CN111928335A - 一种基于智能阀二次网水力平衡方法 - Google Patents

一种基于智能阀二次网水力平衡方法 Download PDF

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Abstract

一种基于智能阀二次网水力平衡方法，属于供热工程领域。方案如下：利用智能阀的监测数据可以通过算法自动计算阀门和楼栋阻力数，基于管网网络拓扑结构和图论原理可以将管网建立成由节点和管段组成的有向图模型，再基于管网实际运行工况，记录多工况下的管网运行工况，可计算管网各管段的实际阻力数，通过水力平衡算法自动调节阀门开度实现二次网的水力平衡。有益效果：本发明通过阻力数确定阀门开度，真实反应管网水力工况特性，避免了以开度定流量而造成水力失真现象严重的现象；通过自动计算智能阀开度，节省了人工进行二次网平衡调试的人工成本和时间成本，同时避免了人工调试由于人员素质参差不齐造成的不确定性和不准确性。

Description

一种基于智能阀二次网水力平衡方法
技术领域
本发明属于供热工程领域，尤其涉及一种用于自动进行供热二次网水力平衡的算法。
背景技术
二次网水力失调是造成用户投诉和能耗居高不下的主要原因。目前供热二次网的水力平衡主要依靠静态水力平衡阀或动态水力平衡阀在供热初期由运维人员进行水力平衡调试。其中静态水力平衡阀调节工作量大调节精度难以满足要求，动态水力平衡阀阻力较大，容易堵塞无法保证系统长期稳定运行，且这种方法无法实现在整个供暖期的动态调节。随着老旧小区的改造，系统入住率的变化及扩容等使二次网间断性发生水力工况变化，更增加了水力平衡的难度。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明在应用智能阀的基础上，开发一种自动进行二次网水力平衡的算法，智能阀具备自测楼栋管段流量、进出口压力、阀前后压力的功能；利用智能阀的监测数据可以通过算法自动计算阀门和楼栋阻力数。基于管网网络拓扑结构和图论原理可以将管网建立成由节点和管段组成的有向图模型。再基于管网实际运行工况，记录多工况下的管网运行工况，可计算管网各管段的实际阻力数，通过水力平衡算法自动调节阀门开度实现二次网的水力平衡。
技术方案如下：
一种基于智能阀二次网水力平衡方法，步骤如下：
S1、通过协调系统收集智能阀及水泵所采集的参数，通过智能算法辨识管网管段阻力数，通过室外气象参数及历史运行数据，计算楼栋热负荷求解阀门开度，将指令下发给PLC或DDC进行水力平衡调节控制；
S2、在系统运行工况下，楼栋热用户流量Gc由智能阀自动检测，通过压力和流量关系计算用户阻力数和阀门阻力数，并记录上传至协调系统；
S3、供热二次管网以枝状管网为主，基于图论原理，建立基本关联矩阵和基本回路矩阵，求解流量平衡方程和压力平衡方程；
S4、管网阻力数辨识计算：将二次网网络拓扑结构输入二次网协调系统，通过智能阀检测各用户端流量及阻力数，计算不同工况下运行参数的管段阻力数，并将管段阻力数记录于管网协调系统；
S5、根据历史运行数据，通过室外气象参数及室内温度设定值计算热用户热负荷，通过热负荷和供回水温度计算热用户所需流量；
S6、依据步骤S5计算各用户流量Gc，计算用户端总阻力数及阀门阻力数，依据阀门阻力数和开度的关系确定阀门开度，实现系统水力平衡调节；
进一步的，还包括以下步骤：
S7、热用户热负荷变化由阀门自动调节，调节过程以水力失调度为参考值，楼栋热用户的水力失调度χc为系统运行实际流量与所需计算流量的比值，当χc≤ξ时，则执行反馈控制，保持阀门开度不变，反之进行阀门开度调节，ξ表示水力失调度限值。
进一步的，还包括以下步骤：
S8、当管网总水力平衡度大于等于管网总水力平衡度限值时，管网水力平衡，反之执行步骤S6进行整体调节。
进一步的，步骤S1中，所述参数包括：用户端流量、压力、供回水温度、室外气象参数，室内温度。
进一步的，步骤S2中，用户阻力数和阀门阻力数通过用户入口供水压力Pc1与阀门出口压力Pc3及阀门流量Gc计算得到，阀门阻力数通过阀门前后压力Pc2、Pc3及流量Gc自检测，用户阻力数为用户端总阻力数与阀门阻力数之差，计算步骤如式(1)-(3)所示：
用户端总阻力数
Figure BDA0002632087260000021
阀门阻力数
Figure BDA0002632087260000022
用户阻力数Scy＝Sc-Scv Pa/(m3/h)2 (3)
方程中所用参数解释如下：Pc1表示第c个热用户端供水管压力，单位Pa；Pc2表示第c个热用户端阀门入口压力，单位Pa；Pc3表示第c个热用户端阀门出口压力，单位Pa；Gc表示阀门流量；SC表示用户端总阻力数即阀门与用户阻力数之和；SCV表示阀门阻力数。
进一步的，步骤S3具体步骤如下：
设有向图具有b个管道，n+1个节点，u个用户，对该有向图定义关联矩阵为A＝(aij)，其中各元素按照以下规定取值：
Figure BDA0002632087260000031
AG＝V (4)
式中：
A--n×b阶的基本关联矩阵aij(i＝1，·，n且j＝1，·，b)；
G--b×1阶管道列向量gj(j＝1，…，b)(kg/s)；
V--n×1阶节点流量列向量vi(i＝1，·，n)(kg/s)；
基本回路关联矩阵B＝(bcj),其中各元素按照以下规定取值：
Figure BDA0002632087260000032
BH+M＝0 (5)
式中：
B--u×b阶的基本回路关联矩阵bcj(c＝1，…，u且j＝1，…，b)；
H--b×1阶管道两端压力水头列向量hj(Pa)；
M--u×1阶用户端压降mc(Pa)；
c--外部节点编号既楼栋热用户编号。
其中
H＝Sdiag|Gdiag|G-DH (6)
Sdiag——管段对角矩阵阻力数；
Gdiag——管道流量对角矩阵；
DH——水泵扬程列向量，当水泵在管段中取1，当水泵不在管段中取0
M＝Sdiagc|Gdiagc|Gc (7)
Sdiagc—用户节点阻力数对角矩阵；
Gdiagc—用户节点流量对角矩阵。
进一步的，步骤S5中，热用户流量是热负荷与供回水温度函数，
Figure BDA0002632087260000041
式中所用参数解释如下：
Gc——楼栋热用户计算流量；
Qc——热用户热负荷(KW)；
Tc,g——二级网供水温度(℃)；
Tc,h——二级网回水温度(℃)；
ρ——流体密度(kg/m3)；
c——流体比热容(KJ/kg℃)。
其中楼栋热负荷是室外气象参数与室内温度的函数
Qc＝f(W，tn)(KW) (9)
W——室外气象参数；
tn——室内温度值(℃)。
进一步的，步骤S6计算方式如下：
Scv＝f(X) (10)
式中：
Scv——阀门阻力数，单位Pa/(m3/h)2；
X——阀门开度。
本发明的有益效果是：
本发明所述的基于智能阀二次网水力平衡方法是基于智能阀的二次网自动水力平衡方法，可以自动计算智能阀开度，进而自动调节二次网水力平衡。本发明具有以下突出特点：
(1)通过实验模拟表明该方法稳定、有效；
(2)通过阻力数确定阀门开度，真实反应管网水力工况特性，避免了以开度定流量而造成水力失真现象严重的现象；
(3)通过自动计算智能阀开度，节省了人工进行二次网平衡调试的人工成本和时间成本，同时避免了人工调试由于人员素质参差不齐造成的不确定性和不准确性；
(4)当室外温度发生变化，二次网的水力失调情况也会发生变化，通过本专利的方法可以实现随着室外温度的改变自动对二次网水力平衡进行调节，保证管网在不同室外温度下仍能维持水力平衡。
附图说明
图1为本发明二次网阻力辨识水力平衡总体框架图；
图2为本发明智能阀安装位置和监测数据示意图；
图3为本发明换热站协调系统水力平衡控制逻辑示意图。
具体实施方式
下面结合附图1-3对基于智能阀二次网水力平衡方法做进一步说明。
实施例1
本发明的主要目的是在应用智能阀的基础上，开发一种自动进行二次网水力平衡的算法。该智能阀具备自测楼栋管段流量、进出口压力、阀前后压力的功能。利用智能阀的监测数据可以通过算法自动计算阀门和楼栋阻力数。基于管网网络拓扑结构和图论原理可以将管网建立成由节点和管段组成的有向图模型。再基于管网实际运行工况，记录多工况下的管网运行工况，可计算管网各管段的实际阻力数，通过水力平衡算法自动调节阀门开度实现二次网的水力平衡。
图1是二次网阻力辨识水力平衡总体框架图。本实例为二次网水力平衡提供一种准确快速的控制方法。楼栋智能阀具备检测流量和压力的功能，并将数据上传至换热站协调系统。换热站协调系统具备管网阻力辨识和水力平衡算法，并将控制策略下发给智能阀。
图2是一个典型供热二次网分支。智能阀安装在供热回水管上，供热热水通过供水管流入热用户，再经过安装在回水管的智能阀而后流回回水管。智能阀监测的数据包括：智能阀流量Gc，智能阀前压力Pc2，阀后压力Pc3，供热水压力Pc1。
图3为换热站协调系统水力平衡调节控制逻辑图，换热站采集数据不限于室外气象参数、有效室温、循环水泵转速、供回水温度，楼栋智能阀开度、流量及压力参数，上传至换热站协调系统，换热站协调系统通过水力平衡优化算法确定阀门开度及水泵转速，将指令下发给PLC或DDC控制器，PLC或DDC控制器控制阀门开度及水泵转速。智能阀制动识别水力失调度并进行自动调节，协调系统评价整个二次网水力平衡度进行整体计算调节。
步骤1：通过协调系统收集通过智能阀及水泵所采集的不限于用户端流量、压力、供回水温度、室外气象参数，室内温度等参数，通过智能算法辨识管网管段阻力数，通过室外气象参数及历史运行数据，计算楼栋热负荷求解阀门开度，将指令下发给PLC或DDC进行水力平衡调节控制。
步骤2：在系统运行工况下，楼栋热用户流量Gc由智能阀自动检测，通过压力和流量关系自动计算用户和阀门阻力数，并记录上传至协调系统。用户和阀门总阻力数的计算通过用户入口供水压力Pc1与阀门出口压力Pc3及阀门流量Gc计算得到,阀门阻力数通过阀门前后压力Pc2、Pc3及流量Gc自检测，用户阻力数为用户端总阻力数与阀门阻力数之差。用户端阻力数计算如式(1)-(3)所示：
用户端总阻力数
Figure BDA0002632087260000061
阀门阻力数
Figure BDA0002632087260000062
用户阻力数Scy＝Sc-Scv Pa/(m3/h)2 (3)
方程中所用参数解释如下:
Pc1——第c个热用户端供水管压力Pa；
Pc2——第c个热用户端阀门入口压力Pa；
Pc3——第c个热用户端阀门出口压力Pa；
Gc表示阀门流量；SC表示用户端总阻力数即阀门与用户阻力数之和；SCV表示阀门阻力数。
步骤3：供热二次管网以枝状管网为主，基于图论原理，建立基本关联矩阵和基本回路矩阵，求解流量平衡方程和压力平衡方程。设有向图具有b个管道，n+1个节点,u个用户，对该有向图定义关联矩阵为A＝(aij)，其中各元素按照以下规定取值：
Figure BDA0002632087260000071
AG＝V (4)
式中：
A--n×b阶的基本关联矩阵aij(i＝1，·，n且j＝1，·，b)；
G--b×1阶管道列向量gj(j＝1，…，b)(kg/s)；
V--n×1阶节点流量列向量vi(i＝1，·，n)(kg/s)；
基本回路关联矩阵B＝(bcj),其中各元素按照以下规定取值：
Figure BDA0002632087260000072
BH+M＝0 (5)
式中：
B--u×b阶的基本回路关联矩阵bcj(c＝1，…，u且j＝1，…，b)；
H--b×1阶管道两端压力水头列向量hj(Pa)；
M--u×1阶用户端压降mc(Pa)；
c--外部节点编号既楼栋热用户编号。
其中
H＝Sdiag|Gdiag|G-DH (6)
Sdiag——管段对角矩阵阻力数；
Gdiag——管道流量对角矩阵；
DH——水泵扬程列向量，当水泵在管段中取1，当水泵不在管段中取0
M＝Sdiagc|Gdiagc|Gc (7)
Sdiagc—用户节点阻力数对角矩阵；
Gdiagc—用户节点流量对角矩阵。
步骤4：管网阻力数辨识计算：将二次网网络拓扑结构输入二次网协调系统，通过智能阀基于公式(1)-(3)检测各用户端流量及阻力数，依据公式(4)-(7)在不小于b/u个不同工况下的运行参数计算管段阻力数。并将管段阻力数记录于管网协调系统。
步骤5：楼栋热用户流量的确定，根据历史运行数据，通过室外气象参数及室内温度设定值计算热用户热负荷，通过热负荷和供回水温度计算热用户所需流量。热用户流量是热负荷与供回水温度函数，
Figure BDA0002632087260000081
式中所用参数解释如下:
Gc——楼栋热用户计算流量
Qc——热用户热负荷(KW)；
Tc,g——二级网供水温度(℃)；
Tc,h——二级网回水温度(℃)；
ρ——流体密度(kg/m3)；
c——流体比热容(KJ/kg℃)。
其中楼栋热负荷是室外气象参数与室内温度的函数
Qc＝f(W，tn)(KW) (9)
W——室外气象参数；
tn——室内温度值(℃)；
步骤6：管网水力平衡计算：依据步骤5计算个用户计算流量Gc，基于公式(4)-(7)计算用户端总阻力数及阀门阻力数，依据阀门阻力数和开度的关系确定阀门开度，实现系统水力平衡调节。
Scv＝f(X) (10)
式中：
Scv——阀门阻力数Pa/(m3/h)2；
X——阀门开度。
步骤7：热用户水力失调度计算及用户端流量动态调节方法。在完成步骤6后，热用户热负荷变化由阀门自动调节。调节过程由水力失调度为参考值。楼栋热用户的水力失调度χc为系统运行实际流量与所需计算流量的比值，当χc≤ξ时，则执行反馈控制，保持阀门开度不变，反之进行阀门开度调节。
Figure BDA0002632087260000091
式中：
χc——楼栋水力失调度
Gc,s——楼栋实际运行流量m3/h；
Gc,g——楼栋计算流量m3/h；
ξ——水力失调度限值
步骤8：管网总体水力平衡度计算及调节。管网总体水力平衡度为β，管网总水力平衡度θ当
Figure BDA0002632087260000092
时管网水力平衡，反之执行步骤6进行整体调节。
式中
β——管网总水力平衡度
k——水力稳定楼栋个数；
xc≥ξ时，k＝k+1；
u——楼栋总个数；
θ——管网总水力平衡度限值。
实施例2
一种自动调试供热二次网水力平衡的算法，用以对供热二次网水力失调进行平衡和调节。供热二次网包括循环水泵、供回水管道、智能阀和楼栋。该算法基于智能阀监测的流量和压力值，利用管网网络拓扑结构和图论原理将二次网建立成由节点和管段组成的有向图模型。该算法的工作原理主要包括以下几个方面：
(a).楼栋用户端阻力数辨识方法
楼栋智能阀功能及检测参数：楼栋智能阀安装于楼栋(供)回水管上，检测供水管压力,回水管阀门前压力,回水管阀门后压力。通过智能阀自动计算功能计算用户的阻力数和阀门的阻力数及开度，并将数据上传给协调系统。
(b)二次网基于图论基本计算方法：
任何流体网络都是由很多节点和管道连接起来的几何图形，由于水流有一定方向，所以是一种有向图。设有向图具有b个管道，n+1个节点,u个用户，对该有向图定义基于流量平衡的基本关联矩阵A，基于压降平衡的基本回路关联矩阵B，通过矩阵原理计算管网水力工况。
(c)管网阻力辨识：
将二次网网络拓扑结构输入二次网协调系统，基于图论矩阵原理，利用楼栋阀门流量和压力监测值，通过不少于管道数与用户数比值个数b/u个运行工况，辨识各管段阻力数。
(d)管网水力平衡计算方法：
通过室外气象参数和室内设计温度计算楼栋热负荷，并计算楼栋所需流量，基于步骤(b)的计算方法，步骤(c)所求管网阻力数，计算二次网水力平衡，确定热用户端所需总阻力数，同时计算阀门所需阻力数，依据阀门于开度与阻力数之间的函数关系确定阀门开度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于智能阀二次网水力平衡方法，其特征在于，步骤如下：
S1、通过协调系统收集智能阀及水泵所采集的参数，通过智能算法辨识管网管段阻力数，通过室外气象参数及历史运行数据，计算楼栋热负荷求解阀门开度，将指令下发给PLC或DDC进行水力平衡调节控制；
S2、在系统运行工况下，楼栋热用户流量Gc由智能阀自动检测，通过压力和流量关系计算用户阻力数和阀门阻力数，并记录上传至协调系统；
S3、供热二次管网以枝状管网为主，基于图论原理，建立基本关联矩阵和基本回路矩阵，求解流量平衡方程和压力平衡方程；
S4、管网阻力数辨识计算：将二次网网络拓扑结构输入二次网协调系统，通过智能阀检测各用户端流量及阻力数，计算不同工况下运行参数的管段阻力数，并将管段阻力数记录于管网协调系统；
S5、根据历史运行数据，通过室外气象参数及室内温度设定值计算热用户热负荷，通过热负荷和供回水温度计算热用户所需流量；
S6、依据步骤S5计算各用户流量Gc，计算用户端总阻力数及阀门阻力数，依据阀门阻力数和开度的关系确定阀门开度，实现系统水力平衡调节。
2.如权利要求1所述的基于智能阀二次网水力平衡方法，其特征在于，还包括以下步骤：
S7、热用户热负荷变化由阀门自动调节，调节过程以水力失调度为参考值，楼栋热用户的水力失调度χc为系统运行实际流量与所需计算流量的比值，当χc≤ξ时，则执行反馈控制，保持阀门开度不变，反之进行阀门开度调节，ξ表示水力失调度限值。
3.如权利要求1所述的基于智能阀二次网水力平衡方法，其特征在于，还包括以下步骤：
S8、当管网总水力平衡度大于等于管网总水力平衡度限值时，管网水力平衡，反之执行步骤S6进行整体调节。
4.如权利要求1所述的基于智能阀二次网水力平衡方法，其特征在于，步骤S1中，所述参数包括：用户端流量、压力、供回水温度、室外气象参数，室内温度。
5.如权利要求1所述的基于智能阀二次网水力平衡方法，其特征在于，步骤S2中，用户阻力数和阀门阻力数通过用户入口供水压力Pc1与阀门出口压力Pc3及阀门流量Gc计算得到，阀门阻力数通过阀门前后压力Pc2、Pc3及流量Gc自检测，用户阻力数为用户端总阻力数与阀门阻力数之差，计算步骤如式(1)-(3)所示：
用户端总阻力数
Figure FDA0002632087250000021
阀门阻力数
Figure FDA0002632087250000022
用户阻力数Scy＝Sc-Scv Pa/(m3/h)2 (3)
方程中所用参数解释如下：Pc1表示第c个热用户端供水管压力，单位Pa；Pc2表示第c个热用户端阀门入口压力，单位Pa；Pc3表示第c个热用户端阀门出口压力，单位Pa；Gc表示阀门流量；SC表示用户端总阻力数即阀门与用户阻力数之和；SCV表示阀门阻力数。
6.如权利要求1所述的基于智能阀二次网水力平衡方法，其特征在于，步骤S3具体步骤如下：
设有向图具有b个管道，n+1个节点，u个用户，对该有向图定义关联矩阵为A＝(aij)，其中各元素按照以下规定取值：
Figure FDA0002632087250000023
AG＝V (4)
式中：
A——n×b阶的基本关联矩阵aij(i＝1，·，n且j＝1，·，b)；
G——b×1阶管道列向量gj(j＝1，…，b)(kg/s)；
V——n×1阶节点流量列向量vi(i＝1，·，n)(kg/s)；
基本回路关联矩阵B＝(bcj)，其中各元素按照以下规定取值：
Figure FDA0002632087250000024
BH+M＝0 (5)
式中：
B——u×b阶的基本回路关联矩阵bcj(c＝1，…，u且j＝1，…，b)；
H——b×1阶管道两端压力水头列向量hj(Pa)；
M——u×1阶用户端压降mc(Pa)；
c——外部节点编号既楼栋热用户编号；
其中
H＝Sdiag|Gdiag|G-DH (6)
Sdiag——管段对角矩阵阻力数；
Gdiag——管道流量对角矩阵；
DH——水泵扬程列向量，当水泵在管段中取1，当水泵不在管段中取0
M＝Sdiagc|Gdiagc|Gc (7)
Sdiagc-用户节点阻力数对角矩阵；
Gdiagc-用户节点流量对角矩阵。
7.如权利要求1所述的基于智能阀二次网水力平衡方法，其特征在于，步骤S5中，热用户流量是热负荷与供回水温度函数，
Figure FDA0002632087250000031
式中所用参数解释如下：
Gc——楼栋热用户计算流量；
Qc——热用户热负荷(KW)；
Tc，g——二级网供水温度(℃)；
Tc，h——二级网回水温度(℃)；
ρ——流体密度(kg/m3)；
c——流体比热容(KJ/kg℃)。
其中楼栋热负荷是室外气象参数与室内温度的函数
Qc＝f(W，tn)(KW) (9)
W——室外气象参数；
tn——室内温度值(℃)。
8.如权利要求1所述的基于智能阀二次网水力平衡方法，其特征在于，步骤S6计算方式如下：
Scv＝f(X) (10)
式中：
Scv——阀门阻力数，单位Pa/(m3/h)2；
X——阀门开度。
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