CN1520502A - 用于控制从热交换器流出的输出流的温度并测量所产生的热量的方法和装置 - Google Patents

Abstract

通过初级回路中的初级流(3)来控制从热交换器(1)流入次级回路的至少一个输出次级流(2u)的温度的方法和装置，通过调节元件(5，11)来实现，它调节初级流控制单元(7)控制调节元件。确定流入热交换器的输入初级流(3i)与流出热交换器的输出初级流(3u)之间的焓差(Δh)。确定次级流流量(2i)。确定初级回路(3)中的流(3i)，并将上述已确定的参数提交给控制单元(7)，以实现对调节元件(5，11)的控制，其中根据次级流(2)对初级流(3)进行控制，使得通过初级流(3)提供给热交换器的功率等于将次级流媒质由当前的初始温度T_{sec_in}升高到所希望的输出温度T_{sec_out_desired}所需的功率，加上补偿热交换器(1)中存储能量所需的功率，再加上热交换器(1)的泄漏功率的总和。本发明还涉及对初级侧媒质产生的功率和热量进行测量的方法。

Description

用于控制从热交换器流出的输出流的温度 并测量所产生的热量的方法和装置

本发明涉及一种用于通过初级回路中的初级流来控制从热交换器流入次级回路中的至少一个输出次级流的温度的方法与装置，这种控制通过一个控制元件来实现，这个控制元件受到一个控制单元的影响，并实现对初级流的调节。本发明还涉及一种对产生的功率和热量进行测量的方法。

本发明的背景技术及问题

在地区水暖站的热自来水输送过程中，被集中加热的水的初级流是由热交换器实现加热的，而在热交换器中热自来水的次级流将被加热到一个恒定的温度。地区水暖站将负责对次级侧的恒定温度进行控制，这种控制可以由自动的机械方式实现，或者是由电子控制装置来实现，它通过对次级侧的反馈温度测量，根据对次级侧所希望的输出温度与实际输出温度之间的差进行校正来控制温度。只要使用了电子控制装置，通常都要使用PI或是PID调节器，这种调节器根据次级侧当前的输出温度，通过关闭或开启初级侧的阀门来控制初级侧的水流。这样，初级侧的加热效果得到了控制，从而得到了具有所希望的输出温度的热自来水。

无论机械还是电子控制系统都存在着一定的缺点，因为控制的速度达不到人们的预期，因此在次级侧的温度达到正确的输出温度之前可能会存在一定的时延。这种在次级回路的水龙头位置的水温达到正确的温度之前出现控制滞后有可能会造成严重后果，例如加热水的沸腾。

另一个缺点是，在实际应用中，不可能针对所有的实际工作条件对调节装置进行优化，因此控制容易出现波动。地区供暖系统(即初级侧)的传导温度和不同压力在一年当中会沿着地区供暖线路的路径而发生变化。

地区供暖系统的压力波动部分取决于当前距热源的距离，部分取决于供热中心在整个系统中的相对位置。调节器的动作是静态设定的，因此无法根据实际工作过程中所有可能出现的情况对调节器进行优化，这将导致输出温度在不同工作条件下的波动，而温度的波动例如将导致下列后果：

线路系统的微小影响就将引起水龙头处水温的变化，从而导致舒适程度的下降，尤其是在为单户家庭供暖的情况下这种现象尤为严重。

当水温超过60摄氏度时热交换器的水垢沉积加剧，调节元件的损耗加剧。

妨害地区供热系统的冷却，这将大大增加生产成本。

在US 5,363,905提出的已知系统中，利用次级侧的反馈温度来影响初级侧的调节阀门。这种解决方案可对初级侧的压力变化进行纠正，但不能在次级侧的热自来水的水流波动期间对温度进行所希望的快速纠正。在此这种情况下，需要测量初级回路的压缩过程中的压力下降，以及测量初级侧的压力，同时还需测量初级侧进行热交换之前和之后的水温。因为在初级侧需要两个压力表，这种系统相当昂贵，而且在次级侧的温度突然发生变化时，无法在次级侧提供快速的温度调节。调节测量无法被激活，直至次级侧的温度下降，因此热自来水的水温通常将发生波动。

EP 0,526,884提出了一种基于示温打印技术的调节机制，其中主要是通过对打印头的电力传输进行调整，以及对冷却流进行可调补偿，来将打印头控制到一个恒定的温度。第一个温度传感器用于测量热头的温度，第二个温度传感器用于测量流出的冷却液体的温度。系统通过对冷却流的测量和调节，以及对流入和流出(加热后)的冷却流的温度进行测量来计算冷却流中所带走的热量。

WO 96/17210中对地区供热站的控制系统进行了描述，其中包括温度测量，为实现所希望的控制而对初级侧的水流的测量，以及为计算能耗和用户为此付费情况而进行的测量等。在这个方案里，在次级侧没有进行水流测量，这意味着次级侧的输出水温很有可能会出现波动。

DE U 1 296,17,756公开了一种系统，其中在初级侧采用分流控制技术，在初级侧，热交换器输出的水流将被反馈到热交换器的输入流中。这个方案假设如果初级侧热交换器输出流的温度保持恒定，那么在次级侧热自来水的温度也将保持恒定。这种假设肯定会引起次级侧水温的波动，原因是热交换器的表面温度一定会因为热自来水而下降。而且，当热自来水的流量突然增加时，这个系统无法实现快速调整，因为调整机制只有在初级侧的温度下降以后才能开始发生作用。

在现有技术中并没有考虑当次级侧的耗热量突然发生变化时——例如当流量逐渐增加时——系统需要进行快速的反应，因此即使考虑到了次级侧的温控，整个控制系统也还是会经常受到波动的影响。尽管针对各种局部问题提出了许多独立的解决方案，但是目前仍未有一个系统能够提供一个独特的解决方案实现稳定的输出，而无论它在地区供热系统中处于什么位置。大多数对次级侧温度进行控制的系统都由调节环路组成，调节环路将利用当前温度值的反馈信息，借此防止输出温度的测量值与期望值的偏离。所以，此类系统只有在得到的输出温度出现偏差后才会进行调整。在检测到到温度发生偏差之前，系统必须处于等待状态，因此，当实际的耗热量发生变化时，调节必然是滞后的。

发明内容

本发明的目的是设计一种用于热交换系统的快速、稳定的控制装置，其中考虑到了热交换系统初级侧的各种可能发生的变化，包括输入温度和压力的变化，无需对次级侧的实际温度值进行反馈即可将用户侧水温保持在恒定的温度上。

该任务通过权利要求中所述的技术特征来解决。

本发明可避免次级侧的温度波动，其中在地区供热站中的次级侧的与热水回路是一致的。在通常情况下，地区供热站还具有用于散热器和通风系统的热交换回路，对此本发明也可以很好地适用。在此类系统中，负荷的动态变化更为缓慢。

无论用户的数量发生何种变化，本发明将提高系统对负荷变化的适应性。而且，本发明可大大减少热交换器中的水垢沉积问题，因为本发明的具有高精度的快速控制系统可防止水温峰值超过60摄氏度。

如果要在用户侧得到温度恒定的热自来水，则必须要确定将次级侧的水温加热(或者在冷却系统中则是将次级侧水温降低)到希望值所需要的加热功率。本发明的核心思想并不是对次级侧输出水温的实际温度与所希望温度之间的偏差进行动态纠正，控制系统可以在没有次级侧实际温度值反馈的情况下进行工作。

在大多数地区供热系统中，无需设定调节参数即可对本发明设计的控制系统进行安装，这将大大节省安装以及服务/微调所需要的时间。

在另一个实施例中，考虑到热交换器中要加热的输入水温的波动问题，本发明的处理步骤和装置也适用于解决次级侧发生改变的问题。本实施例可用于解决输入冷水的温度波动问题。(在通常情况下，假设水温在很大程度上是一个恒定的值。)通过本实施例，相同的系统可用于很大的地理区域内，本发明的系统经过简单的修改后，在输入水温发生波动时，还可用于对其它地区进行校正。

本发明还可用于测量输送功率与热量，例如，用于计费或是计算能源消耗，并且，当改当了热输送的方向时，本发明也适用于冷却系统。

附图说明

下面，我们将以多个实施例的形式，参考下列附图对本发明进行详细说明。

图1a简要示出了本发明的系统连接图。

图1b-d，举例示出了图1中所示系统的不同实施例。

图2举例示出了用于热自来水以及热引入水回路(HSWC)的不同系统。

图3示出了一个地区供热站连接图的示例，包括热自来水控制与散热器水控制、热量测量、故障检测、告警以及与监控系统间通信的功能。

图4简要示出了一个根据本发明的用于初级流控制与测量的集成液压单元，包括阀门元件、压差传感器、温度传感器、以及一个控制阀门元件的控制元件，它可以与液压单元集成在一起，或者也可以设置在液压单元上。

图5示出了一个用于热交换回路的集成液压单元的截面图，此单元中包括了多项本发明所述的功能。

图6示出了3个热交换器，每一个热交换器连接到一个集成液压单元，为实现初级流的相互连接，热交换器之间也相互连接，还包含三个用于次级流的独立连接，以及一个公共控制单元。

具体实施方式

图1a示出了在有一个用户的供热站中本发明的应用，此供热站具有一个热交换器1，它包括初级回路3和次级回路2。初级回路3的输入初级流3i是来自于中央加热系统的热水；输出初级流3u由循环水构成。次级回路2的次级流2i是流入的净水，由热交换器1进行加热；流出的次级流2i是经过加热的热自来水，流向终端用户或顾客的水龙头。如果不知道输入次级流2i的水温(例如，此温度不是一个已知的恒温)，在这种情况下，应该在输入次级流中设置一个温度表进行测量(如图中虚线所示)。

最好在开放侧安装一个流量表4对次级流2i-2u进行测量，而且流量表的信号应提交给控制单元7。在初级侧，设置第一个温度表8用于测量输入流3i的温度，设置第二个温度表9用于测量返回流3u。这两个温度表的输出信号传送给控制单元7。

为了在通过初级侧对流3进行控制，初级回路中设置了控制阀5，而且控制阀最好位于返回流3u的位置，原因是这样可降低阀门的温度并防止气蚀(cauitatuon loads)。阀门开放的程度a是由控制元件25进行调节的，控制元件25所接收到的控制信号是由控制单元7发出的。

在所示的实施例中，使用一个压差表6对初级回路中的流3i-3u进行测量，此压差表连接在控制阀5的输入端与输出端之间。

在图1b中示出了一个与图1a相似的实施例，但是这里初级回路中的控制元件由泵11构成，流3与泵的压差之间的关系是预先确定的，作为泵的转速的函数。泵的压差AP是由压差表6进行测量的，控制单元7通过控制泵的转速来得到所希望的初级流3。

另一种实施例如图1c所示，其中利用流量表12对初级流3进行测量以控制所希望的水流，通过调节阀门a的开放程度来得到符合要求的初级流(注意，利用实际的流量值的反馈来实现本地调节环路)。

图1d中所示的实施例是第四种变型，在这种方案中，水流的测量受到一个固定压缩元件13的影响，在压缩元件上跨接一个量表6来测量压缩元件两端的压力差。

在图2所示的实施例中，次级侧的输入水2i由冷水和循环水混合而成，因此被称为热水的HSWC流。在这种方案中，输入次级流2的温度是经常变化的，因此，方案中还包含一个用于测量次级流温度Tsin的温度表10。

图3示出了一种用于地区供热站中的本发明的实施例，其中包含了本发明中的多种功能。示例中的功能包含了热自来水控制、散热器水控制、各回路中传送的总热量的测量以及通过通信链路(com)将测量结果提交给外部监控系统。热交换器与供热站其它元件之间的对话功能是通过在系统中交换测量信息以及与监控中心通过(com)进行通信来实现的，这是控制单元7功能的一部分。当控制功能中需要实施控制和/或发生异常需要告警时，和/或需要对热量值进行测量时，传感器将输出次级流的温度进行测量(但传感器的测量值并不用于系统对温度稳定性的动态控制)。

控制的基础理论

本发明的基本思想就是：控制初级回路所产生/吸收的功率，将其控制为当前希望施加给次级媒质的功率/从次级媒质带走的功率，以改变输入次级流的当前温度，使输出次级流达到所希望的温度。这是根据输入初级流和输出初级流之间的温度差对初级回路中的水流进行控制来实现的。

总的来说，对于热交换器的初级回路和次级回路，有：

Q′＝m*(h(T_in)-h(T_out))                              (A)

其中Q’表示由回路向热交换器输送的功率，m表示回路的质量流量，h(T)表示温度为T的媒质所包含的焓(即单位质量中的热能)，T_out表示输出流的温度，T_in表示输入流的温度。

式(A)也可以写成：

Q′＝m*C_p*ΔT                                        (A2)

其中C_P表示媒质的热容量，ΔT＝T_out-T_in。

Q’_{sek_desired}表示为了使输出次级流达到所希望的温度而希望对次级侧媒质所施加的影响，用下列等式来表示：

-Q_{ec_desired}＝m_sec*(h_sec(T_{sec_out_desired})-h_sec(T_{sec_in}))   (A3)

其中m_sec表示次级回路的质量流量，h_sec(T)表示表示温度为T的次级侧媒质所包含的焓，T_{sec_out_desired}表示输出次级流所希望达到的温度，T_{sec_in}表示输入次级流的当前温度。

在热交换的过程中存在功率平衡，初级侧施加的功率Q’_prim加上次级侧施加的功率Q’_sec再加上热交换器吸收的泄漏功率Q’_leak的总和等于热交换器在单位时间内存储的能量Q’_vx，即：

Q′_vx＝Q′_prim+Q′_sec+Q′_leak                        (B)

本发明包括对从初级侧产生的功率Q’_prim的控制：

Q′_prim＝Q′_{sec_desired}-Q′_leak+Q′_vx            (B2)

如果忽略泄漏功率的影响，则可将Q’_leak置为0，即：

Q′_prim＝Q′_{sec_desired}+Q′_vx                    (B3)

Q’_vx表示当热交换器中存储的热量发生变化时产生的动态影响，在负荷发生变化时，可以考虑通过Q’_vx来解决问题。例如，一个系统通过调节阀门实现控制，这种控制的调整速度相对较为迟缓。当负荷突然减轻时，由于控制元件还没有到达所希望的位置，初级侧产生的热能将超过希望产生的能量。所产生的“过剩热能”一部分存储在热交换器中，并将导致输出次级流温度的暂时升高。但是可以通过热交换器中的过剩热能来对控制进行补偿，从而暂时减少初级侧的功率供给，尽量减少温度升高，直到过剩热能完全由次级流带走。

在稳定状态下，热交换器中存储的热能是不变的，即Q’_vx＝0，代入式(B3)则可得到：

Q′_prim＝Q′_{sec_desired}                          (B4)

将(A)用于初级侧，并将(A3)代入式(B4)，得到：

m_{prm_desired}*(h_prm(T_{prim_in})-h_prim(T_{prim_out}))＝m_sec*(h_sec(T_{sec_out_desired})-h_sec(T_{sec_in}))(C)

从式(C)消去m_{prim_desired}可得到本发明的基本控制原理：

$m_{\mathrm{prim}\_\mathrm{desired}}=m_{\sec }*\left(\frac{h_{\sec }\left(T_{\sec \_\mathrm{out}\_\mathrm{desired}}\right)-h_{\sec }\left(T_{\sec \_\mathrm{in}}\right)}{h_{\mathrm{prim}}\left(T_{\mathrm{prim}\_\mathrm{in}}\right)-h_{\mathrm{prim}}\left(T_{\mathrm{prim}\_\mathrm{out}}\right)}\right)---\left(D\right)$

根据近似化简的不同程度，此基本控制原理有不同的表现形式，下面将给出控制原理的几种简化形式。在计算流量时一般采用容积流量的形式，在这种情况下不必对式(D)进行任何修改；对于质量流量m，有：

m＝q*ρ                                  (E)

其中q表示容积流量而ρ表示密度。因为ρ是与温度相关的，因此在这种情况下通常需要考虑容积流量的温度。假设在输入侧确定次级侧的容积流量q_sec，在输出侧确定初级侧的所希望的流量Q_{prim_desired}，将等式(E)代入等式(D)之后，可以解等式求得q_{sec_desired}：

$q_{\mathrm{prim}\_\mathrm{desired}}=q_{\sec }*\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\sec }\left(T_{\sec \_\mathrm{in}}\right)}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{prim}}\left(T_{\mathrm{prim}\_\mathrm{out}}\right)}*\left(\frac{h_{\sec }\left(T_{\sec \_\mathrm{out}\_\mathrm{desired}}\right)-h_{\sec }\left(T_{\sec \_\mathrm{in}}\right)}{h_{\mathrm{prim}}\left(T_{\mathrm{prim}\_\mathrm{in}}\right)-h_{\mathrm{prim}}\left(T_{\mathrm{prim}\_\mathrm{out}}\right)}\right)---\left(F\right)$

如果在其他位置确定容积流量，应该在容积测量位置处的媒质温度应用等式(E)。对于焓h(T)：

h(T)＝C_p*T                                        (G)

其中C_p是热容量(即将单位质量的媒质温度升高一度所需的能量)。

将等式(G)代入等式(F)，得到：

$q_{\mathrm{prim}\_\mathrm{desired}}=q_{\sec }*\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\sec }}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{prim}}}*\frac{C_{p\left(\sec \right)}*\mathrm{\Δ}{T}_{\sec \_\mathrm{desired}}}{C_{p\left(\mathrm{prim}\right)}*\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{prim}}}----\left(F2\right)$

其中ΔT_desired＝T_{sec_out_desired}-T_{sec_in}，并且ΔT_prim＝T_{prim_in}-T_{prim_out}。

由于初级回路和次级回路中使用的媒质是相同的，因此与ρ和C_p相关的温度可以被从式(F2)中消去(ρ_sec＝ρ_prim；C_p(sec)＝C_p(prim))，因此，等式(F2)可简化为：

$q_{\mathrm{prim}\_b\stackrel{..}{o}r}=q_{\sec }*\frac{\mathrm{\Δ}{T}_{\sec \_b\stackrel{..}{o}r}}{\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{prim}}}---\left(F3\right)$

这样，可根据不同的近似方法对本发明进行分析(例如，根据式D、F、F2或是F3进行控制)。但这些表达式的共同点在于它们都基于一个参数组，这组参数表示进入热交换器(1)的初级流(3i)与流出热交换器(1)的次级流3u之间的焓差(Δh)，例如，在实际应用的温度范围内，在初级媒质中的函数h(T)上的多个点，以及T_{prim_out}，T_{prim_in}。用于所述焓差的可选特征参数组的一个例子是由在一定温度范围内初级媒质的热容量C_p以及温差ΔT_prim构成的。

相似地，根据本发明也可以对于次级回路(2)中的质量流量(m_sec)和初级回路中的质量流量(m_prim)使用不同的特征参数组。

调节阀的结构

根据已知特定结构的水流特点，阀门5可以有不同的设计方案。阀门的示例包括座阀、滑阀、球形阀或是菌形阀。当使用滑阀时，通过开启/关闭调节螺杆对阀门进行控制，阀门的开启程度与螺杆的动程a基本成正比。

对每种类型的阀门，可以确定水流特性k_v(a)，它与阀门的当前压差ΔP_valve以及通过阀门的流量Q_valve有关。因此，可以通过下列关系对流过阀门的流量进行计算：

$q_{\mathrm{valve}}=k_v\left(a\right)\·\sqrt{\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{ventil}}}---\left(H\right)$

由此可解得：

$k_v\left(a\right)=\frac{q_{\mathrm{ventil}}}{\sqrt{\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{ventil}}}}----\left(I\right)$

以及

$a=f_{\mathrm{cv}}\left(\frac{q_{\mathrm{ventil}}}{\sqrt{\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{ventil}}}}\right)---\left(J\right)$

其中f_cv(x)是k_v(x)的反函数。

压差测量阀门的控制功能

在阀门工作时，可对阀门的位置进行控制，从而得到正确的流量。对每种类型的阀门，都可以基于当前阀门的位置以及阀门两侧的压差根据经验来确定流量。

控制所需的调节阀门位置a可以被表示为检测到的次级回路的流量、检测到的初级侧差温、检测到的调节阀两侧的压差以及所希望的次级回路的温度差的函数。

为了在初级回路中得到想要的流量，阀门的位置控制控制可通过下式进行：

$a_{\mathrm{deired}}=f_{\mathrm{cv}}\left(\frac{q_{\mathrm{prim}\_\mathrm{desired}}}{\sqrt{\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{valve}}}}\right)---\left(J2\right)$

将式(F)代入式(J2)，将得到本发明的控制原则得本发明的控制原理：

$a_{\mathrm{desired}}=f_{\mathrm{cv}}(\frac{q_{\sec }}{\sqrt{\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{valve}}}}*\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\sec }\left(T_{\sec \_\mathrm{in}}\right)}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{prim}}\left(T_{\mathrm{prim}\_\mathrm{out}}\right)}*\frac{h_{\sec }\left(T_{\sec \_\mathrm{out}\_\mathrm{desired}}\right)-h_{\sec }\left(T_{\sec \_\mathrm{in}}\right)}{h_{\mathrm{prim}}\left(T_{\mathrm{prim}\_\mathrm{in}}\right)-h_{\mathrm{prim}}\left(T_{\mathrm{prim}\_\mathrm{out}}\right)})---\left(K\right)$

如果将(F3)代入式(J2)，则得到本发明的控制原理：

$a_{b\stackrel{..}{o}r}=f_{\mathrm{cv}}(\frac{q_{\mathrm{sek}}}{\sqrt{\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{ventil}}}}*\frac{\mathrm{\Δ}{T}_{\sec \_b\stackrel{..}{o}r}}{\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{prim}}})---\left(K2\right)$

因为初级侧与次级侧使用同样的热载体，而且可以忽略ρ和C_p与温度的相关性，因此对每一种阀门，都可以根据经验来确定反函数f_cv(x)(和/或水流的特征函数k_v(x))。

压差ΔP_valve可以以任意方式确定，例如，可以使用连接阀门上游侧和下游侧的压差表对压差进行测量，或是使用第一个绝对压力表来测量阀门上游侧的压力P1，并用另一个绝对压力表来测量阀门下游侧的压力P2。

功率与热量的测量

对热交换器初级侧和/或次级侧传导热量以及供热效果的测量是以式(A)为基础的。将应用于阀门中媒质的等式(H)和(E)代入式(A)，得到：

${Q^{\′}}_{\mathrm{prim}}={\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{prim}}\left(T_{\mathrm{prim}\_\mathrm{valve}}\right)*k_v\left(a\right)*\sqrt{\left(\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{valve}}\right)}*(h\left(T_{\mathrm{prim}\_\mathrm{in}}\right)-h\left(T_{\mathrm{prim}\_\mathrm{out}}\right))---\left(L\right)$

其中T_{prim_valve}表示在阀门位置初级侧媒质的温度。如果将阀门置于从热交换器流出的初级流(3u)中，则T_{prim_valve}≌T_{prim_out}，相应地，如果将阀门置于流入的热交换器初级流(3i)中，则T_{prim_valve}≌T_{prim_in}。

在将式(G)代入式(L)后，可得到另一表达式：

${Q^{\′}}_{\mathrm{prim}}={\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{prim}}\left(T_{\mathrm{prim}\_\mathrm{valve}}\right)*k_v\left(a\right)*\sqrt{\left(\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{valve}}\right)}*C_p*\mathrm{\Δ}{t}_{\mathrm{prim}}---\left(L2\right)$

根据本发明的一个优选实施例，在初级侧供给的功率部分地通过确定温度T_{prim_in}、T_{prim_out}、以及调节阀两侧的压差ΔP_valve来控制，此调节阀被置于初级侧出口的下游；并且部分地通过得到阀门的特征函数k_v(a)、开启程度a，以及初级侧媒质的密度和焓来控制。根据式(L)或式(L2)，可以使用这些值计算得到Q’_prim。

在时间周期t1-t2内的得到的供热效果进行积分，则可得到初级回路在此时间周期内的供热量：

$Q_{\mathrm{prim}}=\underset{t1}{\overset{12}{\∫}}\left({Q^{\′}}_{\mathrm{prim}}\right)\∂t---\left(M\right)$

将式(L)代入(M)，得到：

$Q_{\mathrm{prim}}=\underset{t1}{\overset{12}{\∫}}({\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{prim}}\left(T_{\mathrm{prim}\_\mathrm{valve}}\right)*k_v\left(a\right)*\sqrt{\left(\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{valve}}\right)}*(h\left(T_{\mathrm{prim}\_\mathrm{in}}\right)-h\left(T_{\mathrm{prim}\_\mathrm{out}}\right)))\∂t---\left(M2\right)$

在求解这个积分时，例如可以先确定各个局部能量，再将各局部能量相加求得积分的值。各局部能量可以通过平均功率值 与形成该平均值的相应时间周期Δt_i的乘积来确定，即：

$Q_{\mathrm{prim}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(\stackrel{\‾}{Q_{\mathrm{prim}\_i}*\mathrm{\Δ}{t}_i}\right)---\left(M3\right)$

根据本发明的一个优选实施例，在次级侧也需要确定产生的功率以及热量。这种计算基于温度T_{sec_in}和T_{sec_out}(通过第四个温度表测量得到)，和流量值q_sec(可由流量表测量得到或是通过其它方式确定，例如根据rmp可控泵的已知特性确定)，以及借助等式(A)。

如果我们假设系统处于稳定状态，而且热交换器的热泄漏可忽略不计，则首先可对初级侧产生的供热效率和热量的值进行第一次测量，并对在次级侧产生的供热效率和热量的值进行第二次测量，包括测量在热交换器内传输的功率Q’和热量Q。对产生的供热效率这两次独立测量的结果都可用于计费或随后的能耗计算。

通过比较这两次独立测量的结果可提高系统的安全性。例如，当测量不可靠时，例如±2％Q’的冗余值可被用于生成警告，即，所述两次测量结果的差距超出了某个可接受的值，例如±10％，或者是一个更精确的值。

第二种应用领域是，通过两种方法中的任意一种确定Q’，在此基础上，当通过另一种方法以完全独立确定Q’的过程中检测到测量信号错误时，可使系统切换到保留模式，例如，通过合理性检验发现初级侧的温度表发生故障，则可以通过次级侧得到的Q’值来确定发生故障的温度表的保留值。相似地，任何量表的故障都可通过独立检测到的错误来计算其保留值。

第三个用途就是量表或例如阀门特性以相同方式进行的自校准，以在量表发生故障时计算备用值。

集成阀门单元

根据本发明，为了简化系统的制造与装配过程，在一个优选实施例中将几项功能都集成到一个集成阀门单元中，可将此阀门单元作为半成品进行生产，然后再组装成一个完整的系统。图4示出了一个基于本发明的可对初级流进行控制与测量的集成液压单元，其中包括阀门元件，压差传感器，温度传感器，以及一个控制阀门元件的控制元件，它可以集成在液压单元内，也可以设置在液压单元上。这个液压单元可具有优点地用于控制初级流，测量阀门两侧的压差以及测量初级流在阀门处的温度。

如图5所示，可以将多项功能/多个元件集成到液压单元40中，包括管道接头41和42之间的第一管路56，用于分别与地区供热系统和热交换器相连，支路43与44用于连接到其它相邻的液压单元；参见图6。

在管路56中安装了一个阀门元件53，它由控制元件54控制。在阀门元件53的两侧安装有量表61和62，用于测量阀门元件上游和下游的压差。管路56中还安装有量表8，用于确定管路56中媒质的温度。在液压单元40中还设置了第二管路57，第二管路57通过管道接头45和46分别与地区供热系统的输入媒质和热交换器相连。第二管路57的支路47和48可用于连接其它相邻的液压单元。在另一个管路57中还设置了量表9，用于确定该管路中媒质的温度。液压单元40中还包括第三和第四管路58与59，这两个管路分别通过管道接头49和51连接到加热/制冷用户，通过管道接头50和52连接到热交换器。为了确定管路58和59中媒质的温度，在管路中分别设置了量表55和10。为了确定管路59中媒质的流量，设置了一个量表7。还设置了用于将电源线的接入和接出液压单元40接触元件(图中未显示)，它传送测量和/或控制信号。

图4中给出的集成液压单元可具有优点地作为半成品进行生产，然后再进一步组装成一个完整的系统，例如图6中给出的示例。除了上文中提到的种种优点，液压单元通过简化初级回路与次级回路的断开和连接还可带来其它优点。

其他实施例

在最常用的实施例中，从热交换器1流出的次级流2的温度是恒定的，例如为55摄氏度。当然，也允许对这个期望值进行人工调节或自动调节。期望值的调节可通过控制单元7实现，例如，此控制单元可以是一个电位计。根据用户对水温的要求，或是根据当前的季节，可以对水温进行手工控制。例如，在冬季，水温应适度调高以补偿热水从热交换器到远端用户之间的热能损失。也可根据预先给定的补偿曲线和/或外部温度表返回的信号，由控制单元对次级测水温自动进行季节性的调整。

如果将本发明应用于这样一个系统：热交换器用于对散热器内的循环水进行加热，在大多数情况下，都需要根据外界温度对次级流的输出温度和输入温度进行相应的校正。此时，本实施方案无需初级侧输出流温度的直接反馈。

调节阀的控制元件可以有多种不同的形式，并根据当前的控制元件产生一个。例如，调节阀可以是一个带有伺服马达的阀门，通过PWM(脉宽调制)进行控制，或者可以通过与控制电流或控制电压成比例的流量控制来实现。

本发明的方法可以具有优点地与热交换器的故障诊断结合在一起。在此类实施例中，需要对阀门两侧的压差进行测量，通过分析阀门在一定开启程度时水压随时间的下降，可以检测到初级侧刚开始发生的阻塞现象(钙质沉积以及污垢等造成)。因为热交换器可减弱压力下降的程度，当刚开始发生阻塞时，在流量恒定的情况下，调节阀两侧压力下降的程度减小到恒定的流。对热交换器内热传送值变化的分析也可用于故障诊断。例如，可以采用下列步骤：在各种不同负荷条件(传送功率)以及不同系统条件(输入初级流温度与压力)情况下，记录所有的测量得到的信号(至少应包括初级回路与初级流以及次级流中的温度差，以及在次级侧所希望的温度差)。当热交换器发生阻塞时，热传送特性发生恶化，因此需要增加初级流的流量。

可以根据T_prim(in)和T_prim(out)计算得到所希望的温度差ΔT_prim，或者可以例如通过热敏元件直接对温度差进行测量。

因为系统具有流量测量和温差测量功能，因此，可对热量的消耗进行计算，从而方便地对终端用户进行计费。

另外，该系统非常适用于读表(计算热传输值)、故障诊断(阻塞)、气候控制(对所希望的值的集中调节)，并可实现切断功能。只需要一个通信链路的接口，控制单元或调节单元。

本发明并非局限在用于地区供热站，也可以适用于任何使用热交换器的应用场合，例如，用在石化工业中或是其它形式的热控制中。

Claims (15)

1.控制从热交换器(1)输出到次级回路中的至少一个输出次级流(2u)的温度的方法，通过初级回路中的初级流(3)来进行控制，其中控制单元(7)控制一个调节元件(5，11)，调节元件来调节初级流，

其特征在于：

a)确定表示流入热交换器(1)的输入初级流(3i)与流出热交换器(1)的输出初级流(3u)之间的焓差(Δh)的特性的参数组，

b)确定表示次级回路(2)中质量流量(m_sec)特性的参数组，

c)确定表示初级回路(3)中质量流量(m_prim)特性的参数组，

d)将a)至c)项中确定的参数传送到控制单元(7)，用于控制调节元件(5，11)，其中根据次级流(2)来控制初级流(3)，由初级流(3)传送到热交换器的功率基本上对应于下列各项之和：

1)将次级媒质的温度从当前输入温度T_{sec_in}升高到所希望的输出温度T_{sec_out_desired}所需的功率，和

2)用于补偿热交换器(1)中存储的热能所需的功率，和

3)热交换器的泄漏功率。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

调节元件的控制是通过初级流(3)与次级流(2)之间的流平衡实现的，在初级流(3)与次级流(2)之间维持功率平衡，其中在各个流中提供和消耗的功率通过下式给出：

     Q＝ρ·c_p·q·ΔT，由此给出功率平衡公式通过控制元件的控制可获得初级侧的流量q_prim，其计算公式为：

$q_{\mathrm{prim}}=q_{\sec }\·\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\sec }\·c_{p_{\sec }}\·\mathrm{\Δ}{T}_{\sec }}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{prim}}\·c_{p_{\mathrm{prim}}}\·\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{prim}}}\right)$

ρ_sec/prin分别表示初级回路和次级回路中媒质的预定特定密度。

c_psec和c_pprim分别表示初级回路和次级回路中媒质的预定特定热容。

Q_prim表示由控制元件获得的初级回路中的流量，

q_sec表示实际测量得到的次级回路中的流量，

ΔT_prim表示实际测量得到的初级侧输入与输出媒质的温度差，

ΔT_sec表示次级侧输入与输出媒质的所希望的温度差，次级回路的输出侧的温度仅为期望值，其中调节元件的控制无需次级回路的输出侧温度的直接反馈。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

调节元件(5)由流特性已知的调节阀和由压差表(6)确定的跨接调节阀两侧的压力差表(压力下降)构成。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，

阀门开启的程度(a)是最好根据经验确定的阀门的反向流特性f_cv(x)的函数，计算公式为：

$a=f_{\mathrm{cv}}(q_{\mathrm{prim}}/\sqrt{\left(\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{valve}}\right)})$

其中ΔP_valve是测得的调节阀两侧的压力差，q_{prim_desired}是流过阀门的流量，α是阀门的开启程度。

5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于

调节元件由泵(11)组成，流经泵的流量与泵两侧压差之间的关系是作为旋转速度的函数预先确定的，其中控制单元(7)调节泵的旋转速度。

6.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

检测(10)流入热交换器(10)的输入次级流(2i)的温度(T_{sec_in})，检测得到的值用于计算q_{prim_desired}。

7.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于

初级回路与次级回路中的流量和温度值用于诊断和检测热交换器的阻塞和/或热交换器热交换值的损失。

8.控制从热交换器(1)输出到次级回路中的至少一个输出次级流(2u)的温度的方法，通过初级回路中流经交换器的初级流(3)来进行控制，控制单元(7)控制一个用来调节初级流的调节元件(5，11)，

其特性在于，

·为了确定流之间的焓差，设置温度表(8，9)来测量流入热交换器(1)的输入初级流(3i)和流出热交换器的输出初级流(3u)的温度，

·设置流量表(4)来测量次级流(2)的流量(q_sec)。

·设置压差表(6)来测量初级流(3i)中跨接调节元件(5)两侧的压力差(ΔP)，和/或设置流量表(12)来测量初级流(3)的流量(q_prim)，并且

·将所述量表(4，8，9，12)的输出信号传送到控制单元(7)，用于控制调节元件(5，11)，其中根据次级流(2)来控制初级流(3)，使得通过初级流(3)传送到热交换器的功率基本上对应于下述各项之和：

1)将次级媒质从当前输入温度T_{sec_in}升高到所希望的输出温度T_{sec_out_desired}所需的温度的功率，和

2)用于补偿热交换器(1)中存储的热能而需要的功率，和

3)热交换器的泄漏功率。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，

调节元件(5)由具有已知流物性的调节阀和测量跨接在调节阀两侧的压力差的压差表(6)构成，并由存储在控制单元(7)的存储器中的阀门(5)的已知流特性构成。

10.如权利要求8所述的装置，其特征在于，

调节元件由泵(11)组成，流经泵的流量与泵两侧压力差之间的关系作为旋转速度的函数是预先确定的，其中设置控制单元(7)来调节泵的旋转速度。

11.如权利要求8所述的装置，其中

阀门(5)被集成到液压单元(20)中，包括阀门元件(24)，阀门元件具有控制阀门元件的控制元件(25)，还包括与阀门(5)相连的管道接头(22，23)，用于确定阀门元件两侧压力差(6)的装置，该装置与阀门元件(24)的上游侧和下游侧相连，温度表(8)，用于检测流过阀门的水流温度。

12.如权利要求8-11中任一项所述的装置，其特征在于，

控制单元(7)包含至少一个存储器(30)，用于存储阀门(5)的开启程度(a)与次级回路(2)的流量q_sec、次级回路(2)中的温度差ΔT_sec、初级回路(3)中的温度差ΔT_prim、以及阀门(5)两侧压力差ΔP_valve之间的函数。

13.如权利要求8所述的装置，其特征在于，

管路(56-59)，用于将媒质(3i，3u，2i，2u)导入和导出热交换器(1)，这些管路被集成到一个液压单元之中，管路的端都安装有管道接头(41，42，45，46，49，50，51，52)，用于连接到初级流与次级流(3，2)，这些管路中至少有一部分有分支侧向管路(43，44，47，48)，在这些侧向管路的端部也安装有管道接头，用于连接多个互连的液压单元之间的连接线，部分管路安装有流量表，压差表以及温度表(8，9，10，55，61，62)，这些量表与管路进行通信，液压单元中至少设置了一个调节阀。

14.确定通过热交换器的初级回路向热交换器传送的功率和热量的方法，通过一个调节元件(5，11)来实现，它调节流经初级回路的流量，调节元件(5，11)由控制单元(7)进行控制。

其特征在于，

确定流入热交换器(1)的输入初级流(3i)和流出热交换器(1)的输出初级流(3u)之间的焓差(Δh)，确定调节单元两侧的压力差(ΔP_{regulatory_memeber})和调节单元(5，11)中媒质的温度(T_medium)，以及存储在控制单元(7)的存储器中的已知的流特性，即焓差(Δh)、压力差(ΔP_{regulatory_memeber})、温度(T_medium)以及调节元件阀门的开启程度(a)，根据这些参数以及控制单元存储器中存储的流的特性和密度，就可计算出初级回路中产生的功率和热量值。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，

根据在控制单元中存储或确定的输入次级流和输出次级流之间的焓差Δh_sec以及流量Δm_sec可计算出次级回路所吸收的功率和热量的有效值，同时可以根据次级侧所吸收的功率和热量的有效值对初级回路产生的功率与热量的已确定的值进行检验，其中如果分别由初级侧产生的功率和热量值与次级侧吸收的功率和热量值之间的差异超出了预先设定的接受值，则应利用通信装置向外界发出警告。

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