PL175429B1 - Sposób sterowania wymiennika ciepła i urządzenie do sterowania wymiennika ciepła - Google Patents

Abstract

5 . Urzadzenie do sterowania przeplywu przez wymiennik ciepla z regulatorem posiadajacym komparator i nadajnik wartosci zadanej, zna- mienne tym, ze ma drugi komparator (24), który tworzy róznice (T _ r ü ck_dif), drugi nadajnik wartosci zadanej (25), na którym nastawiana jest wartosc graniczna (T_rück_diff_max), dalszy komparator (26), za pomoca którego róznica (T_rück_diff) jest porównywana z wartoscia graniczna (T_rück_diff_max), ogranicznik (27), za pomoca którego wartosc porównawcza róznicy ( T _ r ü ck_diff) i wartosci granicznej (T_rück_diff_max) jest ograniczana do warto- sci dodatnich, czlon przenoszenia (28), w którym ograniczony sygnal jest przetwarzany wedlug algorytmu PI oraz dodatkowe inwersyjne wej- scie komparatora (22) wartosci zadanej i warto- sci rzeczywistej, do którego doprowadzany jest kazdy przetwarzany sygnal. Fig. 2 PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób sterowania przepływu nośnika ciepła w obwodzie pierwotnym wymiennika ciepła oraz urządzenie do sterowania przepływu nośnika ciepła w obwodzie pierwotnym wymiennika ciepła.

Znane jest sterowanie przepływu w obwodzie pierwotnym wymiennika ciepła tak, aby temperatura dopływu w obwodzie wtórnym przyjmowała lub utrzymywała określone wartości. Odbywa się to przykładowo przez to, że mierzy się temperaturę dopływu w obwodzie wtórnym i porównuj e sięją z wartością zadaną. Różnicę pomiędzy wartością zadaną a wartością zmierzoną wykorzystuje się jako wielkość wejściową dla regulatora, który swą wielkością wyjściową steruje przepływem w obwodzie pierwotnym według znanego algorytmu tak, że przy dodatniej różnicy regulacji przepływ zwiększa się, a przy ujemnej różnicy regulacji przepływ maleje.

Takie wymienniki ciepła są często stosowane w sieciach ciepłowniczych. Nośnik ciepła, korzystnie woda, nagrzewany jest w centralnej ciepłowni do określonej temperatury i za pomocą pomp jest rozdzielany poprzez sieć przewodów rurowych do odbiorników ciepła. Temperatura, do której nośnik ciepłajest nagrzewany w ciepłowni, jest często stała, ale może być dostosowana do warunków atmosferycznych.

Dostawca ciepła zainteresowany jest tym, aby dostarczana przez niego energia była możliwie najlepiej wykorzystywana. Oznacza to, że temperatura powrotu w obwodzie pierwotnym powinna być możliwie jak najniższa. Jeżeli będzie mianowicie za wysoka, oznacza to, że nośnik ciepła został nagrzany w ciepłowni, przetransportowany poprzez sieć przewodów do odbiornika i bez odpowiedniego wykorzystania odpływa z powrotem do ciepłowni. Niekorzystne jest przy tym to, że podczas transportu występują straty, które mogą być większe niż rzeczywisty pobór ciepła w odbiornikach i że ciepłownia musi dysponować mocą pomp powodujących przepływ, chociaż we właściwym odbiorniku jest tylko niewielkie zapotrzebowanie.

W celu obejścia tej wady znane jest ograniczanie wysokości temperatury powrotu w obwodzie pierwotnym wymiennika ciepła każdego odbiornika. Tego rodzaju ograniczanie następuje przykładowo przez pomiar temperatury powrotu w obwodzie pierwotnym i ciągłe porównywanie z określoną wartością maksymalną. Przy przekroczeniu tej wartości maksymalnej przepływ w obwodzie pierwotnym zostaje zmniejszony, tak że temperatura powrotu w obwodzie pierwotnym znowu maleje. Maksymalna wartość temperatury powrotu w obwodzie pierwotnym jest przy tym często ustalana przez dostawcę ciepła. Często jednak przewiduje się również funkcjonalną zależność tej maksymalnej wartości od temperatury zewnętrznej, która jest wtedy wprowadzona do wspomnianego poprzednio regulatora.

Dostawca ciepła jest ponadto zainteresowany tym, aby odbiorcom ciepła nie dostarczać za dużo mocy. Jeżeli mianowicie poszczególni odbiorcy pobierają za dużą moc, wówczas może nastąpić przypadek, że całkowita moc dysponowana w sieci ciepłowniczej nie wystarcza do pokrycia zapotrzebowania wszystkich odbiorców. Aby w takim przypadku uniknąć zbyt słabego zasilania innych odbiorców, znane jest mierzenie mocy w obwodzie pierwotnym wymiennika ciepła każdego odbiorcy i dławienie przepływu przy przekroczeniu określonej maksymalnej wartości mocy.

Ponadto dostawca ciepła zainteresowany jest tym, aby przepływ nośnika ciepła u każdego oddzielnego odbiorcy nie był zbyt duży. Jeżeli mianowicie przepływ u poszczególnych odbiorców jest za duży, wówczas inni odbiorcy, zwłaszcza bardziej oddaleni od ciepłowni, otrzymują mniejszy przepływ niż potrzebny im w celu pokrycia zapotrzebowania na ciepło. Aby w takim przypadku zapewnić, że wszyscy odbiorcy otrzymają potrzebny im przepływ, trzeba byłoby mieć do dyspozycji odpowiednią moc pomp, która byłaby znacznie większa niż rzeczywiście wymagana według projektu. W celu ograniczenia przepływu u każdego oddzielnego odbiorcy znane jest mierzenie przepływu w· obwodzie pierwotnym i dławienie go przy przekroczeniu określonej wartości maksymalnej tak, aby ta wartość maksymalna nie była już przekraczana. Wspomnianego rodzaju ograniczenie ilości ciepła i natężenia przepływu znane jest z DE-A1-35 33 160.

Za pomocą tych trzech opisanych powyżej sposobów: ograniczania maksymalnej temperatury powrotu, ograniczania mocy i ograniczania przepływu unika się wprawdzie poszczególnych przedstawionych niedogodności, jednakże sposoby te mają inne wady. Zarówno ograniczanie mocy jak i ograniczanie przepływu wymagają kosztownych środków do mierzenia przepływu nośnika ciepła.

Doświadczenie wykazało, że pomimo stosowania wymienionych sposobów ograniczania zawsze jeszcze występują przypadki, w których energia otrzymywana od dostawców ciepła nie jest dobrze wykorzystywana pomimo działania jednego lub kilku wymienionych ograniczeń. Przykładowo, przy porannym nagrzewaniu często człon nastawczy określający przepływ w obwodzie pierwotnym wymiennika ciepła pozwala na maksymalny przepływ, ale ograniczenie przepływu nie działa, ponieważ liczni odbiorcy wymagają maksymalnego przepływu. Na skutek dużego przepływu temperatura powrotu w obwodzie pierwotnym wymiennika ciepła ma wtedy wartość wysoką, którajednak może być jeszcze niższa od wartości odpowiadającej ograniczeniu maksymalnej temperatury powrotu.

Zmniejszenie przepływu przyczyniłoby się w takim przypadku zjednej strony do lepszego wykorzystania energii cieplnej, a z drugiej strony można byłoby zmniejszyć dysponowaną moc pomp lub przy takiej samej mocy pomp dołączyć więcej odbiorców do sieci ciepłowniczej. Ponieważ przy zmniejszeniu przepływu bez ingerencji z zewnątrz ustala się niższa temperatura

175 429 powrotu w obwodzie pierwotnym wymiennika ciepła, przenoszona moc zmniejsza się nieznacznie.

Aby polepszyć wykorzystywanie ciepła dostarczanego przez ciepłownię, w AT-B-394 899 zaproponowano włączenie zbiornika pośredniego pomiędzy wymiennik ciepła na przejściu system ciepłowniczy/instalacja domowa a zbiornik wody użytkowej i zastosowanie pomp o regulowanej prędkości obrotowej w powstałych przez to obwodach częściowych. Prędkość obrotową tych pomp reguluje się przy tym tak, że w zbiorniku pośrednim panuje taka temperatura, że łącznie otrzymywana jest optymalna sprawność przenoszenia ciepła.

Zadaniem wynalazku jest niezależnie od trzech wymienionych sposobów ograniczania osiągnięcie dobrego wykorzystywania energii cieplnej i dodatkowo uzyskanie ograniczenia przepływu bez konieczności stosowania środków pomiaru przepływu.

Zadanie to zostało rozwiązane przez to, że przepływ koryguje się na podstawie różnicy T_ruck_diff temperatury powrotu po stronie pierwotnej T_ruck_prim minus temperatura powrotu po stronie wtórnej T_riick_sek, przy czym przy wzroście różnicy T_riick_diff przepływ maleje, a przy spadku różnicy T_riick_diff przepływ zwiększa się. Sygnał utworzony z różnicy T_riick_diff jest przetwarzany przez algorytm PI.

Wynalazek jest dokładniej opisany na podstawie rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat układ ogrzewania, a fig. 2 przedstawia schemat regulatora.

Na figurze 1 pokazano wymiennik ciepła 1, do którego strony pierwotnej dołączony jest pierwotny przewód doprowadzający 2 i pierwotny przewód powrotny 3. Pierwotny przewód doprowadzający 2 i pierwotny przewód powrotny 3 tworzą połączenie z nie pokazaną siecią ciepłowniczą, z której wymiennik ciepła 1 jest zasilany pierwszym nośnikiem ciepła Ml. Nośnik ciepła Ml płynie z sieci ciepłowniczej pierwotnym przewodem zasilającym 2 do strony pierwotnej wymiennika ciepła 1 i stąd poprzez pierwotny przewód powrotny 3 z powrotem do sieci ciepłowniczej. Przepływ nośnika ciepła Ml poprzez stronę pierwotną wymiennika ciepła 1 jest sterowany przez element regulacyjny 4, w przykładzie wykonania przez napędzany silnikiem zawór przepływowy. Element regulacyjny 4 może być, jak pokazano na fig. 1, wbudowany w pierwotny przewód zasilający 2, alternatywnie jednak może być zamiast tego wbudowany w pierwotny przewód powrotny 3. Temperatura powrotu nośnika ciepła Ml po stronie pierwotnej określana jest przez czujnik temperatury 5 powrotu obwodu pierwotnego.

Po stronie wtórnej wymiennika ciepła 1 nośnika ciepła M2 jest tłoczony przez wtórny przewód zasilający 6 za pomocą pompy obiegowej 7 do grupy odbiorników 8. Grupa odbiorników 8 może być przykładowo utworzona przez obwód grzejny i/lub urządzenie do grzania wody użytkowej. Z grupy odbiorników 8 nośnik ciepła M2 przepływa poprzez wtórny przewód powrotny 9 z powrotem do strony wtórnej wymiennika ciepła 1. Temperatura dopływu po stronie wtórnej określana jest przez czujnik temperatury 10 dopływu, a temperatura powrotu po stronie wtórnej jest określana przez czujnik temperatury 11 powrotu.

Konstrukcja według fig. 1 odpowiada dotychczasowemu stanowi techniki, przy czym nie pokazano normalnie istniejących środków określania natężenia przepływu i/lub ilości ciepła.

Na figurze 2 pokazano regulator 20 według wynalazku, za pomocą którego sterowany jest element regulacyjny 4. Regulator 20 ma trzy wejścia, do których dołączone są czujniki temperatury wymienione przy opisywaniu fig. 1. Temperatura określona przez czujnik temperatury 5 powrotu po stronie pierwotnej daje przy tym sygnał T_riick_prim, a więc temperaturę powrotu obwodu pierwotnego, temperatura określona przez czujnik 10 temperatury dopływu daje sygnał T_vor_sek, a więc temperaturę dopływu obwodu wtórnego, a temperatura określona przez czujnik 11 temperatury powrotu obwodu wtórnego daje sygnał T_nick_sek, a więc temperaturę powrotu obwodu wtórnego.

Regulator 20 zawiera nadajnik wartości zadanej 21, który podaje wartość zadaną temperatury dopływu w obwodzie odbiorników, która na rysunku została oznaczona przez T_vor_soll. Ta wartość zadana może być w znany sposób utworzona na podstawie panującej pogody i/lub wartości rzeczywistej i wartości zadanej temperatury pokojowej.

175 429

W znany sposób temperatura dopływu po stronie wtórnej T_vor_sek zmierzona przez czujnik 10 temperatury dopływu jest za pomocą pierwszego komparatora 22 wartości zadanej i wartości rzeczywistej odejmowana od wartości zadanej T_vor_soll pochodzącej z nadajnika wartości zadanej.

Według wynalazku temperatura T_riick_sek powrotu po stronie wtórnej jest za pomocą drugiego komparatora 24 odejmowana od temperatury T_riick_prim powrotu po stronie pierwotnej. Wynikiem tego odejmowania jest różnica temperatur powrotu wymiennika ciepła 1, którego sygnał oznaczony jest przez T_ruck_diff, a od tej wartości w trzecim komparatorze 26 odejmowana jest określona wartość T_ruck_diff_max. Ta wartość T_ruck_diff_max jest to charakterystyczna wartość zadana, która jest ustawiona na drugim nadajniku wartości zadanej 25. Korzystnie wartość ta nie powinna być przekraczana.

Wynikowy sygnał jest za pomocą ogranicznika 27 korzystnie ograniczany do wartości dodatniej i według wynalazku jest dodatkowo dołączony poprzez człon przenoszenia 28, który może zawierać korzystnie algorytm PI, z właściwym komparatorem 22 wartości zadanej i wartości rzeczywistej regulatora. Sygnał z członu przenoszenia 28 jest przy tym odejmowany, tak że na wyjściu komparatora 22 wartości zadanej i wartości rzeczywistej pojawia się sygnał, który jest zbudowany następująco: od wartości zadanej T_vor_soll temperatury dopływu po stronie wtórnej odejmowana jest wartość rzeczywista T_vor_sek temperatury dopływu po stronie wtórnej, a ponadto sygnał pochodzący z członu przenoszenia 28. Stanowi to realizację sposobu według wynalazku. ,

Sposób według wynalazku polega więc na tym, że przy sterowaniu przepływu przez wymiennik ciepła 1 w zależności od wartości różnicy wartości rzeczywistej i wartości zadanej temperatury dopływu w obwodzie odbiorników następuje korekcja przepływu w zależności od wartości różnicy T_ruck_diff temperatur powrotu wymiennika ciepła 1, przy czym ze wzrostem różnicy T_ruck_diff maleje przepływ, a ze spadkiem różnicy T_riick_diff przepływ zwiększa się. Różnica T_ruck_diff temperatur powrotu wymiennika ciepła 1 jest przy tym zdefiniowana jako temperatura powrotu obwodu pierwotnego T_ruck_prim minus temperatura powrotu obwodu wtórnego T_riick_sek.

Korzystnie jest, kiedy korekcja następuje tylko wtedy, gdy różnica T_ruck_diff przekracza wartość graniczną T_ruck_diff_max. Dzięki temu osiąga się to, że korekcja nie następuje wtedy, gdy obciążenie wymiennika ciepła 1 jest bardzo małe. Korzystne jest ponadto, gdy korekcja następuje tylko wtedy, gdy różnica T_ruck_diffjest dodatnia. Dzięki temu osiągnięto to, że nie następuje żadne niepotrzebne zwiększenie przepływu przez wymiennik ciepła 1, gdy obciążenie wymiennika ciepła 1 jest bardzo małe.

Wewnętrzne dane członu przenoszenia 28 zależne są od parametrów układu. Wzmocnienie regulacji członu przenoszenia 28 może przykładowo wynosić 1,5-4, przy czym przy wartości równej 2 uzyskuje się szczególnie dobre właściwości regulacji. Czas cofania może odpowiednio wynosić przykładowo 2-30 minut. W podanym układzie optymalna okazała się wartość 8 minut.

Przetwarzanie sygnału wytwarzanego przez komparator 22 wartości rzeczywistej i wartości zadanej w polecenie nastawiania dla organu nastawczego 4 następuje w członie przenoszenia 23 dołączonym do komparatora 22 wartości zadanej i wartości rzeczywistej w znany sposób, korzystnie według algorytmu PID, przy czym parametry dostosowane są do właściwości organu nastawczego i do pozostałych właściwości układu.

We wspomnianym poprzednio przypadku porannego nagrzewania nadajnik wartości zadanej w chwili nagrzewania podaje dla temperatury dopływu po stronie wtórnej wartość zadaną zwiększoną w stosunku do fazy opadania. Na skutek tego organ nastawczy 4 najpierw całkowicie otwiera się. Następuje wspomniany duży przepływ po stronie pierwotnej wymiennika ciepła. Ponieważ wymiennik ciepła może przenosić tylko ograniczoną moc, ten duży przepływ powoduje, stosunkowo wysoką temperaturę powrotu po stronie pierwotnej. Natomiast temperatura powrotu po stronie wtórnej jest stosunkowo niska, ponieważ dołączony obwód grzejny ze względu na poprzednią fazę opadania jest jeszcze wychłodzony. Kiedy różnica pomiędzy temperaturą powrotu po stronie pierwotnej i po stronie wtórnej przekroczy określoną wartość,

175 429 wówczas sygnał wyjściowy na trzecim komparatorze 26 staje się dodatni, a na komparator 22 wartości zadanej i wartości rzeczywistej podawany jest dodatkowy sygnał o znaku ujemnym. Prowadzi to poprzez właściwy algorytm regulacji w członie przenoszenia 23 do zamknięcia organu nastawczego 4, a zatem do zmniejszonego przepływu. Ponieważ nośnik ciepła Ml po stronie pierwotnej przepływa teraz przez wymiennik ciepła 1 wolniej, przy prawie jednakowym przenoszeniu mocy ustala się teraz niższa temperatura powrotu po stronie pierwotnej. Wynika z tego z jednej strony lepsze wykorzystanie energii, a z drugiej strony zmniejszenie wartości szczytowych przepływu w sieci ciepłowniczej.

Rozwiązanie według wynalazku może być również realizowane w regulatorze cyfrowym, przy czym etapy sposobu mają postać sekwencji programu.

Fig. 2

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.

Cena 2,00 zł ’

Claims (6)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób sterowania przepływem poprzez wymiennik ciepła z organem nastawczym sterującym przepływem, który to organ nastawczy jest sterowany przez regulator w zależności od różnicy pomiędzy wartością zadaną a wartością rzeczywistą temperatury dopływu w obwodzie odbiorców, znamienny tym, że przepływ koryguje się na podstawie różnicy (T_riick_diff) temperatury powrotu po stronie pierwotnej (T_riick_prim) minus temperatura powrotu po stronie wtórnej (T_riick_sek), przy czym przy wzroście różnicy (T_ruck_diff) przepływ maleje, a przy spadku różnicy (T_rrick_diff) przepływ zwiększa się.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że korekcja następuje tylko wtedy, gdy różnice (T_ruck_diff) jest większa niż wartość graniczna (T_ruck_diff_max).
3. 3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że korekcja następuje tylko wtedy, gdy różnica (T_rrick_diff) jest dodatnia.
4. 4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że sygnał utworzony z różnicy (T_ruck_diff) jest przetwarzany przez algorytm PI.
5. 5. Urządzenie do sterowania przepływu przez wymiennik ciepła z regulatorem posiadającym komparator i nadajnik wartości zadanej, znamienne tym, że ma drugi komparator (24), który tworzy różnicę (T_riick_diff), drugi nadajnik wartości zadanej (25), na którym nastawiana jest wartość graniczna (T_rrick_diff_max), dalszy komparator (26), za pomocą którego różnica (T_ruck_diff) jest porównywana z wartością graniczną (T_riick_diff_max), ogranicznik (27), za pomocą którego wartość porównawcza różnicy (T_ruck_diff) i wartości granicznej (T_riick_diff_max) jest ograniczana do wartości dodatnich, człon przenoszenia (28), w którym ograniczony sygnał jest przetwarzany według algorytmu PI oraz dodatkowe inwersyjne wejście komparatora (22) wartości zadanej i wartości rzeczywistej, do którego doprowadzany jest każdy przetwarzany sygnał.
6. 6. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że organem nastawczym (4) sterującym przepływ jest zawór dławiący.