基于负荷变化的自适应控制系统的制作方法

1.本实用新型涉及供热技术领域，具体涉及一种基于负荷变化的自适应控制系统。


背景技术：

2.城市供热行业是国家在基本建设领域中重点支持的行业，其主要目的是为城市提供区域集中供热。集中供热系统是将大量的热用户通过热力网连接起来，由统一热源(高温水或高温蒸汽为载能体)提供所需热量的一种供热技术。该系统一般由热源、热力网、热用户三个部分组成，热源负责制备热媒，热力网负责热媒的输送，热用户则指用热场所。随着城市规模的不断发展和人民生活水平的不断提高，城市集中供热的规模不断增大，政府对集中供热系统的管理也在不断的加强。因此，这就要求供热企业在进行节能减排的同时，利用先进的自动化和信息化技术推动供热行业朝着自动化、信息化、智能化的方向发展，真正的实现智慧型的集中供热。
3.现阶段集中供热技术的智慧化应用程度较低，尚且存在许多问题,还不能较好的满足智慧供热背景条件下的使用需求。例如：
①
对管网流量的调节缺乏理论参考，水力失调问题严重，存在能源浪费现象，供热质量较差。供热管网是由众多串、并联管路以及各热用户组成的一个复杂相通的管道系统，在运行过程中由于各种原因的影响使得供热网路分配的流量达不到热用户的使用需求。面对此类问题时，现场操作人员多依靠经验手动调节管网阀门进行处理，其操作缺少理论依据的支撑。
②
标准化、智能化程度较低，设备安装调试复杂。换热站中包含多品牌、多种类的一系列仪表和控制装置，其通讯类型众多、工艺复杂多样，接线繁琐复杂。不仅对现场维修安装人员的要求较高，也给其工作带来了很多的不便之处。


技术实现要素：

4.本实用新型要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种可有效解决水力失调的问题，提高用户服务质量；降低供热企业的能耗损失，减少资金成本投入的基于负荷变化的自适应控制系统。
5.本实用新型为解决其技术问题所采用的技术方案为：基于负荷变化的自适应控制系统，包括换热器，所述换热器连接有一网供水管网及二网供水管网，二网供水管网上设有二网供水侧温度传感器、二网供水侧压力传感器及安全阀；
6.所述一网供水管网接入热源，所述一网供水管网上设有一网供水侧压力传感器、一网供水侧温度传感器及孔板流量计；
7.所述换热器还连接有二网回水管网，所述二网回水管网上设置二网回水侧温度传感器、二网回水侧压力传感器；
8.所述二网回水管网连通有补水箱，二网回水管网上设置循环泵；
9.所述补水箱连接水源，所述补水箱内设置有液位计；
10.还包括控制模块，所述控制模块连接输入显示装置及通讯模块，所述控制模块通
过通讯模块连接有监控调度中心；
11.所述换热器、二网供水侧温度传感器、二网供水侧压力传感器、安全阀、一网供水侧压力传感器、一网供水侧温度传感器、孔板流量计、二网回水侧温度传感器、二网回水侧压力传感器、循环泵及液位计均连接控制模块。
12.所述补水箱通过流量计及补水箱电动调节阀连接自动软水器，所述自动软水器连接水源，所述流量计及补水箱电动调节阀连接控制模块。
13.所述补水箱通过补水箱闸阀、补水泵及止回阀连通二网回水管网，补水泵连接控制模块。
14.所述控制模块包括二网热量控制单元、二网压差控制单元、回压控制单元、液位控制单元、热负荷计算单元及安全联锁单元。
15.所述热负荷计算单元连接二网供水侧温度传感器及二网回水侧温度传感器。
16.一网供水管网上设置有用于控制热源输送的调节阀，二网热量控制单元连接二网供水侧温度传感器、二网回水侧温度传感器及一网供水管网上设置的调节阀及孔板流量计。
17.二网压差控制单元连接二网供水侧压力传感器、二网回水侧压力传感器、循环泵。
18.液位控制单元连接补水泵、液位计及补水箱电动调节阀；
19.安全联锁单元连接补水泵、液位计、循环泵及二网回水侧压力传感器。
20.所述热源为高温水；
21.所述一网回水管网设置有y型过滤器，可以用来清除管网内高温水流体中存在的杂质，所述y型过滤器依次通过一补二电动调节阀、一补二电磁阀、涡轮流量计连接二网回水管网，所述一补二电动调节阀、一补二电磁阀、涡轮流量计均连接控制模块。
22.所述热源为高温蒸汽；
23.所述换热器连接有一网回水管网，所述一网回水管网上设置有一网回水侧温度传感器，所述一网回水管网连接补水箱；
24.所述一网回水侧温度传感器连接控制模块。
25.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
26.本实用新型提供一种基于负荷变化的自适应控制系统，实现对二网热量的合理控制。即可有效解决水力失调的问题，提高用户服务质量；又可大大降低供热企业的能耗损失，减少资金成本投入；现场维修安装人员只需通过输入模块与显示模块完成相应的控制选择，降低了对专业工程开发人员的依赖，标准化、智能化程度较高，提高工作效率。
附图说明
27.图1是本实用新型控制模块结构框图。
28.图2是本实用新型水—水型换热形式结构示意图。
29.图3是本实用新型汽—水型换热形式结构示意图。
30.图中：
31.1、控制模块；2、输入模块；3、显示模块；4、通讯模块；
32.11、二网热量控制单元；12、二网压差控制单元；13、回压控制单元；14、液位控制单元；15、热负荷计算单元；16、安全联锁单元；
33.1011、一网供水管网；1012、一网回水管网；1013、二网供水管网；1014、二网回水管网；
34.102、一网供水侧压力传感器；103、一网供水侧温度传感器；104、孔板流量计；105、换热器；106、安全阀；107、二网供水侧压力传感器；108、二网供水侧温度传感器；109、一网回水侧压力传感器；110、一网回水侧温度传感器；111、一网回水侧电动调节阀；112、y型过滤器；113、一补二电动调节阀；114、一补二电磁阀；115、涡轮流量计；116、自动软水器；117、补水箱电动调节阀；118、流量计；119、补水箱；120、液位计；121、补水箱闸阀；122、补水泵；123、止回阀；124、循环泵；125、二网回水侧压力传感器；126、二网回水侧温度传感器。
具体实施方式
35.下面结合附图对本实用新型实施例做进一步描述：
36.实施例
37.如图1至图3所示，
38.换热站是供热网路与热用户的连接场所，在其内安装有与用户连接的管道、阀门、仪表和控制装置。可根据热网工况和不同的条件，将热网输送的热媒加以调节、转换，最终向热用户分配热量以满足热用户的需求。
39.本技术包括换热器105，换热器105连接有一网供水管网1011及二网供水管网1013，二网供水管网1013上设有二网供水侧温度传感器108、二网供水侧压力传感器107及安全阀106；
40.一网供水管网1011接入热源，一网供水管网1011上设有一网供水侧压力传感器102、一网供水侧温度传感器103及孔板流量计104；
41.换热器105还连接有二网回水管网1014，二网回水管网1014上设置二网回水侧温度传感器126、二网回水侧压力传感器125；
42.二网回水管网1014连通有补水箱119，二网回水管网1014上设置循环泵124；
43.补水箱119连接水源，补水箱119内设置有液位计120；
44.还包括控制模块1，控制模块连接输入显示装置及通讯模块4，控制模块1通过通讯模块4连接有监控调度中心；控制模块1用于控制现场各仪表和控制装置的运行，并完成一系列的控制操作。输入模块2用于向控制模块1输入相关的控制信息，以驱动控制模块1运行。显示模块3用于显示相关的控制信息，以便现场操作人员进行相关的监控与操作。通讯模块4用于将换热站中生产运行的现场实时数据传输到监控调度中心，管理者可通过监控调度中心集中管理并下发相应的控制指令，对现场各仪表和控制装置的运行参数进行相应的调整。输入模块2可以是显示器等显示设备，用于显示现场仪表和控制装置的运行状态。输入模块2和显示模块3也可以集成为一个设备，例如hmi人机界面，集输入与显示功能于一体。可通过多媒体手段(画面、声音等)为现场操作人员提供换热站更加直观、形象的过程数据(如将运行过程中的参数采集、处理后显示相应的趋势曲线)、过程报警、事件报警等操作，同样现场操作人员也可通过hmi人机界面完成相应参数的调整设定。
45.通讯模块4承担着传输实时数据的任务，可实现换热站与监控调度中心之间的远程通讯。监控调度中心即可对收集到的数据(一网供回水温度、二网供回水温度、一网供回水压力、二网供回水压力、一网瞬时流量、一网累计流量等参数)进行在线存储、处理分析、
报表打印等操作，也可实现对热力站的监控，包括选择控制模式(就地手动模式、远程手动模式、远程自动模式)、下发控制流程、改变现场仪表和控制装置的设定值(直接选定需要控制的设备，自动或手动的给出由人或计算机运行分析后得出的控制指令，让相应的现场控制单元执行)等操作。
46.本技术中的仪表和控制装置的输入/输出模拟量、数字量端口采用可插拔接线端子，在接线时只需将插拔件直接与plc控制柜(即控制模块)中的对应端口直接插拔连接，可有效减少松动、脱线等现象的出现，降低接线的难度，减轻现场维修安装人员的工作量。
47.基于控制模块1有关的程序控制，采用现有现有技术，不再赘述。
48.换热器105、二网供水侧温度传感器108、二网供水侧压力传感器107、安全阀106、一网供水侧压力传感器102、一网供水侧温度传感器103、孔板流量计104、二网回水侧温度传感器126、二网回水侧压力传感器125、循环泵124及液位计120均连接控制模块1。
49.补水箱119通过流量计118及补水箱电动调节阀117连接自动软水器116，自动软水器116连接水源，流量计118及补水箱电动调节阀117连接控制模块1。补水箱119中所储的水为软化处理后的自来水，为了保证流入水箱119中的水质，在自来水进入水箱119之前，需要经过自动软水器116对自来水进行软化处理。经软化处理后的水硬度较低，可有效防止管道、换热器等设备内的水垢堆积而产生的堵塞、换热效率低等问题。
50.补水箱119通过补水箱闸阀121、补水泵122及止回阀123连通二网回水管网1014，补水泵122连接控制模块1。
51.控制模块1包括二网热量控制单元11、二网压差控制单元12、回压控制单元13、液位控制单元14、热负荷计算单元15及安全联锁单元16。
52.热负荷计算单元15连接二网供水侧温度传感器108及二网回水侧温度传感器126。
53.热负荷计算单元15可针对不同供热面积、不同建筑类型节能建筑、传统非节能建筑、不同采暖方式暖气片、地暖、盘管风机、不同换热形式汽水换热、水水换热、不同环境温度等因素对热负荷进行计算，从而得到二网所需的理论热量值，为供暖工艺中的管网流量调节提供一个理论的参考，进一步缓解水力失调的问题。
54.其计算公式为：q
n
＝q
k
×
s；
55.其中q
n
为建筑物的供暖设计热负荷，q
k
为建筑物的供暖面积热指标，s为建筑物的建筑面积。
56.建筑物供暖面积热指标q
k
的计算公式为：q
k
＝q
f
×
φ，φ为相对热负荷比，即将不同室外温度下实际供暖热指标修正后得到的与规划面积指标相同条件下的负荷比数值。相对热负荷比φ的计算公式如下所示：其中t
室内温度
表示预设的室内供暖温度，t
室外平均温度
表示一天中室外的平均温度，t
室外极端温度
表示室外的极端温度值，t
室外平均温度
、t
室外极端温度
可从供暖气象指数评价与预报系统中直接获取，供暖气象指数评价与预报系统依托天气、气候预测结果建立，此为现有技术，不再赘述。q
f
为建筑物实际供暖面积热指标，对该值的计算是一个复杂的过程，在热负荷计算单元15中对建筑物实际供暖面积热指标q
f
的确定充分参考了建筑物的结构、热工性能、通风情况等因素。其采用现有技术，不再赘述。下一步，对计算得到的建筑物供暖设计热负荷进行换算整理，通过单位换算得到每小时二网
所需的理论热量值q
h
。每小时二网所需理论热量值q
h
的计算公式为：q
h
＝qc
△
t,其中q为二网供水瞬时质量流量，c为高温水流体的比热容，
△
t为二网供回水之间的温度差。
57.通过二网供水管网1013上设置的二网供水侧温度传感器108及二网回水管网1014上设置的二网回水侧温度传感器126这两个温度传感器可以得出二网供回水之间温度差
△
t。当高温水流体的比热容c一定的情况下，便可通过对二网供水的瞬时质量流量q或二网供回水间温度差
△
t的控制实现对每小时二网所需理论热量值q
h
的调节与控制。
58.在实际供热过程中，二网供水管网1013流过的高温水进入到用户使用的供热管道系统，也就是说在换热站控制系统中，对二网热量的控制是十分重要的，其要求：当室外温度发生变化时，室内供暖温度要始终保持适宜；既要保障热用户的舒适性，又要控制热耗在合理的节能范围内。
59.一网供水管网1011上设置有用于控制热源输送的调节阀，二网热量控制单元11连接二网供水侧温度传感器108、二网回水侧温度传感器126及一网供水管网1011上设置调节阀及孔板流量计104。
60.二网热量控制单元11的控制对象包括二网供水温度、二网回水温度、二网供回水平均温度。无论采取哪一种控制模式，都是以确保热用户的热量不受影响为前提的。
61.当选取二网供水温度作为控制对象时，可根据气象部门给出的数据得到一天之中室外的平均温度，可利用二网供水侧温度传感器108采集当前的二网供水温度，再根据需求确定二网供水温度与室外温度之间的关系。进而通过控制一网相应的调节阀调节一网的瞬时流量，进而影响二网瞬时流量，达到控制二网热量的目的，最终使二网供水温度接近设定值。选取二网供水温度作为控制对象对二网热量进行调节时具有响应速度快、易实现目标设定值、调节能力强的优点。
62.当选取二网回水温度作为控制对象时，利用二网回水侧温度传感器126确定二网回水温度，根据需求确定二网回水与室外温度之间的关系，通过一网相应的调节阀调节一网网流量，进而影响二网的瞬时流量，达到控制二网热量的目的，最终使二网回水温度接近设定值。选取二网回水温度作为控制对象对二网热量进行调节时可以真实的反应出用户的室内温度，调节的次数较少，对管网整体的波动较小。
63.二网供回水平均温度即二网供水温度与二网回水温度的平均值，在保证室内温度恒定的情况下，二网网供回水平均温度就是一个可以计算得到的已知值。同理可通过一网相应的电动调节阀调节一网流量，进而影响二网网的瞬时流量，达到控制二网热量的目的，最终使二网供回水平均温度接近设定值。选取二网供回水平均温度作为控制对象对二网热量进行调节时不仅具有调节速度适中，供热效果稳定的优点，还可以通过调节各个换热站点的一网流量来控制二网供回水平均温度相等，以此实现均匀供热，达到热网平衡的目的。
64.二网压差控制单元12连接二网供水侧压力传感器107、二网回水侧压力传感器125、循环泵124。
65.二网供水管网1013从用户使用的供热管道中流出后形成二网回水管网1014，为了保证供热管网的正常运行，需要对二网供水管网1013与二网回水管网1014之间的压差进行控制，保证二网供热管网供回水压差的稳定性。如果二网供水管网1013与二网回水管网1014之间的压力差过小，就不能保证远端和高层热用户的正常供热；如果二网供水管网1013与二网回水管网1014之间的压力差过大，不仅会增加能耗引发能源的浪费，还可能会
引起供热管道破裂等安全事故，因而对二网供回水压差的稳定性控制是十分有意义的。二网压差控制单元12采用定压差控制方式，只需在二网压差控制单元12中设定好压差的目标值，循环泵124便会自动改变转速来追踪压差的目标值，从而实现对压差的控制。
66.伯努利方程的表达式为：p为流体中某点的压强，ρ为流体密度，v为流体中某点的流速，g为重力加速度，h为该点所在的高度，c为一个常量。由伯努利方程可知，当流体等高流动时，流体的压强p仅与流速v有关。
67.压强的计算公式为其中p为压强，f为压力，s为受力面积。由压强的计算公式可知，当受力面积s不变时，压力f正比于压强p。
68.流速的计算公式为其中v为流体流速，q为流体流量，s为截面面积。由流速的计算公式可知，当截面面积s不变时，流体流量q正比于流体流速v。
69.通过上述的计算分析可知，流体的流量与压力之间存在着一定的关系。因此，通过在换热站现场安装压差流量计时，可在二网压差控制单元12中通过定流量的方式实现对压差的控制。
70.在供热过程中，高温水经过换热器换热后流过二网供水管网，通过二网供水管网到达用户使用的供热管道系统，流过户使用的供热管道系统后回到二网回水管网，最后又经过二网回水管网循环流入换热器回到一网回水管网。
71.控制二网回水管网1014压力保持恒定是热网正常运行的一个关键因素，当前换热站的建设规模不断扩大，热负荷也在不断增大，这也使得管网的水力工况变得越来越重要。若管网中出现水力的损失，势必会造成压力的降低，如果不及时向管网中补水，轻则会导致供水压力不足，重则会使设备损坏，造成供热系统的瘫痪。因而在压力不稳定的情况下，及时地给系统补充循环水是十分必要的。
72.液位控制单元14连接补水泵122、液位计120及补水箱电动调节阀117。
73.为防止因补水箱119液位不足而造成补水泵122空转出现事故的情况，设置液位控制单元14其作用就是控制补水箱119的液位使其保持在一个合理范围内。补水箱119中内置一个液位计120，可对补水箱119中的液位进行实时检测。当液位计120检测到补水箱119内液位低于设定最低液位值时，补水泵122关闭，打开补水箱电动调节阀117及时向补水箱119内补水，补水到达设定的允许补水泵122打开的液位值时，补水泵122打开。
74.安全联锁单元16连接补水泵122、液位计120、循环泵124及二网回水侧压力传感器125。
75.为了保证供热系统能够平稳安全的运行设置安全联锁单元16。安全联锁单元16按照保护对象的不同又可分为循环泵安全联锁保护、补水泵安全联锁保护。补水泵安全联锁保护即将补水泵122的启动与补水箱119的液位相关联，当补水箱119的液位小于设定最低限值时，补水泵122禁止运行。循环泵安全联锁保护即将循环泵124与二网回水管网1014压力相关联，当二网回水管网1014压力小于设定的最低限值时，循环泵124禁止运行。
76.实施例2
77.不同的换热形式汽水换热、水水换热对二网回水管网1014压力的控制方式是不同的。在汽水换热形式中，其回压控制单元13采用补水泵122补水方式。在水
‑
水换热形式中，其回压控制单元13采用一补二补水和补水泵补水两种方式。在二网供水管道上安装有安全阀106，当二网供水管道内的高温水压力超过限定值时，可通过向系统外排放高温水的方式来降低管道或设备内的压力，以此实现对二网供水管道及管道上相应设备的保护。
78.水
‑
水型换热形式下，热源为高温余热、城市热网、热电联产机组、地热、太阳能等一种或几种方式所产生的高温水；
79.一网回水管网1012连接有y型过滤器112，y型过滤器112依次通过一补二电动调节阀113、一补二电磁阀114、涡轮流量计115连接二网回水管网1014，y型过滤器112、一补二电动调节阀113、一补二电磁阀114、涡轮流量计115均连接控制模块1。
80.高温水通过一网供水管网1011流向换热器105进行热交换，一网供水管网1011经过换热器105处理后温度下降，最终经换热器105流出回到一网回水管网1012。在一网供水管网1011上安装有一网供水侧压力传感器102、在一网回水管网1012上安装有一网回水侧压力传感器109，以此实现对一网供回水管道压力值的检测，从而保证一网供回水管道的安全。
81.为了计量换热器提取到的热量，合理有效的利用热量，在一网供水管网1011上安装有孔板流量计104、一网供水侧温度传感器103，在一网回水管网1012上安装有一网回水侧温度传感器110。
82.从高温水中提取的热量的计算公式为：q＝cm
△
t。
83.其中q为所提取到的热量，c为高温水流体的比热容，m为高温水流体的质量，
△
t为一网供回水之间的温度差。一网供回水之间的温度差
△
t＝t
供
‑
t
回
，其中t
供
为流经一网供水管网1011上高温水的温度，t
回
为经过换热器105处理后流回一网回水管网1012上高温水的温度。
84.高温水流体质量m的计算公式为m＝q
m
×
t,其中t为高温水流过管道内有效截面积的时间，q
m
为被测高温水流体的瞬时质量流量，可通过一网供水管网1011上安装的孔板流量计104进行相应的测量。
85.在二网回水管网1014上安装有循环泵124，其作用是向二网供热管网供应足够流量的循环热水。对循环泵124的选择通常要考虑供热系统中的最大供热面积。但是在实际的供热应用中，供热面积往往因为用户选择停与用而发生变化。若多台循环水泵都在工频状态运行，不仅动力过大，还会造成能源的浪费；若选择单台循环水泵在工频状态运行，又不能满足供热的需求。因此，在本换热站控制系统中的循环泵124采用变频调速技术控制，通过变频器对循环泵124进行调速，从而控制二网供热管道内的压力差和流量等于实际需求，进而达到节省能耗，降低设备损耗，延长设备使用寿命的目的。
86.在二网供水管网1013上安装有二网供水管网107、二网回水侧管道上安装有二网回水侧压力传感器125。可在回压控制单元13的作用下保证二网回水管网1014的供水压力保持平稳；可在二网压差控制单元12的作用下对二网供水管网1013与二网回水管网1014之间的压差进行控制。具体设置请参考上述对二网压差控制单元12的有关描述。
87.进一步的说，一补二补水方式即使用一网回水给二网回水进行补水，在一补二补水回路中，安装有y型过滤器112、一补二电动调节阀113、一补二电磁阀114、涡轮流量计
115。y型过滤器112用来清除高温水流体中的杂质，以保护回路中设备的正常使用；涡轮流量计115用来检测一补二补水回路中流过的高温水流量，使用该方式时，执行设备为一补二电动调节阀113与一补二电磁阀114。在一补二补水方式中，可根据现场的实际工艺要求对压力的启动值与停止值、相关调节阀门的最大开度与全行程时间进行设置。特别的是，在一补二补水控制过程中，为了保证一补二电磁阀114作为完全关断的保证且不让一补二电磁阀114承受一补二补水过程中的差压，在对一补二补水过程进行控制时需依照如下步骤进行：当一补二补水过程开通时，一补二电磁阀114先打开，一补二电动调节阀113后打开；当一补二补水过程关断时，一补二电动调节阀113先关闭，一补二电磁阀114后关闭。
88.进一步的说，补水泵补水方式即取补水箱119的水给二网回水1014进行补水，在补水泵补水回路中安装有补水箱闸阀121、补水泵122、止回阀123。止回阀123可有效防止从补水箱119中取得的水的倒流，起到安全隔离的作用；补水箱闸阀121安装于补水箱119的后端，当补水箱闸阀121全关闭时，可截止补水箱119中的水流出，因而在补水泵122出现故障需维修时，可将此阀全关闭。在此种补水方式中，补水泵122为执行设备，可根据现场的实际工艺要求，设定二网回水1014压力的上下限，进而控制补水泵122的启停。当超过压力上限时，补水泵122停止补水；当低于压力的下限时，补水泵122开始进行补水。考虑到热量损耗问题，在选择补水方式时通常优先选择一补二补水方式，即将补水泵的补水压力启动值设置为大于一补二补水压力启动值。
89.实施例3
90.参照图1及图3，汽—水型换热形式与水—水型换热形式的供暖工艺流程基本相同，主要是所用热源与换热的过程有所区别。汽
‑
水型换热形式下，热源为高温余热、城市热网、热电联产机组等一种或几种方式所产生的高温蒸汽；
91.换热器105连接有一网回水管网1012，一网回水管网1012上设置有一网回水侧温度传感器110，一网回水管网1012连接补水箱119；
92.一网回水侧温度传感器110连接控制模块1。
93.高温蒸汽通过一网供水管网1011流向换热器105进行热交换，从换热器105热交换后变为冷凝水从一网回水管网1012排放至补水箱119，完成整个换热的过程。