CN111396298B - 基于压差设定值变化的循环水泵主、被动变频联合控制法 - Google Patents

基于压差设定值变化的循环水泵主、被动变频联合控制法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于压差设定值变化的循环水泵主、被动变频联合控制法，其中的循环水泵主动变频是在管网阻力特性不发生变化的条件下，根据室外实时温度变化情况进行的主动变频，采用的被动变频控制是在主动变频基础上进行的微调。本发明主动变频前后工况是相似的，系统节流损失小，被动变频发生后的工况只是较小的偏离主动变频工况，循环水泵运行效率降低幅度较小，接近设计效率，且能保证系统供热量与系统热负荷的动态一致，有利于系统在保证供热效果的前提下最大程度地节约循环水泵的电能消耗。

Description

基于压差设定值变化的循环水泵主、被动变频联合控制法
技术领域
本发明涉及集中供热系统循环水泵的节能运行领域，尤其涉及集中供热系统循环水泵的变频节能运行。
背景技术
在集中供热系统中，循环水泵的运行能耗大小取决于其运行方式。循环水泵有定流量运行和变流量运行两种运行方式。定流量运行方式中，循环水泵恒速运行，且其流量、扬程整个运行季节不随热负荷变化而变化，其运行能耗保持不变；变流量运行有两种调节方法：一种是当负荷发生变化时循环水泵恒速运行，依靠管路阀门的调节改变流量；另一种是根据热负荷的变化，循环水泵通过改变其运转频率来改变流量。在这两种变流量运行控制方式中，循环水泵的能耗均随着流量的降低而降低，但在相同的运行流量下，变频运行的能耗通常远低于恒速泵变流量运行的能耗。
传统的循环水泵变频控制的原理是，首先在换热站出入口供回水总管(或供热系统主干管末端的供回水干管)设置压差测点，计算该压差测点在设计工况压差值，并以该值作为循环水泵变频运行调节的设定值；当全部或部分用户支路的调节阀开度发生(人工调节或自动调节)变化后，由于整个管网的阻力特性发生了变化，必然导致压差测点的实际压力不同程度地偏离压差设定值。若压差测点的实际压力有升高(高于设定值)趋势，则循环水泵需相应地降低运行频率，减少运行流量，以维持压差值稳定在设定值；反之，循环水泵需相应地提高运行频率，增大运行流量。可以看出，上述循环水泵频率变化是在管网阻力特性发生的基础上被动产生的，称为被动变频控制。这种定压差的被动变频控制方式将会产生两方面的缺点：一是循环水泵变频后将偏离其设计工况，其效率将发生变化，且其频率降低的幅度越大，循环水泵的效率降低程度越大；二是系统在较低负荷下将存在较大的节流损失，且频率降得越低，节流损失越大。
为了克服被动变频控制的循环水泵“运行效率低、节流损失大”的缺点，《暖通与空调》2010年第8期第38卷公开了“供暖系统气候补偿变频控制器的开发与应用”一文，该文提出在供热系统运行中采用气候补偿器，依照事先设定的“室外温度-压差对照表”，根据室外温度的变化自动调整压差测点的压差设定值，并输入到变频控制器中，从而实现了循环水泵根据热负荷的变化主动改变系统流量的主动变频方式。在这种主动变频方式中，由于变频操作是在管路阻力特性未发生变化的前提下发生的，因此不存在调节阀门的节流损失，同时由于循环水泵主动变频前后的工况为相似工况，所以具有与设计工况相同的运行效率。本文技术存在的缺陷是：其一，它的供回水压差设定值是以供暖人员根据运行经验自行设定的“室外温度-压差对照表”为依据变化的，没有从理论上得到室外温度与压差设定值的对应关系，因而不能实现最大限度节能，且不利于技术推广应用；其二，由于主动变频控制采用的“室外温度-压差对照表”中的室外温度值是离散的，当室外温度在某一范围变化导致热负荷发生变化时，循环水泵的运行频率将稳定在某一固定值，从而导致系统的循环流量不能很好地适应热负荷的变化，进而降低节能效果。
发明内容
针对循环水泵上述变频控制方式存在的“节能效率低”、“可推广性差”的缺陷，本发明提出一种用于循环水泵主动变频的根据室外温度定量确定供热系统测压点压差设定值的方法，在此基础上，进一步提供主动变频和被动变频联合控制的循环水泵变频控制技术。
为达到上述目的，本发明提供的根据室外温度定量确定供热系统测压点压差设定值的方法采取的技术方案是：
(1)系统参数设定：设供热系统设计热负荷为Q′，设计流量为G′，设计工况下控制点压差设定值为Δp′，室内设计温度为tn，室外设计温度为t′w，室外实时温度为tw，热媒设计供回水温度分别t′g、t′h(均为已知量)；主动变频后热媒供回水温度分别变化为tg、th；
(2)根据热量平衡关系，可以得出系统实际热负荷Q、系统所需循环流量G与室外温度tw三者之间的函数关系式：
Figure BDA0002426107010000031
(3)限定主动变频过程的热媒温差不变，即tg-th＝t′g-t′h，则可求得主动变频过程中系统所需循环流量G与室外实时温度tw的变化关系：
Figure BDA0002426107010000032
(4)由于主动变频过程中，循环水泵变频前后的水力工况为相似工况，则根据相似性原理，可以得到系统压差测点的压差设定值Δp与其所需循环流量G满足如下函数关系：
Figure BDA0002426107010000033
根据(2)式和(3)式，可以求得测压点压差设定差Δp与室外实时温度tw的函数关系：
Figure BDA0002426107010000034
根据(4)式，可以求得在不同室外温度下压差测点设定值Δp。
基于上述确定方法，本发明提供一种主动变频和被动变频联合控制的循环水泵变频控制方法，其特征在于，包括以下措施：
(1)在换热站或热源内设置用于数据分析处理的集控中心上位机、循环水泵及变频控制器；换热站外某一合适位置设置室外空气温度检测装置；换热站或热源供回水总管(或最不利回路末端供回水干管)的同一水平上分别设置压力检测装置；在每个用户支路上设置由设定回水温度自动控制开度的调节阀。
(2)编制系统测压点的压差设定值的求解程序，输入到集控中心上位机
根据公式(4)，编制根据室外温度确定系统测压点压差设定值的求解程序，并将该程序输入到集控中心上位机。
(3)确定实时室外温度下系统测压点的压差设定值
为了保持整个系统的稳定运行，防止循环水泵频繁调频，事先设定：当实时采集到的室外温度与当前压差设定值对应的室外温度之差的绝对值≥1℃时，系统才对采集到的温度信息进行处理；反之则不作处理。具体处理方法如下：
利用室外温度传感器，每隔一定的时间间隔(比如0.5小时)测定一次室外温度，并将室外温度信号经单片机实时上传至集控中心上位机，计算机将采集到的室外温度与当前压差设定值对应的室外温度相比较，根据比较结果，选择以下处理方式：
当采集到的室外温度与当前压差设定值对应的室外温度之差的绝对值<1℃，计算机对采集到的室外温度数据不作处理，系统压差设定值维持在当前压差设定值状态下，然后转步骤(6)进行被动变频；
当采集到的室外温度与当前压差设定值的室外温度之差的绝对值≥1℃，计算机以采集到的室外温度数据，利用步骤(2)预先编制好的算法，计算测压点的压差设定值，并以该值更新当前压差设定值，转下一步；
(4)测定系统测压点的实时压差
利用测压点的压力检测装置，实时采集两测压点的压力信号，并将两测压点的压力信号经单片机实时上传至集控中心上位机，集控中心上位机根据上传的两测压点的压力值确定测压点的实时压差；
(5)循环水泵的主动变频调节(压差设定值变化引起的调节)
根据主动变频压差设定值是否发生变化，决定是否进行主动变频控制过程，若压差设定值发生了变化，则由于在未执行主动变频操作之前，测压点实测值稳定在原来的压差设定值附近，因此必然与当前(变化后)的压差设定值存在较大程度的偏离。在这种情况下，则集控中心上位机输出变频控制指令给变频器，由变频器自动调节循环水泵的运行频率，使系统测压点的压差实测值发生变化并稳定在到当前测压点压差设定值附近。
(6)循环水泵的被动变频调节(管网阻力变化引起的调节)
在完成上述过程的基础上，仍然存在以下两种会导致测压点的压差测定值发生偏离当前压差设定值的趋势：其一，室外实测温度发生变化，但与当前压差设定值对应的室外温度之差的绝对值<1℃时，由此引起的用户热负荷的变化会导致回水温度控制的用户支路调节阀的开度发生变化，从而导致管网阻力特性发生变化及测压点压差发生偏离当前压差设定值的趋势；其二，个别用户的主动调节，如调节阀开度人为调节、回水温度设定值人为改变等，从而导致管网阻力特性发生变化及测压点压差发生偏离当前压差设定值的趋势，。
在以上两种情况下，若测压点压差实测值有增大(大于当前设定值)的趋势，则集控中心上位机发出降频控制指令给变频器，由变频控制器自动调节循环水泵的变频运行，从而控制管网测定点的压差值稳定在此时室外温度对应的设定值附近；反之，则集控中心上位机发出升频控制指令给变频器，由变频控制器自动调节循环水泵的变频运行，控制管网测定点的压差值稳定在此时室外温度对应的设定值附近，完成循环水泵的被动变频调节过程。
下面通过本发明控制原理以及现有技术的控制原理来阐述本发明优点。
传统的被动变频控制以设计工况为计算工况确定变频控制参数设定值。在这种变频控制方式下，负荷越低，偏离设计工况越大，循环水泵效率越低，系统节流损失也越大；而本发明提出的主动变频和被动变频相结合的变频控制方式中，循环水泵主动变频是在管网阻力特性不发生变化的条件下，系统节流损失小，且循环水泵在主动变频后的工况与主动变频前的工况是相似工况，其运行效率较高。同时，本发明中采用的被动变频控制是在主动变频基础上进行的微调，被动变频发生后的工况只是较小的偏离主动变频工况，循环水泵运行效率降低幅度较小，接近设计效率，且能保证系统供热量与系统热负荷的动态一致，有利于系统在保证供热效果的前提下最大程度地节约循环水泵的电能消耗。系统测压点压差设定值根据热量平衡原理和循环水泵相似性原理定量确定，便于实现系统最大程度节能和该技术的推广应用。
附图说明
为更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所使用的附图作简单介绍，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例原理图，对于本领域普通技术人员来讲，还可根据这些附图获得其他类似的附图。
图1为本发明控制方法中整个管网系统布置图。
图中：1-室外温度传感器，2-第一单片机，3-集控中心，4-PLC控制器，5-第二单片机，6-第三单片机，7-第一压力传感器，8-自动调节阀，9-第二压力传感器，10-变频器，11-循环水泵。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
本发明定量确定供热系统测压点压差设定值的方法见发明内容，在此不再重述。
参照图1，本发明主动变频和被动变频联合控制的循环水泵变频控制方法如下：
(1)如图1所示，本发明实施时：
在换热站或热源内设置用于数据分析处理的集控中心3(上位机)、循环水泵11、变频器10和PLC控制器4(也就是变频控制器)；
在换热站外某一合适位置设置由室外温度传感器1和第一单片机2组成的室外空气温度检测装置；
在热源或换热站供回水总管的同一水平上分别设置有压力检测装置，其中设置在供水总管上的的压力检测装置由第二单片机5和第一压力传感器7组成，设置在回水总管上的的压力检测装置由第三单片机6和第二压力传感器9组成。
在每个用户支路上设置由设定回水温度自动控制开度的自动调节阀8。
(2)编制系统测压点压差设定值的求解程序，输入到集控中心上位机3
根据技术方案记载的控制点压差设定值求解过程，编制控制点压差设定值的求解程序，输入到集控中心上位机3；
(3)确定实时室外温度下系统测压点的压差设定值(也就是图中P1与P2的压差)；
为了保持整个系统的稳定运行，防止循环水泵频繁调频，事先设定：实时采集到的室外温度与当前压差设定值对应的室外温度之差的绝对值≥1℃时，系统才对采集到的温度信息进行处理；
利用室外温度传感器1，实时采集室外温度，同时通过第一单片机2将温度数据实时上传至集控中心上位机3，上位机将接收到的实时温度数据与当前压差设定值对应的室外温度数据相比较，根据比较结果，选择以下处理方式：
当采集到的室外温度与当前压差设定值的室外温度之差的绝对值<1℃，计算机对采集到的室外温度数据不作处理，压差设定值不变，转步骤(6)的被动变频过程；
当采集到的室外温度与当前压差设定值的室外温度之差的绝对值≥1℃，计算机以采集到的室外温度数据，利用步骤(2)预先编制好的算法，计算测压点的压差设定值，并以该值更新当前压差设定值，转下一步；
(4)测定系统测压点的实时压差
利用第一压力传感器7和第二压力传感器9实时测定两测压点的压力值，并将两测压点的实时压力信号分别通过第二单片机5和第三单片机6处理后实时上传至集控中心上位机3，由上位机计算确定测压点的实时压差。
(5)循环水泵的主动变频调节(压差设定值变化引起的调节)
根据主动变频压差设定值是否发生变化，决定是否进行主动变频控制过程。即若主动变频压差设定值发生变化，则集控中心上位机3输出控制指令值给变频器10执行结构，由PLC控制器4自动调节循环水泵11的运行频率,从而控制管网测压点的压差值发生变化并稳定在变化后的设定值附近。若变化后压差设定值较原来的压差设定值(原来的压差实测值稳定在原来的压差设定值附近)增大，则循环水泵11升频运行；反之，则循环水泵11降频运行，直至其压差稳定在变化后的压差设定值附近。至此，主动变频调节过程完成。
(6)循环水泵11的被动变频调节(管网阻力变化引起的调节)
不管系统是否进行了主动变频，在以下两种情况下，循环水泵11将发生被动变频调节：其一，室外实测温度发生变化，但与当前压差设定值对应的室外温度的差值的绝对值小于1℃时，由此引起的用户热负荷的变化会导致回水温度控制的用户支路调节阀的开度发生变化，从而导致管网阻力特性发生变化及测压点压差发生偏离当前压差设定值的趋势；其二，个别用户的主动调节，如调节阀开度人为调节、回水温度设定值人为改变等，从而导致管网阻力特性发生变化及测压点压差发生偏离当前压差设定值的趋势。在被动变频调节过程中，集控中心上位机3输出控制指令给变频器10执行结构，由变频控制器4自动调节循环水泵11的运行频率,从而控制管网测压点的压差实测值稳定在此时室外温度对应的设定值附近。
以上，仅为本发明的一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，譬如，本发明实时采集到的室外温度与当前压差设定值的室外温度偏差值可以是1℃以外的数据，再比如，本发明在被动变频阶段当前回水温度与回水温度设计值的偏差值也可以很据各个地域具体情况去更改，等等。因此，所有与本发明基本原理相似的方法都在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种根据室外温度定量确定供热系统测压点压差设定值的方法，其特征在于，步骤为：
(1)系统参数设定：设供热系统设计热负荷为Q′，设计流量为G′，设计工况下控制点压差设定值为Δp′，室内设计温度为tn，室外设计温度为t′w，室外实时温度为tw，热媒设计供回水温度分别t′g、t′h；主动变频后热媒供回水温度分别变化为tg、th；
(2)根据热量平衡关系，可以得出系统实际热负荷Q、系统所需循环流量G与室外实时温度tw三者之间的函数关系式：
Figure FDA0003105378070000011
(3)限定主动变频过程的热媒温差不变，即tg-th＝t′g-t′h，则可求得主动变频过程中系统所需循环流量G与室外实时温度tw的变化关系：
Figure FDA0003105378070000012
(4)由于主动变频过程中，循环水泵变频前后的水力工况为相似工况，则根据相似性原理，可以得到系统压差测点的压差设定值Δp与其所需循环流量G满足如下函数关系：
Figure FDA0003105378070000013
根据(2)式和(3)式，可以求得测压点压差设定差Δp与室外实时温度tw的函数关系：
Figure FDA0003105378070000014
根据(4)式，可以求得在不同室外温度下压差测点设定值Δp。
2.一种基于压差设定值变化的循环水泵主、被动变频联合控制方法，其特征在于，包括以下措施：
(1)在换热站内设置用于数据分析处理的集控中心上位机、循环水泵及变频控制器；换热站外某一合适位置设置室外空气温度检测装置；换热站供回水总管或最不利回路末端供回水干管的同一水平上分别设置压力检测装置；在每个用户支路上设置由设定回水温度自动控制开度的调节阀；
(2)将权利要求1记载的根据室外温度定量确定供热系统测压点压差设定值的方法编制成求解程序，并将该程序输入到集控中心上位机；
(3)确定实时室外温度下系统测压点的压差设定值
事先设定：当实时采集到的室外温度与当前压差设定值对应的室外温度之差的绝对值≥1℃时，系统才对采集到的温度信息进行处理；反之则不作处理；具体处理方法如下：
利用室外空气温度检测装置，每隔一定的时间间隔测定一次室外温度，并将室外温度信号经单片机实时上传至集控中心上位机，计算机将采集到的室外温度与当前压差设定值对应的室外温度相比较，根据比较结果，选择以下处理方式：
当采集到的室外温度与当前压差设定值对应的室外温度之差的绝对值<1℃，计算机对采集到的室外温度数据不作处理，系统压差设定值维持在当前压差设定值状态下，然后转步骤(6)进行被动变频；
当采集到的室外温度与当前压差设定值的室外温度之差的绝对值≥1℃，计算机以采集到的室外温度数据，利用步骤(2)预先编制好的算法，计算测压点的压差设定值，并以该值更新当前压差设定值，转下一步；
(4)测定系统测压点的实时压差
利用测压点的压力检测装置，实时采集两测压点的压力信号，并将两测压点的压力信号经单片机实时上传至集控中心上位机，集控中心上位机根据上传的两测压点的压力值确定测压点的实时压差；
(5)因压差设定值变化引起的循环水泵的主动变频调节
根据主动变频压差设定值是否发生变化，决定是否进行主动变频控制过程，若压差设定值发生了变化，则集控中心上位机输出变频控制指令给变频器，由变频器自动调节循环水泵的运行频率，使系统测压点的压差实测值发生变化并稳定在到当前测压点压差设定值附近；
(6)因管网阻力变化引起的循环水泵的被动变频调节
当室外实测温度发生变化，且与当前压差设定值对应的室外温度之差的绝对值<1℃时，或者个别用户的主动调节导致管网阻力特性发生变化及测压点压差发生偏离，使得测压点压差实测值有大于当前设定值的趋势，则集控中心上位机发出降频控制指令给变频器，由变频控制器自动调节循环水泵的变频运行，从而控制管网测定点的压差值稳定在此时室外温度对应的设定值附近；反之，则集控中心上位机发出升频控制指令给变频器，由变频控制器自动调节循环水泵的变频运行，控制管网测定点的压差值稳定在此时室外温度对应的设定值附近，完成循环水泵的被动变频调节过程。
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