调系统，则必须将阀门的智能控制、流量和能量的计量以及水力平衡等统筹兼顾，才能更好地实现节能降耗。

中国实用新型专利CN201120463730.7提供了一种集成能量感知功能的智能动态流量平衡阀，中国发明专利CN 200610049822.4提供了一种具有能量计量功能的动态平衡电动调节阀控制方法及阀门。上述两篇文献系统介绍了动态流量平衡的实现方法以及能量计量的实现方式，实现了中央空调系统阀门的智能控制和水力平衡的要求；但是，由于控制器并没有内部时钟或集成积分仪表的功能等原因，并不具备运行流量累积和能量累积功能；更无法基于流量累积和能量累积实现电动阀门的动态流量平衡和能量控制一体化控制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种动态流量平衡和能量控制一体化的阀门控制方法及阀门。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

提供一种动态流量平衡和能量控制一体化的阀门控制方法，包含以下步骤：

(1)在中央空调变流量水系统的回水管道上安装电动阀门，该电动阀门具有智能控制器、执行器和V型球阀；在V型球阀的半球形旋塞体的前后阀体上分别设置引压孔，并通过引压管接至压差传感器；

(2)对V型球阀在不同开度条件的流量与球阀前后压差的关系进行标定，并将标定数据存储于智能控制器；智能控制器能利用标定数据，结合当前阀门开度和压差测量值计算出流经V型球阀的瞬时流量，实时进行流量累积；

(3)在中央空调变流量水系统的供水管道上安装供水温度传感器，在进水方向一侧的阀体上安装回水温度传感器，将供水温度和回水温度的信号通过信号线传送至智能控制器；智能控制器能根据当前瞬时流量和供水回水温差计算出当前的能量(冷量或热量)，并实时进行能量累积；

(4)通过智能控制器设定流量累积或能量累积(冷量或热量)的控制目标值，利用压差传感器、供水温度传感器和回水温度传感器获取信号以实现数据采样；利用采样获得的数据计算实时的流量累积与能量累积数值，在实时数值与此前设定的控制目标值进行比较后，进一步根据PID算法调节V型球阀开度以实现动态流量平衡或能量控制。

本发明中，所述步骤(2)中，

对V型球阀在不同开度条件下流经球阀的流量与球阀前后压差的关系进行标定时，获得如下的流量与压差的关系式：

且

0≤(a+bφ+cφ²+dφ³......jφ⁹)≤1；

式中，Qc为流量，φ为阀门机械开度，△P_j为压差；K、a、b、c、d、e、f、g、h、 i、j分别为无量纲常数，只和阀门口径相关(每个口径的阀门都有一套完整的K、a、b、 c、d、e、f、g、h、i、j值，其取值方式是通过标定在不同开度条件下流经球阀的流量与球阀前后压差的关系，得到的关系曲线系数，均为无量纲常数)；

智能控制器按以下公式计算出流经V型球阀的瞬时流量：

并按以下公式进行实时流量累积：

T_Q＝ΣQ_cs/3600×T_j

式中，T_Q为累计流量，m³；Q_cs为瞬时流量，单位：m³/h；T_j为时间常数，秒；各符号中的下标s是指对应数据的瞬时数值。

本发明中，所述步骤(3)中，智能控制器根据当前瞬时流量和供水回水温差计算出当前的能量(冷量或热量)W_cs：

W_cs＝ρ×Q_cs×C×|T_g-T_h|/1000/3600

式中，Wc为能量功率，kW；ρ为水的密度，Kg/m³；Qc为瞬时流量，单位：m³/h； C为水的比热容，J/Kg·℃；|T_g-T_h|为供水回水温差，单位℃；

并按以下公式进行能量(冷量或热量)累积：

E＝ΣW_cs×T_j/1000000

式中，E为能量累计值，GJ；T_j为时间常数，秒；

当中央空调变流量水系统的季节模式是制冷模式时，E的累计都累加为Ec，作为制冷累计能量；当中央空调变流量水系统的季节模式是制热模式时，E的累计都累加为Eh，作为制热累计能量。

本发明中，所述步骤(4)中具体包括：

(4.1)智能控制器记录阀门的实时开度，根据阀门流量压差标定关系式计算出流经 V型球阀的瞬时流量；并在此后的运行过程中持续计算以得到累积流量的数值；

(4.2)智能控制器根据计算获得的当前瞬时流量数值和供水回水温差，计算出当前的能量，并此后的运行过程中持续计算以得到累计能量的数值；

(4.3)智能控制器随时将计算得到的累积流量和累计能量的数值与设定值进行比较，并进一步根据PID算法调节V型球阀开度以实现动态流量平衡和能量控制。

本发明进一步提供了动态流量平衡和能量控制一体化的阀门，包括电动阀门的本体、执行器和智能控制器；所述电动阀门的本体是指V型球阀，在其半球形旋塞体的前后阀体上分别设置引压孔，并通过引压管接至压差传感器，压差传感器通过信号线连接智能控制器；该阀门包括一个用于安装在中央空调变流量水系统的供水管道的供水温度传感器，在V型球阀进水方向一侧的阀体上装有回水温度传感器，供水温度传感器与回水温度传感器分别通过信号线连接至智能控制器；智能控制器通过信号线连接执行器，后者通过支架固定在阀体上，并以加长轴接于V型球阀的半球形旋塞体。

本发明中，所述智能控制器和执行器安装在同一个外壳中，且在外壳的上部设置用于人机对话的按键和显示器件，按键和显示器件分别通过信号线接至智能控制器。

本发明中，该阀门还包括用于实现控制信号和运行数据传送的有线通信模块或无线通信模块，并通过信号线连接至智能控制器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、在中央空调变流量水系统中，流量/能量累积体现的是一定时间内的流量/能量总和。目前现有电动阀门依据其控制器件只能记录下瞬时的流量，因此只能实现基于实时数据的即时控制，无法实现长时间运行过程中的流量或能量平衡控制。本发明中的阀门控制方法通过运用流量/能量的累积算法，可以实现积算1小时、1天、1星期内甚至更长时间内的所有流量/能量和，从而能够实现根据目标控制每段时间流量/能量，达到平衡调节的目的。该控制方法是在流量累积的基础上再增加了温度的因素，是相对更高级的控制方法。

2、本发明的控制方法能进行流量累积和能量(冷量或热量)累积，直接实现动态流量的自动平衡、能量的自动控制，当应用于空调、供热和循环冷却水管网水系统时其节能效果十分明显。根据大量的应用实例数据，应用了本发明的中央空调变流量水系统，在相同条件下可以将能量损耗最大降低30％左右，能获得大幅节能收益。

3、本发明将流量平衡控制和能量平衡控制集成在同一个阀门中，业主可以根据实际需求选择使用，对于现场应用而言更具有灵活性。

附图说明

图1为本发明所述阀门的立体示意图。

图2为图1中阀门的主视图。

图3为图1中阀门的左视图。

图4为图1中阀门的俯视图。

图中附图标记：V型球阀1、压差传感器2、供水温度传感器3、回水温度传感器 4、执行器5、智能控制器6、加长轴7、支架8。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1至4所示，本发明运用了一种流量和能量动态平衡控制一体化的阀门，包括电动阀门的本体、执行器5和智能控制器6；电动阀门的本体是指V型球阀，在其半球形旋塞体的前后阀体上分别设置引压孔，并通过引压管接至压差传感器2，压差传感器2通过信号线连接智能控制器6；该阀门包括一个用于安装在中央空调变流量水系统的供水管道的供水温度传感器3，在V型球阀进水方向一侧的阀体上装有回水温度传感器4，供水温度传感器3与回水温度传感器4分别通过信号线连接至智能控制器6；智能控制器6通过信号线连接执行器5，后者通过支架8固定在阀体上，并以加长轴7接于V 型球阀的半球形旋塞体。基于集成化和智能化的设计思路，本发明将智能控制器6和执行器5安装在同一个外壳中，且在外壳的上部设置用于人机对话的按键和显示器件，按键和显示器件分别通过信号线接至智能控制器6。为实现远程或无线控制，该阀门还包括用于实现控制信号和运行数据传送的有线通信模块或无线通信模块，并通过信号线连接至智能控制器，可一并安装与外壳内。本发明的阀门中，所述零部件均为技术成熟的市售产品，本发明对其没有特别技术要求。

其中，智能控制器6中以软件功能模块或数据模块方式集成了不同口径的阀门不同开度时的流量与该压差的关系式计算程序、供回水温差与流量积分计算程序，用于根据阀门开度和压差计算出流量，根据流量和供回水温差计算出冷量或热量。本领域技术人员在了解本发明的技术构思后，能够依据其掌握的技术手段加以实现。

本发明所述流量和能量动态平衡控制一体化的阀门控制方法，包含以下步骤：

(1)在中央空调变流量水系统的回水管道上安装电动阀门，该电动阀门具有智能控制器、执行器和V型球阀；在V型球阀的半球形旋塞体的前后阀体上分别设置引压孔，并通过引压管接至压差传感器；

(2)对V型球阀在不同开度条件的流量与球阀前后压差的关系进行标定，并将标定数据存储于智能控制器；智能控制器能利用标定数据，结合当前阀门开度和压差测量值计算出流经V型球阀的瞬时流量，实时进行流量累积；

对V型球阀在不同开度条件下流经球阀的流量与球阀前后压差的关系进行标定时，获得如下的流量与压差的关系式：

且

0≤(a+bφ+cφ²+dφ³......jφ⁹)≤1；

式中，Qc为流量，φ为阀门机械开度，△P_j为压差；K、a、b、c、d、e、f、g、h、 i、j分别为无量纲常数，只与阀门口径相关；

智能控制器按以下公式计算出流经V型球阀的瞬时流量：

并按以下公式进行实时流量累积：

T_Q＝ΣQ_cs/3600×T_j

式中，T_Q为累计流量，m³；Q_cs为瞬时流量，单位：m³/h；T_j为时间常数，秒；各符号中的下标s是指对应数据的瞬时数值。

(3)在中央空调变流量水系统的供水管道上安装供水温度传感器，在进水方向一侧的阀体上安装回水温度传感器，将供水温度和回水温度的信号通过信号线传送至智能控制器；智能控制器能根据当前瞬时流量和供水回水温差计算出当前的能量(冷量或热量)，并实时进行能量累积；

智能控制器根据当前瞬时流量和供水回水温差计算出当前的能量(冷量或热量)W_cs：

W_cs＝ρ×Q_cs×C×|T_g-T_h|/1000/3600

式中，Wc为能量功率，kW；ρ为水的密度，Kg/m³；Qc为瞬时流量，单位：m³/h； C为水的比热容，J/Kg·℃；|T_g-T_h|为供水回水温差，单位℃；

并按以下公式进行能量(冷量或热量)累积：

E＝ΣW_cs×T_j/1000000

式中，E为能量累计值，GJ；T_j为时间常数，秒；

当中央空调变流量水系统的季节模式是制冷模式时，E的累计都累加为Ec，作为制冷累计能量；当中央空调变流量水系统的季节模式是制热模式时，E的累计都累加为Eh，作为制热累计能量。

(4)通过智能控制器设定流量累积和能量累积(冷量或热量)的控制目标值，利用压差传感器、供水温度传感器和回水温度传感器获取信号以实现数据采样；利用采样获得的数据计算实时的流量累积与能量累积数值，在实时数值与此前设定的控制目标值进行比较后，进一步根据PID算法调节V型球阀开度以实现动态流量平衡和能量控制。

具体包括：

(4.1)智能控制器记录阀门的实时开度，根据阀门流量压差标定关系式计算出流经 V型球阀的瞬时流量；并在此后的运行过程中持续计算以得到累积流量的数值；

(4.2)智能控制器根据计算获得的当前瞬时流量数值和供水回水温差，计算出当前的能量，并此后的运行过程中持续计算以得到累计能量的数值。

(4.3)智能控制器随时将计算得到的累积流量和累计能量的数值与设定值进行比较，并进一步根据PID算法调节V型球阀开度以实现动态流量平衡和能量控制。

根据上述控制方法内容，以下给出流量平衡的具体运行与计算过程示例：

1.针对DN80阀门，通过标定在不同开度条件下流经球阀的流量与球阀前后压差的关系，得到的7阶关系曲线系数，K＝53.614087，a＝0.001208，b＝0.061527，c ＝,1.760083，d＝-10.219655，e＝34.350975，f＝-54.554758，g＝42.081479，h＝-12.482226，i＝j＝0。

2.根据公式

计算出当前开度下流经阀门的瞬时流量，并与目标流量对比，计算流量误差启动阀位调节，直到阀门开到合适的位置满足目标流量。

本发明所述能量平衡控制的方法可参照上述内容实现运行与计算；鉴于该过程系本领域技术人员能够掌握的基本技能，本发明不再赘述。

下面从阀门的操作层面，进一步介绍流量平衡控制和能量平衡控制的运行过程：

(一)流量平衡控制方法

1、智能控制器6进入流量平衡程序后，首选判断是否存在故障代码1，若存在故障代码1，则直接计算开度＝100％；

2、设定夏季额定流量Q_ex和冬季额定流量Q_ed，根据季节模式选择Q_g＝Q_ex或者 Q_g＝Q_ed(其中Q_ex为夏季额定流量，模拟模式设定的100％信号对应夏季设计流量；Q_ed为冬季额定流量(m3/h)，模拟模式设定的100％信号对应冬季设计流量，Qg为根据当前季节模式选用的额定流量，三个参数单位均为m³/h)；

3、选型一流量控制模式：模拟量控制/远程控制/就地控制；

A.模拟量控制：现场PLC通过模拟量控制，取1#百分比X；

故障判断：(这个故障只在流量平衡-模拟量控制时才判断)

若ΔP_j≤ΔP_wl或ΔP_j≥ΔP_wh，判断为工作压差超范围；故障灯亮，故障代码2；

处理方式：计算开度＝X；

备注：ΔP_j为阀门工作压差，单位kPa；ΔP_wl、ΔP_wh两个为新增参数，工作压差下限和上限，单位kPa。

选项二流量调节曲线：等百分比/线性控制

等百分比：Q_m＝(R^x-1)/(R-1)×Q_g，其中Q_m为目标流量，单位m³h；R为常数；

线性控制：Q_m＝X×Q_g

B.远程控制：现场控制设备通过通讯控制，直接写入远控流量Q_y，Q_m＝Q_y(其中， Q_y为远程模式的通讯设定流量目标，单位m³/h)；

C.就地控制：现场无控制设备，手动输入夏季控制流量Q_kx和冬季控制流量Q_kd，根据季节模式选择Q_m＝Q_kx或者Q_m＝Q_kd(其中，Q_kx为夏季控制流量，就地模式设定的夏季控制目标；Q_kd为冬季控制流量，就地模式设定的冬季控制目标，单位均为m³/h)；

4、获取目标流量Q_m后，若Q_m≤Q_g*Q_lx，则计算开度＝0％，反之则进入下一步(其中，Q_lx为流量百分比，可以按需设置)；

5、计算流量误差|Q_m-Q_c|/Q_g*100％并进行比较计算(其中，Q_c为当前测量流量，单位m³/h)；

6、误差≤控制精度K_j，结束返回；误差＞控制精度K_j，启动阀位调节；

7、测量流量偏大，执行器关小，输出计算开度值；测量流量偏小，执行器开大，输出计算开度值；若误差≤阻尼精度K_z，则直接停止电机，而不是停止计算开度值；(插入一个开度计算的时间值，单位50ms)。

(二)能量平衡控制方法

1、智能控制器6进入能量平衡程序后，选型一能量控制模式：远程控制/就地控制；

远程控制：现场控制设备通过通讯控制，直接写入远控能量值W_y，则目标能量 W_m＝W_y；

就地控制：现场无控制设备，手动输入夏季控制能量W_kx和冬季控制能量W_kd，根据季节模式选择W_m＝W_kx或者W_m＝W_kd；

备注：W_m，W_y，W_kx，W_kd的单位都是：kW(千瓦)

2、获取测量功率W_c；

3、误差＝|W_c-W_m|；

4、误差≤能量控制精度W_kj，结束返回；误差＞能量控制精度W_kj，启动开度调节；

5、执行器开关方向：W_c＞W_m，执行器关小，W_c＜W_m，执行器开大；

6、误差＞能量快速精度W_ks，执行器开度按照每间隔T_i秒，动作P_s度；

7、误差≤能量快速精度W_ks，执行器开度按照每间隔T_i秒，动作P_z度；

8、误差≤能量阻尼精度W_kz，停止计算，电机停止动作；

若计算开度≤最小开度时，计算停止；后面阀门要往开的方向进行的时候，从最小开度开始逐步增加。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明的内容中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 (7)

1.一种动态流量平衡和能量控制一体化的阀门控制方法，其特征在于，包含以下步骤：

(1)在中央空调变流量水系统的回水管道上安装电动阀门，该电动阀门具有智能控制器、执行器和V型球阀；在V型球阀的半球形旋塞体的前后阀体上分别设置引压孔，并通过引压管接至压差传感器；

(2)对V型球阀在不同开度条件的流量与球阀前后压差的关系进行标定，并将标定数据存储于智能控制器；智能控制器能利用标定数据，结合当前阀门开度和压差测量值计算出流经V型球阀的瞬时流量，实时进行流量累积；

(3)在中央空调变流量水系统的供水管道上安装供水温度传感器，在进水方向一侧的阀体上安装回水温度传感器，将供水温度和回水温度的信号通过信号线传送至智能控制器；智能控制器能根据当前瞬时流量和供水回水温差计算出当前的能量，并实时进行能量累积；

(4)通过智能控制器设定流量累积或能量累积的控制目标值，利用压差传感器、供水温度传感器和回水温度传感器获取信号以实现数据采样；利用采样获得的数据计算实时的流量累积与能量累积数值，在实时数值与此前设定的控制目标值进行比较后，进一步根据PID算法调节V型球阀开度以实现动态流量平衡或能量控制。

2.根据权利要求1所述的阀门控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中，

对V型球阀在不同开度条件下流经球阀的流量与球阀前后压差的关系进行标定时，获得如下的流量与压差的关系式：

且

0≤(a+bφ+cφ²+dφ³......jφ⁹)≤1；

式中，Qc为流量，φ为阀门机械开度，△P_j为压差；K、a、b、c、d、e、f、g、h、i、j分别为无量纲常数，只与阀门口径相关；

智能控制器按以下公式计算出流经V型球阀的瞬时流量：

并按以下公式进行实时流量累积：

T_Q＝ΣQ_cs/3600×T_j

式中，T_Q为累计流量，m³；Q_cs为瞬时流量，单位：m³/h；T_j为时间常数，秒；各符号中的下标s是指对应数据的瞬时数值。

3.根据权利要求1所述的阀门控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中，智能控制器根据当前瞬时流量和供水回水温差计算出当前的能量W_cs：

W_cs＝ρ×Q_cs×C×|T_g-T_h|/1000/3600

式中，Wc为能量功率，kW；ρ为水的密度，Kg/m³；Qc为瞬时流量，单位：m³/h；C为水的比热容，J/Kg·℃；|T_g-T_h|为供水回水温差，单位℃；

并按以下公式进行能量累积：

E＝ΣW_cs×T_j/1000000

式中，E为能量累计值，GJ；T_j为时间常数，秒；

当中央空调变流量水系统的季节模式是制冷模式时，E的累计都累加为Ec，作为制冷累计能量；当中央空调变流量水系统的季节模式是制热模式时，E的累计都累加为Eh，作为制热累计能量。

4.根据权利要求1所述的阀门控制方法，其特征在于，所述步骤(4)中具体包括：

(4.1)智能控制器记录阀门的实时开度，根据阀门流量压差标定关系式计算出流经V型球阀的瞬时流量；并在此后的运行过程中持续计算以得到累积流量的数值；

(4.2)智能控制器根据计算获得的当前瞬时流量数值和供水回水温差，计算出当前的能量，并此后的运行过程中持续计算以得到累计能量的数值；

(4.3)智能控制器随时将计算得到的累积流量和累计能量的数值与设定值进行比较，并进一步根据PID算法调节V型球阀开度以实现动态流量平衡和能量控制。

5.一种用于权利要求1所述阀门控制方法的动态流量平衡和能量控制一体化的阀门，包括电动阀门的本体、执行器和智能控制器；其特征在于，所述电动阀门的本体是指V型球阀，在其半球形旋塞体的前后阀体上分别设置引压孔，并通过引压管接至压差传感器，压差传感器通过信号线连接智能控制器；该阀门包括一个用于安装在中央空调变流量水系统的供水管道的供水温度传感器，在V型球阀进水方向一侧的阀体上装有回水温度传感器，供水温度传感器与回水温度传感器分别通过信号线连接至智能控制器；智能控制器通过信号线连接执行器，后者通过支架固定在阀体上，并以加长轴接于V型球阀的半球形旋塞体。

6.根据权利要求1所述的阀门，其特征在于，所述智能控制器和执行器安装在同一个外壳中，且在外壳的上部设置用于人机对话的按键和显示器件，按键和显示器件分别通过信号线接至智能控制器。

7.根据权利要求1所述的阀门，其特征在于，该阀门还包括用于实现控制信号和运行数据传送的有线通信模块或无线通信模块，并通过信号线连接至智能控制器。

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