一、引言

城市供熱管網(wǎng)系統(tǒng)是由多串并聯(lián)管段組成的管道系統(tǒng)，是城市集中供熱系統(tǒng)的重要組成部分。為了滿足各熱用戶的個性化供熱需求，實現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能降耗，家庭計量控制供熱系統(tǒng)的形式正在逐步推廣。由于供熱用戶的獨立調(diào)整，連接系統(tǒng)一、二級管網(wǎng)的換熱站應(yīng)隨用戶終端進行調(diào)整。首先，通過循環(huán)水泵的變頻，確保二級管網(wǎng)的供回壓差不變，目的是穩(wěn)定終端用戶熱量變化對管網(wǎng)水力條件的影響，然后改變一級管網(wǎng)側(cè)的供熱參數(shù)，確保二級管網(wǎng)側(cè)的供水溫度和供回水溫差的穩(wěn)定。在此過程中，一級管網(wǎng)側(cè)實際上是根據(jù)二級管網(wǎng)側(cè)所需的供熱量進行被動調(diào)整。但是，管網(wǎng)系統(tǒng)中各管道的水力條件相互影響，系統(tǒng)中任何調(diào)節(jié)裝置的工作參數(shù)發(fā)生變化，不可避免地會導(dǎo)致?lián)Q熱站（換熱站）之間的被動調(diào)節(jié)，從而降低換熱站之間的整體水力。因此，由于換熱管網(wǎng)側(cè)的變化，必然會影響換熱管網(wǎng)的變化。

本文提出了一種電動調(diào)節(jié)閥集中控制的方法，即在加熱管網(wǎng)水力特性理論的基礎(chǔ)上使用MATLAB軟件智能平臺模擬計算加熱管網(wǎng)的運行調(diào)節(jié)和控制，輸出信號，利用一級管網(wǎng)側(cè)電動調(diào)節(jié)閥集中控制和調(diào)節(jié)管網(wǎng)各換熱站。該方法不僅從管網(wǎng)系統(tǒng)整體平衡的角度調(diào)節(jié)換熱站的流量，實現(xiàn)換熱站用戶（換熱站二次網(wǎng)側(cè)）的熱需求，而且整體調(diào)節(jié)一步到位，快速準確，大大提高了加熱管網(wǎng)系統(tǒng)的整體運行效果。

二、供熱管網(wǎng)水力特性基本公式

1.節(jié)點流量平衡方程

根據(jù)質(zhì)量守恒原理，在管網(wǎng)恒定流動過程中，與任何節(jié)點相關(guān)的所有分支的流量代數(shù)和等于節(jié)點的節(jié)點流量為：

   （1）

式中b_ij符號函數(shù)為流動方向；

b_ij=1表示i節(jié)點為j分支的端點且q_j節(jié)點流出；

b_ij=-1表示i節(jié)點為j分支的端點和q_j流向節(jié)點；

b_ij=0表示i節(jié)點不是j分支的端點；

Q_j為j分支流量；

q_i為i節(jié)點節(jié)點流量，q_i符號按流入節(jié)點正好，流出節(jié)點為負號。

2.電路壓力平衡方程

根據(jù)能量守恒原理，在管網(wǎng)恒定流動過程中，任意回路中沿回路方向，各個分支管段壓降的代數(shù)和為零。對于回路i，計算公式如下：

   （2）

式中c_ij符號函數(shù)為分支流動方向；

c_ij=1表示j分支包括在i并與回路同向；

c_ij=-1表示j分支包括在i并與回路反向；

c_ij=0表示j分支不包括在內(nèi)i回路中；

ΔP_j為j如果阻力損失使壓力沿分支方向降低，則分支的阻力損失為正，反之亦然；

H_j為在j分支輸入的全壓動力一般以分支方向為動力方向，恒為正；

P_Gi形成重力作用i流動阻力、流動阻力、流動阻力I與環(huán)路同向為正，逆向為負。

三、擬合和自動控制泵的性能特性曲線

水泵是管網(wǎng)中最常見的全壓動力源。在計算機模擬熱水網(wǎng)絡(luò)時，需要用代數(shù)方程描述水泵的性能特性曲線。水泵揚程與流量的關(guān)系如下：

   （3）

式中C₁，C₂，C₃，…C_n數(shù)學(xué)表達系數(shù)是泵的揚程-流量性能曲線；

上式n一般情況下，取值會影響上述方程描述水泵的精度n=3可以達到更高的精度。為了獲得上述方程，需要在泵的性能特性曲線上提取三點進行擬合。

當(dāng)管網(wǎng)流量Q當(dāng)負載變化需要相應(yīng)調(diào)整時，傳感器將信號傳輸?shù)阶冾l泵，通過改變泵的頻率來實現(xiàn)泵速度的相應(yīng)變化，從而達到調(diào)整和控制的目的。

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四、電動調(diào)節(jié)閥流量的調(diào)節(jié)與自動控制

調(diào)節(jié)閥是加熱管網(wǎng)系統(tǒng)中重要的調(diào)節(jié)裝置，可以調(diào)節(jié)和控制管網(wǎng)系統(tǒng)中各管段的流量。在實際加熱管網(wǎng)系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥的流量調(diào)節(jié)特性受到調(diào)節(jié)閥自身結(jié)構(gòu)因素、調(diào)節(jié)閥固有流量特性和管道阻力特性的影響。為了使管網(wǎng)具有更好的流量調(diào)節(jié)和控制能力，在任何相對開度下確定調(diào)節(jié)閥的流量計算關(guān)系是非常重要的。本文采用了一種工程近似算法，避免了調(diào)節(jié)閥內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)的研究，而是利用數(shù)學(xué)方法推斷出相對開度、流量和壓力之間的關(guān)系。

1.調(diào)節(jié)閥流量計算基本公式

從流體力學(xué)的角度來看，調(diào)節(jié)閥是一種局部阻力可以改變的節(jié)流元件。不可壓縮流體的計算公式為：

   （4）

式中 Q——調(diào)節(jié)閥接管內(nèi)的流體流量，m³/h；

F——調(diào)節(jié)閥接管截面積，cm²；

ξ——調(diào)節(jié)閥的阻力系數(shù)隨調(diào)節(jié)閥的開度而變化；

ΔP——調(diào)節(jié)閥前后壓降，MPa；

ρ——流體密度，kg/m³。

2.調(diào)節(jié)閥門的循環(huán)能力

調(diào)節(jié)閥的循環(huán)能力是調(diào)節(jié)閥的重要參數(shù)指標，反映了通過調(diào)節(jié)閥的流體的能力。目前，國內(nèi)調(diào)節(jié)閥的循環(huán)能力計算條件和單位為10⁵Pa，流體密度為1g/cm³，每小時流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量，流量單位為m³/h，接管面積以cm²作為單位。計算式為

   （5）

因此，如果確定了流通能力C與相對開度的關(guān)系得到了相對開度和流量Q和ΔP的關(guān)系。

3.計算調(diào)節(jié)閥的流量

調(diào)節(jié)閥的流量特性包括直線流量特性、等百分比流量特性、快速打開流量特性和拋物線流量特性?，F(xiàn)在以等百分比流量特性調(diào)節(jié)閥為例，采用數(shù)學(xué)推導(dǎo)方法獲得相對開度、流量和壓力之間的關(guān)系。當(dāng)不壓縮流體時，等百分比調(diào)節(jié)閥的數(shù)學(xué)表達式為：

   （7）

式中Q，Q_max為調(diào)節(jié)閥行程l，l_max標準狀態(tài)流量，m³/h；

l，l_max調(diào)節(jié)閥在一定開度、全開時的行程，mm；

h為比例系數(shù)

相對開度；

邊界條件如下：

l≈0時，L=0，Q=Q_min；l=l_max時，L=1，Q=Q_max；

可以獲得對式(7)兩側(cè)積分并帶入邊界條件:

   （8）

將式(8)再結(jié)合式(6)可得：

   （9）

式中CL，Cmax，Cmin分別為在ΔP一定，相對開度為L，最小相對開度，最大相對開度時調(diào)節(jié)閥的循環(huán)能力。

令k₀=Cmax；結(jié)合式(9)帶入式(6)中得，

   （10）

等百分比特性調(diào)節(jié)閥相對開度L與流量Q，壓力ΔP數(shù)學(xué)關(guān)系類型。也做了類似的推導(dǎo)，將數(shù)學(xué)推導(dǎo)算法計算的實際流量與調(diào)節(jié)閥實際運行時的實測流量進行了比較。結(jié)論是，差異很小，誤差在8%以內(nèi)，均在工程允許誤差范圍內(nèi)。因此，該算法是可行的，為調(diào)節(jié)閥的自動調(diào)節(jié)和控制提供了方便的控制和調(diào)節(jié)技術(shù)措施。

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同樣，可以推導(dǎo)出直線特性、快速開啟特性和拋物線特性調(diào)節(jié)閥的計算公式，現(xiàn)將各種特性調(diào)節(jié)閥的計算公式列入表1：

表1 調(diào)節(jié)閥相對開度L、流量Q與壓力ΔP之間的計算公式

從上表可以看出調(diào)節(jié)閥的相對開度L、流量Q與壓力ΔP之間的關(guān)系類型需要提出k₀和k，而k₀和k閥門樣本提供的最大流通能力和相對開度下的最小流通能力。

4.自動調(diào)節(jié)和控制電動調(diào)節(jié)閥

電動調(diào)節(jié)閥是自動化過程控制中的重要執(zhí)行單元儀表。電動調(diào)節(jié)閥由電動執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)閥組成。通過接收自動控制系統(tǒng)的信號，驅(qū)動閥改變閥芯與閥座之間的截面積，控制管道介質(zhì)的流量、溫度、壓力等工藝參數(shù)，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)功能。

當(dāng)每個換熱站的流量確定后，通過分析得到閥門的相對開度，傳感器將信號傳輸?shù)矫總€換熱站調(diào)節(jié)閥的電動執(zhí)行單元，動執(zhí)行指令，自動調(diào)節(jié)閥芯行程，改變閥芯與閥座的斷面積，最終將管段流量調(diào)節(jié)到所需的理想流量。

五、管網(wǎng)電動調(diào)節(jié)閥集中控制策略

對于已知的供熱管網(wǎng)（一級管網(wǎng)）系統(tǒng)，如圖1所示，每個換熱站并聯(lián)，每個換熱站入口設(shè)有電動調(diào)節(jié)閥。在運行過程中，每個管段的阻抗和設(shè)備阻抗是固定的，只有調(diào)節(jié)閥通過調(diào)節(jié)開度來改變阻力特性。在實際運行中，由于終端供熱用戶的供熱調(diào)節(jié)，二次管網(wǎng)側(cè)的流量和供回水溫度發(fā)生了變化。二次管網(wǎng)側(cè)的流量調(diào)節(jié)是通過二次管網(wǎng)側(cè)的變頻泵實現(xiàn)的，以確保二次管網(wǎng)側(cè)的供回水壓差不變。同時，由于熱負荷的減小或增加，二次管網(wǎng)側(cè)的工作溫度和供回水溫差會相應(yīng)減小或增加。此時，需要改變一次管網(wǎng)側(cè)的供熱量，以確保二次管網(wǎng)側(cè)的供水溫度和供回水溫差不變。一次管網(wǎng)側(cè)的調(diào)節(jié)可以是集中調(diào)節(jié)和個體調(diào)節(jié)相結(jié)合，包括集中質(zhì)量調(diào)節(jié)和流量調(diào)節(jié)。個體調(diào)節(jié)主要是一次管網(wǎng)側(cè)的開度，從而不改變各換熱站的運行角度，從而導(dǎo)致各換熱站的變化。

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本文提出了電動調(diào)節(jié)閥與智能控制平臺相結(jié)合的有序調(diào)節(jié)方法，根據(jù)節(jié)點流量平衡方程和電路壓力平衡方程的基本特點，實現(xiàn)各換熱站電動調(diào)節(jié)閥的有序調(diào)節(jié)方法，即供熱管網(wǎng)電動調(diào)節(jié)閥集中控制的運行調(diào)節(jié)。調(diào)整策略的調(diào)整過程如下：

(1)第一個應(yīng)用智能平臺，通過反饋二次網(wǎng)側(cè)的流量Q_i供回水溫差Δt_i分析確定各換熱站一次網(wǎng)側(cè)的供熱量；分析是否進行集中質(zhì)量調(diào)整，最獲得換熱站一級管網(wǎng)側(cè)的調(diào)整流量，確定管網(wǎng)所需的總流量；

（2）分析了管網(wǎng)循環(huán)水泵的揚程和換熱站一級管網(wǎng)側(cè)調(diào)節(jié)閥的開度。調(diào)節(jié)閥開度變化的目的是改變加熱量，確保二次管網(wǎng)側(cè)的加熱調(diào)節(jié)要求。由于閥門開度的變化，它會導(dǎo)致管網(wǎng)總阻抗的變化，即管網(wǎng)的阻力特性。如圖2所示，如果關(guān)閉較小，即總阻抗增加，管網(wǎng)特性曲線將從1曲線移位到2曲線。這種變化會導(dǎo)致循環(huán)水泵揚程的變化。如果所選循環(huán)水泵的性能曲線相對平坦，則忽略由此引起的揚程變化；否則，泵揚程應(yīng)通過試算確定，閥門開度最終確定，總揚程應(yīng)在管網(wǎng)系統(tǒng)總阻抗已知條件下確定。因此，兩者相互影響和依賴；

圖2 一級管網(wǎng)水泵工作點示意圖

（3）一級管網(wǎng)側(cè)調(diào)節(jié)閥開度的確定原理，管網(wǎng)如圖1所示。由于管路中唯一可以改變阻抗的是調(diào)節(jié)閥和變頻泵。對某個換熱站而言，由于管路和換熱器的阻抗不變，在一個新的流量需求下，直接可以得到他們的阻力損失。因此，只要知道循環(huán)水泵的揚程，通過節(jié)點流量平衡方程（式1）和回路壓力平衡方程（式2）便可得到各換熱站處調(diào)節(jié)閥兩端的壓降ΔP。然后，知道各調(diào)節(jié)閥的壓降ΔP和流量Q之后，各換熱站一級管網(wǎng)側(cè)電動調(diào)節(jié)閥的相對開度可通過上述分析的閥門流量特性關(guān)系類型（見表1）確定。最后，通過自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)閥芯行程，調(diào)節(jié)管網(wǎng)流量，調(diào)節(jié)換熱站一級管網(wǎng)側(cè)的供熱，滿足二級管網(wǎng)側(cè)的熱負荷要求。

這種調(diào)節(jié)方法是在滿足節(jié)點流量平衡方程和電路壓力平衡方程管道的基本特性的條件下進行的，實現(xiàn)了各換熱站電動調(diào)節(jié)閥的同時運動，不再相互影響，將各換熱站的流量一次調(diào)節(jié)到所需的理想流量，同時也保證了整個系統(tǒng)的水力和熱平衡，避免了各換熱站之間的混亂和相互影響。

六、智能平臺程序框圖

通過對供熱管網(wǎng)電動調(diào)節(jié)閥集中控制運行調(diào)節(jié)的分析計算和反饋執(zhí)行命令MATLAB該軟件被稱為智能控制平臺，其程序框圖如圖3所示。

圖3

七、結(jié)論

實際運行的供熱管網(wǎng)系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)中任何閥門開度的變化都會導(dǎo)致流量的變化，導(dǎo)致熱交換站之間流量的重新分配。如果不學(xué)控制和調(diào)整，必然會導(dǎo)致水力失衡，人們很難主觀判斷這種變化趨勢。MATLAB軟件作為一個智能平臺，結(jié)合電動調(diào)節(jié)閥對管網(wǎng)進行集中調(diào)節(jié)和控制。從整個管網(wǎng)系統(tǒng)出發(fā)，各電動調(diào)節(jié)閥同時移動，一步調(diào)節(jié)到位，快速準確，提高了供熱管網(wǎng)系統(tǒng)的整體運行效果。