無(wú)線(xiàn)智能雙沖量超聲波水力平衡調節儀研究

摘 要：針對目前供熱管網(wǎng)普遍存在的由于水力平衡失調造成用戶(hù)冷熱不均、熱能浪費嚴重、設備利用率低、用戶(hù)投訴上訪(fǎng)頻繁等問(wèn)題，以無(wú)線(xiàn)數傳模塊和GRPSDTU相結合的方式實(shí)現復雜地形管道流量無(wú)線(xiàn)無(wú)盲區采集，以基于雙沖量超聲波流量計的“平衡系數法”為核心控制策略，以3G平板電腦為控制器和人機界面，研究和設計一種無(wú)線(xiàn)智能水力平衡調節儀。經(jīng)過(guò)3年在多個(gè)地區的技術(shù)推廣，實(shí)踐證明結合此設備能以最低的管網(wǎng)建設和運行成本解決供

關(guān)鍵字：供熱管網(wǎng) 水力平衡 智能 無(wú)線(xiàn)數傳 GPRSDTU 平衡系數

0 引言

由于供熱管網(wǎng)干管阻力遠大于支管，若管網(wǎng)未進(jìn)行調節，近端支路運行流量往往超過(guò)設計值2倍以上，而遠端流量卻不到設計流量的1/2，水力失衡嚴重。表現為近端用戶(hù)室溫27～28℃，而遠端用戶(hù)溫度僅10℃左右，遠近端用戶(hù)都非常不滿(mǎn)意的同時(shí)熱能和設備浪費嚴重。由于管網(wǎng)支路間通過(guò)干管阻力互相影響，因此水力平衡調節復雜。管網(wǎng)水力平衡的解決是實(shí)現供熱節能減排的基礎和關(guān)鍵，是國家“十一五規劃”和建設部的重點(diǎn)課題，對供熱系統來(lái)說(shuō)是一個(gè)急需解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。

目前，管網(wǎng)調節可采用基于溫度測量的回水溫度法、基于機械自動(dòng)控制的動(dòng)態(tài)平衡閥法和基于超聲波流量計的流量調節法�；厮疁囟确ㄕ{節過(guò)于緩慢；動(dòng)態(tài)平衡閥法初投資和運行費用都很高；現行基于超聲波流量計的流量調節法采用有線(xiàn)人工采集流量和手動(dòng)計算判斷平衡的方法工作量龐大，基本不采用。

本文以普通廉價(jià)關(guān)斷閥為執行器，以無(wú)線(xiàn)無(wú)盲區手持巡檢式超聲波流量?jì)x為傳感器，以“平衡系數法”為核心控制策略研究和設計了一種無(wú)線(xiàn)智能水力平衡調節儀，以最低的成本，高效、快速地解決供熱管網(wǎng)水利平衡問(wèn)題。

1 工作原理

針對現行采用有線(xiàn)人工采集和手動(dòng)計算判斷的流量調節法，改用無(wú)盲區無(wú)線(xiàn)流量自動(dòng)采集和水力平衡自動(dòng)計算判斷的方法，控制策略采用項目組提出的基于雙沖量超聲波流量計的“平衡系數法”。

儀器硬件包括3個(gè)部分：2個(gè)內置無(wú)線(xiàn)數傳模塊的手持巡檢式超聲波流量計、2個(gè)無(wú)線(xiàn)數據中轉和一個(gè)3G平板電腦。超聲波流量計增加內置無(wú)線(xiàn)數傳模塊，把采集到的地下管網(wǎng)流量信息無(wú)線(xiàn)傳輸給地面上無(wú)線(xiàn)數據中轉的無(wú)線(xiàn)數傳模塊；然后再通過(guò)有線(xiàn)RS232方式傳送到數據中轉的GRPSDTU；最后信息通過(guò)DTU以GRPS方式無(wú)線(xiàn)發(fā)送到internet網(wǎng)�？刂破魍ㄟ^(guò)內置3G模塊接受到流量信息后對流量信息字符串進(jìn)行處理，把兩個(gè)流量信息輸出給控制器內的計算模塊。與建筑熱負荷有關(guān)的已知參數通過(guò)控制器人機界面進(jìn)行設定。流量信息和設定參數作為已知條件按照項目組提出的“平衡系數法”自動(dòng)進(jìn)行熱力計算、水力計算和智能平衡判斷，當調整閥門(mén)到合適位置時(shí)，人機界面上指針處于中心位置即代表一個(gè)支路調整完成。本文設計的雙沖量超聲波水力平衡調節儀原理及流程如圖1所示。

圖1 雙沖量超聲波水力平衡調節儀原理流程圖

2 水力平衡調節儀設計

包括流量計內置無(wú)線(xiàn)數傳設計、無(wú)線(xiàn)數據中轉設計、控制器控制策略設計和人機界面設計，其中控制器和人機界面采用3G平板電腦實(shí)現，實(shí)物如圖2所示。

圖2 雙沖量超聲波水力平衡調節儀實(shí)物圖

2.1 流量計內置無(wú)線(xiàn)數傳設計

由于流量測點(diǎn)和控制器相距可能長(cháng)達數公里，并且需要隨時(shí)移動(dòng)測量，所以?xún)烧卟捎脽o(wú)線(xiàn)通信方式。GRPSDTU通信方式覆蓋面很廣但對地下測點(diǎn)通信存在一定盲區，因此采用無(wú)線(xiàn)數傳模塊進(jìn)行接力。在流量計機殼內內置一微型無(wú)線(xiàn)數傳模塊，發(fā)射距離1000m，工作電流90mA，通信波特率9600b/s，數據格式為8N1，與流量計采用有線(xiàn)RS232方式連接，與數據中轉采用無(wú)線(xiàn)連接。無(wú)線(xiàn)數傳模塊電源取自超聲波流量計顯示模塊12864第2腳5V電源。

2.2 無(wú)線(xiàn)數據中轉設計

數據中轉內置配對無(wú)線(xiàn)數傳模塊和GRPSDTU。無(wú)線(xiàn)數傳模塊和DTU采用有線(xiàn)RS232的方式進(jìn)行通信，通信波特率9600b/s，數據格式為8N1。DTU采用GRPS方式和控制器進(jìn)行通信，通信協(xié)議采用TCP/IP方式。采用可充12V鋰電模塊為DTU直接供電，采用降壓模塊為無(wú)線(xiàn)數傳模塊提供5V電壓。采用兩線(xiàn)制電壓顯示模塊顯示電源模塊電壓。圖3為數據中轉原理流程圖。

圖3 數據中轉原理流程圖

2.3 控制器控制策略設計

管網(wǎng)水力平衡判斷采用“平衡系數法”，“平衡系數法”屬于前饋控制。按照計算出的流量比值去調節管網(wǎng)平衡，其核心是采用兩個(gè)流量沖量作為計算依據。優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現管網(wǎng)間水力平衡解耦，避免管網(wǎng)支路的多次反復調節；同時(shí)對平衡判斷指標進(jìn)行了�；�，無(wú)論兩個(gè)支路間熱負荷比值是多大，只要平衡系數為1就表示兩者平衡，直觀(guān)簡(jiǎn)單，物理意義明顯。其主要計算基本方程如下：

熱力計算基本方程為

    （1）

水力計算基本方程為

    （2）

平衡判斷基本方程為

    （3）

式中：F、δ—建筑物的建筑面積、建筑物熱指標；

L_nc、L_0c—第n個(gè)待調支路、參考支路的流量測量值；

L_n1、L₀₁—第n個(gè)待調支路、參考支路的流量理論值；

t_g、t_h——室內暖氣供、回水溫度設計值；

ξ—平衡系數。

F和δ是設定值，通過(guò)人機界面輸入；L_nc、L_0c是流量測量值，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸采集到控制器。4者共同輸入電腦進(jìn)行水力平衡計算判斷。流量采集和平衡判斷計算頻率為1s，一次正常的平衡調節需要大約300次計算，相當于手動(dòng)計算2h的工作量。

2.4 人機界面設計

為了準確、快速調節管網(wǎng)平衡，調節過(guò)程分為粗調和細調，人機界面設計如圖4所示。調節初期觀(guān)察平衡系數的“指針顯示”進(jìn)行快速粗調；調節后期使用“數字顯示”進(jìn)行精確細調；調節末期使用“曲線(xiàn)圖”來(lái)判斷調節質(zhì)量，當平衡系數在10s內波動(dòng)不超過(guò)±5%時(shí)調節過(guò)程完成，此時(shí)輸出“合格”字樣，“合格”判斷過(guò)程由電腦自動(dòng)完成。

圖4 人機界面

3 實(shí)際使用效果

在內蒙和河北等地熱力公司對儀器經(jīng)過(guò)為期3年的測試和技術(shù)推廣，共調試供熱面積600m²。以最低的成本成功快速解決多個(gè)熱力公司管網(wǎng)水力平衡問(wèn)題，消除了因為水力不平衡造成的熱用戶(hù)冷熱不均、投訴率高、收費難、設備利用率低和熱能浪費等問(wèn)題。以張家口市某熱力公司為例，其經(jīng)濟效益顯著(zhù)，用戶(hù)投訴率大幅降低，收費率和設備利用率提升明顯，電耗和熱耗下降較大，如表1所示。

表1 熱力公司水力平衡調節效果

4 結束語(yǔ)

1）采用無(wú)線(xiàn)數傳和GRPSDTU相結合的方式，成功實(shí)現流量信息無(wú)盲區無(wú)線(xiàn)采集，解決了水力平衡調節測點(diǎn)布線(xiàn)難的問(wèn)題。

2）采用平板電腦作為智能控制器自動(dòng)采集流量信息和自動(dòng)計算判斷水力平衡，解決了人工流量統計和平衡判斷計算工作量龐大的問(wèn)題。

3）采用項目組提出的基于雙沖量超聲波流量計的“平衡系數法”做為控制策略，調節一次完成，平衡判斷簡(jiǎn)潔明了。

4）采用廉價(jià)關(guān)斷閥作為執行器，采用巡檢方式測量管網(wǎng)流量，大大降低了管網(wǎng)控制成本。