DE102009031944A1

DE102009031944A1 - Wärmeleistungs- und Volumenstromregler

Info

Publication number: DE102009031944A1
Application number: DE200910031944
Authority: DE
Inventors: Matthias Dipl.-Ing. Wangemann; Birgit Dipl.-Ing. Wangemann
Original assignee: Holter Regelarmaturen GmbH and Co KG
Current assignee: Holter Regelarmaturen GmbH and Co KG
Priority date: 2009-07-07
Filing date: 2009-07-07
Publication date: 2011-01-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mit einem elektronisch gesteuerten Stellantrieb ausgerüstetes Stellglied, das der Regelung der Wärmeleistung von Verbrauchern, die flüssige Medien oder Gase als Energieträger nutzen, dient. Die Regleranordnung besteht aus einem Stellglied, einem oder mehreren Differenzdruckaufnehmern, mindestens zwei Thermofühlern und einem Stellantrieb mit einem elektronischen Stellungsregler. Der mit einem elektronischen Mikrorechner ausgerüstete Stellungsregler ist dahingehend erweitert, daß er neben dem Hub bzw. Drehwinkel des Stellgliedes außerdem die Meßwerte der Temperaturfühler und Differenzdruckaufnehmer rechenprogrammtechnisch verarbeitet und aus den Werten für Hub bzw. Drehwinkel (d. h. dem Öffnungsverhältnis) des Stellgliedes, den Druckdifferenzen und der Temperaturdifferenz unter Berücksichtigung der spezifischen Wärmekapazität des Energieträgers den Volumenstrom und die im Verbraucher umgesetzte Wärmeleistung berechnet. Durch die Eingabe eines Wärmeleistungssollwertes kann diese Anordnung eine Regelung, d. h. einen Vergleich zwischen Soll- und Istwert vornehmeln. Da auch der Volumenstrom im Stellglied selbst ermittelt wird, kann eine Begrenzung des Volumenstromes rechenprogrammtechnisch erfolgen. Durch die beschriebene Erfindung lassen sich sehr kompakte und preiswerte Wärmeleistungsregler aufbauen. Werden mehrere solcher Regler in einem komplexen Rohrleitungssystem eingesetzt, so kann ein ...

Description

Die Erfindung betrifft eine mit einem elektronisch gesteuerten Stellantrieb ausgerüstete Regelarmatur, die der Regelung von Wärmeleistung- und Volumströmen flüssiger Medien und Gase dient.
Solche Armaturen werden in großer Zahl z. B. in der Prozessregelung in Chemieanlagen, in Energieerzeugungs- und Verteilanlagen, in der Gebäudeheizungstechnik, der Gas- und Wasserversorgung u. s. w. eingesetzt.
Die hier beschriebene Kombination aus Stellantrieb und Regelarmatur zeichnet sich dadurch aus, daß mittels Stellantrieb, Regelarmatur mit Differenzdruckmessung und Temperaturdifferenzmessung zwischen Zu- und Abfluß eines Verbrauchers, der Volumenstrom durch die Armatur gemessen, die Temperaturdifferenz erfasst und mit einem dem Stellantrieb in Form eines analogen Signals bzw. eines binär kodierten Wertes vorgegebenen Wärmeleistungs- bzw. Volumenstromsollwertes verglichen wird und der Stellantrieb die Regelarmatur solange verstellt, bis der Sollwert der Wärmeleistung bzw. des Volumenstromes mit dem durch Armatur und Steuerelektronik des Antriebes erfassten und errechneten Istwert der Wärmeleistung bzw. des Volumenstromes übereinstimmt.
Stand der Technik
Bekannt sind Volumenstromregler, die mechanisch und ohne Hilfsenergie arbeiten. Sie sind jedoch nur für einen voreingestellten Wert verwendbar.
Weiterhin sind Volumenstromregler mit motorischem Antrieb bekannt. Die für die Regelung des Volumenstromes erforderliche Volumenstrommessung erfolgt oft über eine in Strömungsrichtung vor- oder nachgeschaltete Meßeinrichtung.
Als Meßprinzipien kommen Wirkdruckverfahren mit Messblenden, Verfahren mit Messung der aufgrund des Staudruckes auf einen umströmten Körper wirkenden Kraft, Verdrängerverfahren sowie elektrische Verfahren auf induktiver oder akustischer Basis und thermische Verfahren sowie auch optische Verfahren zur Anwendung. Die Beeinflussung des Volumenstromes erfolgt mit Stellgliedern bzw. Regelarmaturen, wie z. B. Stellklappen, Schiebern, Hähnen oder Regelventilen oder durch geregelte Pumpen.
Die vorgenannten Stellglieder haben, sofern sie mit Hilfsenergie angetrieben werden, einen Stellantrieb, der elektrisch, pneumatisch, hydraulisch oder thermisch betrieben wird.
Der für die Regelung des Volumenstromes notwendige Vergleich von Strömungsistwert und Strömungssollwert wird in externen elektronischen Reglern vorgenommen. Früher erfolgte das mittels Analogrechnern, derzeit in programmgesteuerten Digitalrechnern.
Nachteilig bei den bekannten Systemen ist das Erfordernis von separatem Volumenstrommesser, Stellgerät und elektronischem Regler, was mit hohen Anschaffungskosten und erhöhtem Installations- und Platzaufwand verbunden ist.
Ein weiterer Nachteil ist der begrenzte Meßbereich, insbesondere bei Anwendung des Wirkdruckverfahrens mit Meßblende. Auch läßt die Messgenauigkeit nahe der unteren Meßbereichsgrenze stark nach. Geregelte Pumpen zur separaten Wärmeleistungs- und Volumenstromregelung sind häufig nicht geeignet, da sie oft mehrere Regelkreise zentral versorgen und teuer sind.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeleistungsregler zu schaffen und die vorgenannten Nachteile bekannter Volumenstromregler zu vermeiden bzw. zu verringern. Es soll ein Volumenstrom- und Wärmeleistungsregler mit Hilfsenergie geschaffen werden, der kompakt und preisgünstig ist, mit geringem Platz- und Installationsaufwand auskommt, einen großen Regelbereich mit guter Regelgenauigkeit aufweist und zudem für weitere Meß- und Regelaufgaben erweiterbar ist.
Als weitere Meß- und Regelaufgaben seien beispielhaft ganannt:
Regelung von Drücken in Rohrleitungsnetzen.
Ausgabe aktueller Meßwerte, wie beispielsweise Differenzdruck, Volumenstrom, Stellung des Stellgliedes, Soll- und Istwert des Volumenstromes, Wärmeleistung und Mediumtemperatur visuell oder in elektrischer Form.
Weiterhin soll der maximale Volumenstrom durch Voreinstellung begrenzt werden können. Letzteres macht einen hydraulischen Abgleich von Rohrleitungssystemen mit mehreren zu regelnden Verbrauchern überflüssig.
Erfindungsgemäße Lösung
Ein Wärmeleistungs- und Volumenstromregler, der vorgenannte Eigenschaften aufweist, wird durch ein Stellglied (1) mit Drosselorgan (2) zur Beeinflussung des Volumenstromes, einen das Stellglied (1) betätigenden Stellantrieb (3), einen oder mehrere Differenzdruckaufnehmer (5), einen oder mehrere Teperaturfühler (8) und einen im Stellantrieb (3) integrierten elektronischen Stellungsregler (3.1) mit integriertem Wärmeleistungsregler gebildet.
Der Differenzdruckaufnehmer (5) erfaßt den Wirkdruck, welcher bei Umströmung über dem Drosselorgan (2) entsteht und gibt den Differenzdruck in elektrischer Form an den im Stellantrieb (3) befindlichen Stellungsregler (3.1).
Der Differenzdruckaufnehmer (5) wird über zwei Zuleitungen (5.3) direkt am Ein- bzw. Ausgang des Stellgliedgehäuses angeschlossen oder im bzw. am Stellgliedgehäuse angeordnet. Über einen externen elektrischen Eingang wird dem in den Stellungsregler (3.1) integrierten Wärmeleistungsregler ein Wärmeleistungssollwert vom Sollwertgeber (6) zugeführt.
Jedes Stellglied (1) besitzt eine eigene Durchflußcharakteristik, die zu jedem beliebigen Öffnungsverhältnis (Öffnungsgrad des Drosselorgans 2) einen eindeutig zuzuordnenden Durchflußkoeffizienten hat. Der Durchflußkoeffizient des Stellgliedes (1) ist damit eine mathematische Funktion des Stellgliedöffnungsverhältnisses.
Das Öffnungsverhältnis ist der Quotient aus Istwert und Maximalwert einer eindimensionalen geometrische Größe, entweder ein Drehwinkel, ein Bogenmaß oder eine lineare Hubstrecke. Diese geometrische Größe wird durch ein im Stellungsregler (3.1) des Stellantriebs (3) vorhandenes Wegmeßsystem (4) erfaßt und steht zur weiteren rechnerischen Verarbeitung im Stellungsregler (3.1) zur Verfügung.
Aus der Funktionsgleichung für den Zusammenhang von Öffnungsverhältnis und Durchflußkoeffizient ergibt sich der bei dem jeweiligen Öffnungsverhältnis gültige Durchflußkoeffizient.
Für den Zusammenhang zwischen der Strömungsgeschwindigkeit des zu regelnden Mediums und der Druckdifferenz über der Drosselstrecke des Stellgliedes gilt die Bernoulligleichung. Bei bekanntem Durchflußkoeffizienten, der sich wie bereits beschrieben eindeutig aus dem Öffnungsverhältnis des Stellgliedes (1) ableiten läßt, kann nun mittels des über dem Drosselorgan (2) erfaßten Wirkdruckes (Druckdifferenz) die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums und daraus der Volumenstrom nach der Bernoulligleichung bestimmt werden.
Die Multiplikation von Volumenstrom, Temperaturdifferenz über dem Verbraucher (10) und der Wärmekapazität c_v des Wärmeträgers ergibt die umgesetzte Wärmeleistung.
Der Istwert von Wärmeleistung und/oder Volumenstrom wird im kombinierten Stellungsregler (3.1) mit dem entsprechenden Sollwert verglichen.
Bei Abweichungen zwischen beiden Werten erfolgt eine Angleichung des Istwertes durch entsprechende Verstellung des Stellgliedes (1) mittels des Stellantriebs (3) solange, bis die Differenz beider Werte eine definierte zulässige Abweichung nicht mehr übersteigt.
Bei der Verstellung des Stellgliedes (1) werden die aktuellen Differenzdrücke und Temperaturdifferenzen laufend mit den aus der Charakteristik des Stellgliedes folgenden Durchflußkoeffizienten im Regler rechnerisch ausgewertet und mit dem Sollwert verglichen. Übersteigt die Abweichung zwischen Soll- und Istwert die zulässige Abweichung, so erfolgt eine erneute Verstellung des Stellgliedes (1) durch den Stellantrieb (3) solange, bis die Abweichung zwischen Soll- und Istwert verschwindet, bzw. innerhalb des Bereiches der zulässigen Abweichung liegt.
Da bei allen Medien die Dichte, welche in die Volumenstromberechnung eingeht, mehr oder weniger stark von der Temperatur abhängig ist, kann der Meßwert des Temperaturfühlers (8) zur Bestimmung der Mediumdichte berücksichtigt werden.
Alle vom Mikrorechner des Stellungsreglers (3.1) erfaßten und/oder berechneten Werte können optisch, als elektrisches Signal oder elektromagnetisch bzw. elektrostatisch in Analog- oder Binärform zur weiteren Verarbeitung ausgegeben werden.
Um mit dem beschriebenen Regler auch Wärmeleistungen bzw. Volumenströme gas- oder dampfförmiger Medien Regeln zu können, ist zur Bestimmung der Mediumdichte außer dem Differenzdruckaufnehmer (5) über dem Drosselorgan (2) noch ein Absolutdruckgeber (9) für das Medium vor oder nach dem Drosselorgan (2) des Stellgliedes (1) vorzusehen. Der Meßwert des Absolutdruckgebers (9) wird dem im Stellantrieb (3) befindlichen Stellungsregler (3.1) ebenfalls als elektrisches Signal zugeführt und zur Dichtebestimmung des Mediums rechnerisch darin weiterverarbeitet.
Der beschriebene Wärmeleistungs- und Volumenstromregler kann auch Bestandteil von elektropneumatischen- bzw. elektrohydraulischen Stellungsreglern, wie sie in Verbindung mit pneumatischen bzw. hydraulischen Stellantrieben zum Einsatz kommen, sein.
Bei Einsatz von Dreiwegestellgliedern (1.1) mit Differenzdruckmessung über den Toren AB-A und AB-B können die Teilströme ebenso aus den zugehörigen Durchflußkoeffizienten ermittelt werden, wie weiter oben für Durchgangsstellglieder bereits beschrieben.
Ein besonderer Vorteil des beschriebenen Reglers liegt darin, daß auch noch sehr kleine Volumenströme und Wärmeleistungen mit guter Genauigkeit bestimmt werden können.
Der Grund dafür liegt darin, daß bei kleinen Volumenströmen der Durchflußkoeffizient des Stellgliedes (1) kleine Werte annimmt und nicht wie z. B. bei festen Meßblenden eine Konstante darstellt.
Stellglieder (1) können alle Arten von Armaturen sein, die über weitgehend stetige Durchflußcharakteristika als Funktion geometrischer Größen besitzen.
Vorzugsweise sind das Stellventile, Stellklappen, Stellschieber und Stell- bzw. Kugelhähne.
Da es in der Serienherstellung nur mit großem Aufwand möglich ist, Stellglieder (1) mit immer exakt gleicher Charakteristik zu erzeugen, werden Abweichungen von der theoretisch idealen Charakteristik durch Korrekturfaktoren berücksichtigt. Je nach Anforderung an die Genauigkeit der Meß- und Berechnungsergebnisse können die Korrekturfaktoren für eine Geräteserie einmalig erfasst und im Mikrorechner als Festwert hinterlegt werden oder bei höheren Genauigkeitsanforderungen für jede Reglereinheit, bestehend aus Stellantrieb (3), Stellungsregler (3.1) und zugehörigem Stellglied (1), während einer Endprüfung im Fertigungsprozesses separat ermittelt und dem Datenspeicher des zugehörigen Mikrorechners übertragen werden.
1 zeigt einen Wärmeleistungsregler als Kombination aus Hubventil und elektr. Hubantrieb.
2 zeigt einen Wärmeleistungsregler als Kombination aus einer Drosselklappe und einem elektr. Drehantrieb
In 3 ist ein Wärmeleistungsregler mit Plattenschieber und Hubantrieb dargestellt
4 zeigt ein Dreiwegeventil mit zwei Differenzdruckmessern (5; 5.4) über den Toren AB-A und AB-B und pneumatischem Membranantrieb sowie im Stellungsregler (3.1) integriertem Wärmeleistungsregler
In 5 ist ein Wärmeleistungsregler bestehend aus Kugelhahn und elektrischem Drehantrieb dargestellt.

Claims

Wärmeleistungsregler für fließfähige Medien, bestehend aus einem Stellglied (1) mit einer definierten Durchflußcharakteristik und einem Stellantrieb (3), welcher mit einem in- oder extern angeordneten elektronisch programmgesteuereten Stellungsregler (3.1) ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (1) mit einem Differenzdruckaufnehmer (5) und Temperaturfühlern (8; 8.1) gekoppelt ist, welche die Druckdifferenz zwischen strömungsmäßigen Ein- und Ausgang des Stellgliedes (1) und die zwischen Ein- und Ausgang eines Wärmeverbrauchers (10) herrschende Temperaturdifferenz als elektrische Signale an einen programmgesteuerten Stellungsregler (3.1) als zusätzliche Eingangsgrößen melden sowie weiterhin gekennzeichnet durch einen mit dem Stellantrieb (3) verbundenen Stellungsregler (3.1), welcher aus dem vom Wegmeßsystem (4) des Stellungsreglers erfaßten Öffnungsgrad des Stellgliedes (1) und dem daraus zugeordneten Durchflußbeiwert den durch das Stellglied (1) fließenden Volumenstrom sowie die Wärmeleistung eines oder mehrerer Wärmeverbraucher (10) mittels mathematischer Verknüpfungen in einem elektronischen Rechenwerk des Stellungsreglers (3.1) berechnet.
Wärmeleistungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem elektronisch programmgesteuerten Stellungsregler (3.1) ein Wärmeleistungssollwert zugeführt und mit dem aus der Temperaturdifferenz über einem Wärmeverbraucher (10), der Stellung des Drosselorgans (2) und dem Differenzdruck über dem Drosselorgan berechneten Wärmeleistungsistwert verglichen wird und bei Überschreitung einer zulässigen Abweichung zwischen beiden Werten eine Verstellung des Drosselorgans (2) durch den Stellantrieb (3) eingeleitet wird, solange bis die Differenz beider Werte innerhalb der zulässigen Grenzen liegt.
Wärmeleistungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzdruckaufnehmer (5) durch separate flexible oder starre Zuleitungen (5.3) mit dem strömungsmäßigen Ein- bzw. Ausgang des Stellgliedes (1) verbunden ist.
Wärmeleistungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzdruckaufnehmer (5) integraler Bestandteil des Stellgliedgehäuses oder des Stellgliedverschlußdeckels ist.
Wärmeleistungsregler nach Anspruch 1, 2 u. 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Druckentnahmestellen eines oder mehrerer Differenzdruckaufnehmer (5; 5.4) an mit dem Stellglied (1) verbundenen Ein- und Auslaufstrecken befinden um die Druckentnahme in einem Strömungsfeld beruhigter und gleichmäßiger Mediumströmung zu gewährleisten und damit Meßwertschwankungen und Meßunsicherheit des Differenzdruckmeßwertes zu verringern. Die Länge der Einlaufstrecke x_E beträgt vorzugsweise das doppelte des Nenndurchmessers, die Länge der Auslaufstrecke x_A beträgt vorzugsweise das sechsfache des Nenndurchmessers.
Wärmeleistungsregler nach Anspruch 1, 2, 3, 4 u. 5 dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied drei Hauptanschlüsse aufweist, somit ein Dreiwegestellglied (1.1) darstellt und die Differenzdrücke zwischen jeweils zwei aller drei Hauptanschlüsse durch mehrere Differenzdruckaufnehmer (5; 5.4) erfaßt und an den Stellungsregler (3.1) gemeldet werden, so daß dieser aus der Drosselorganstellung und den Differenzdrücken die Teilvolumenströme und den Gesamtvolumenstrom berechnet.
Wärmeleistungsregler nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 u. 6 dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (1) mit einem Temperaturfühler (8) ausgerüstet ist, der die Medientemperatur im Stellglied (1) erfasst und dem Stellungsregler (3.1) meldet, so daß dieser die temperaturabhängige Mediendichte berechnet und bei der Volumenstromberechnung berücksichtigt.
Wärmeleistungsregler nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 u. 7 dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (1) mit einem Temperaturfühler (8) ausgerüstet ist sowie einem weiteren Temperaturfühler (8.1) der die Medienaustrittstemperatur nach einem mit dem Volumenstromregler in Reihe geschalteten Verbraucher (10) erfasst und aus der damit berechenbaren Temperaturdifferenz und der spezifischen Wärmekapazität des Mediums die Wärmeleistung errechnet.
Wärmeleistungsregler nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 u. 8 dadurch gekennzeichnet, daß der Stellungsregler (3.1) mit einer programmgesteuerten Mikrocontrollersteuerung ausgerüstet ist.
Wärmeleistungsregler nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 u. 9 dadurch gekennzeichnet, daß die Soll- und Istwerte aller Geber, Fühler, Aufnehmer und Berechnungsergebnisse mittels eines zum Stellungsregler (3.1) gehörigen optischen alphanumerischen Anzeigefeldes (7.1) separat, als Auswahl oder gemeinsam sichtbar dargestellt werden.
Wärmeleistungsregler nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 u. 10 dadurch gekennzeichnet, daß die Soll- und Istwerte aller dem Stellungsregler (3.1) des Wärmeleistungsreglers zugeführten Werte in binärer und/oder analoger Form erfolgt.
Wärmeleistungsregler nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 u. 11 dadurch gekennzeichnet, daß der Stellungsregler (3.1) des Wärmeleistungsreglers ein absolutes und ein hochauflösendes inkrementales Wegmeßsystem (4) enthält, welches mit dem Drosselorgan (2) des zum Wärmeleistungsregler gehörigen Stellgliedes (1) mechanisch starr, ohne Zwischenschaltung mechanisch elastischer Glieder, gekoppelt ist.
Wärmeleistungsregler nach Anspruch 1 u. 6 dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (1) ein Kugelhahn ist.
Wärmeleistungsregler nach Anspruch 1 u. 6 dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied ein Stellventil ist.
Wärmeleistungsregler nach Anspruch 1 u. 6 dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied ein Kolbendrehschieber ist.
Wärmeleistungsregler nach Anspruch 1 u. 6 dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied ein Plattendrehschieber ist.
Wärmeleistungsregler nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied ein Schieber ist.
Wärmeleistungsregler nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied eine Drosselklappe ist.
Wärmeleistungsregler nach vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zum Differenzdruckaufnehmer (5) über den strömungsmäßigen Ein- und Ausgängen ein Absolutdruckgeber (9) an den strömungsmäßigen Ein- oder Ausgängen angeschlossen wird, dessen Meßwerte dem Stellungsregler (3.1) elektrisch zugeführt werden um daraus die für die Berechnung eines Gas- oder Dampfvolumenstromes notwendige Mediumdichte zu ermitteln.
Wärmeleistungsregler nach vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß der komplette Volumenstrommesser des Wärmeleistungsreglers nach erfolgter Fertigung zur Gewährleistung einer hohen Genauigkeit der vom Mikrorechner errechneten Werte einer Abgleichprozedur unterzogen wird, indem er mit einem Referenzvolumenstrommesser strömungsmäßig in Reihe geschaltet, der gesamte Regelbereich durchfahren wird und die Istwerte mit den Referenzwerten des Referenzvolumenstommessers verglichen werden zu dem Zweck, daß aus den Differenzen von Ist- und Referenzwerten Korrekturwerte ermittelt und in einem nichtflüchtigen Speicher des Mikrorechners dauerhaft zur Volumenstrommeßwertkorrektur gespeichert werden.