二級管網水力平衡調節閥優化控制

楊志剛

(北京北燃環能科技發展有限公司,北京100011)

1 概述

近年來,北方地區供熱需求增速明顯。《北方地區冬季清潔取暖規劃(2017—2021年)》顯示:2017—2021年,北方地區新建供熱管網8.4×104km。其中,新建供熱一級管網、二級管網各4.2×104km。完成供熱管網改造里程5×104km。其中,改造供熱一級管網1.6×104km、二級管網3.4×104km。2017—2021年,北方地區新建智能化熱力站2.2×104座,改造1.4×104座。以往,由于缺乏高效準確的管網監控和調節手段,易造成管網近熱遠冷,從而導致熱能分配不合理、整體能耗高等問題[1]。隨著通信、物聯網技術的發展,這一問題得到了一定的解決。目前,在二級管網水力調節方法中,由于水溫測量比流量測量、熱量測量成本更低,回水溫度法成為二級管網水力調節應用較多的方式[2]。回水溫度法是指將具有溫度采集功能的調節閥安裝在各個樓棟入口的回水管上,對回水溫度進行監測、采集,并上傳至服務器。服務器將各樓棟回水溫度進行匯總,結合二級管網總供回水溫度、室外溫度等參數計算出目標回水溫度,并下達調節指令至各調節閥,各調節閥根據目標回水溫度,執行調節指令,并反饋結果。通過多次調節,最終實現二級管網水力平衡。

本文針對二級管網水力平衡調節閥,在傳統PID控制基礎上,加入PID參數選擇、溫度變化斜率控制、超調量過大處理、邊界限制等控制方式,快速、穩定地完成調節閥調節。

2 二級管網水力平衡系統

2.1 系統架構

二級管網水力平衡系統分為設備層、網絡傳輸層、應用管理層[3],系統架構見圖1。

圖1 二級管網水力平衡系統架構

設備層,主要指樓棟入口回水管上的調節閥,調節閥閥體集成了高精度溫度傳感器,能夠監測回水溫度,在電動執行器中集成了基于物聯網技術的無線通信模組,實現了調節閥的無線遠程通信,并能夠接收遠程控制指令。

網絡傳輸層,主要指無線網絡,調節閥通過無線網絡將監測、儲存數據傳輸到網關,再上傳至相關運營商提供的云服務器。

應用管理層,云服務器將設備層上傳的數據進行綜合處理,對管網平衡進行計算分析,并將計算結果儲存到數據庫中,然后轉換成調節閥控制指令,下發到各個調節閥,控制每個調節閥的開度,實現流量調節。運行管理人員可隨時通過計算機、手機終端查看二級管網運行狀況,并根據實際情況,對管網進行進一步調控。

2.2 工作方式

將調節閥安裝在各樓棟入口回水管上,對回水溫度進行采集,采集數據上傳到云服務器。根據各調節閥采集的數據,綜合考慮各樓棟入口回水溫度、二級管網總供回水溫度、室外溫度等,計算出目標回水溫度。云服務器將目標指令(目標回水溫度)下發至各個調節閥,調節閥接收到目標指令后進行調節。在下1個采集周期,采集數據上傳至云服務器,云服務器根據上傳數據,重新計算目標回水溫度,然后再次下發目標指令,直至二級管網水力平衡。

3 調節閥優化控制

在實際應用中,由于通過調節閥門的開度來控制回水流量,進而控制水溫,而水溫的上升和下降都存在一定的延時,因此對閥門的調節提出了更加嚴格的要求。

傳統PID控制方式,閥門調節過程速度慢、時間較長、精度低、易受外界干擾。初始溫度與目標溫度相差較大(大于10 ℃)時,易造成溫度調節超調量過大,導致閥門全開或關閉,而控制電動機依然處于工作狀態,導致控制電動機損壞。在二級管網平衡調節過程中,僅靠一組超調值小、穩態精度高的PID參數無法滿足需求。針對以上問題,在閥門傳統PID控制基礎上加入PID參數選取、溫度斜率控制、超調量過大處理、邊界限制等控制方法,使調節過程快速、穩定。

3.1 PID參數選取

PID控制采用適用于嵌入式軟件的PID離散控制算法[4]。在調節閥接收到云服務器下發的目標回水溫度后,調節閥在進入PID控制前,根據各樓棟入口回水溫度、二級管網總供回水溫度、室外溫度,選取相適應的PID參數,使調節閥能夠適應不同的工況,實現快速調節。選定PID參數后,調節閥根據實際回水溫度、調節閾值等,計算調節脈沖數,進入調節過程。

3.2 其他控制

嵌入式軟件除PID參數選取功能外,還針對PID傳統調節過程中存在的調節速度慢、超調量過大等問題,增加溫度斜率控制、超調量過大處理、邊界限制等功能。同時,嵌入式軟件采用了實時操作系統,具有支持多任務并發處理等特點,優化調節效果。

① 溫度斜率控制

在調節過程中,由于溫度變化滯后等原因,易造成回水溫度的變化率出現連續遞增或遞減的狀態,閥門會持續進行單一方向的開閥或關閥動作,進而導致超調量過大現象。因此,需要加入溫度斜率控制。基本控制策略為:在閥門調節過程中,每90 s采集1次回水溫度,若回水溫度每90 s的變化大于設定值,閥門立即停止動作,待回水溫度變化小于設定值時,閥門繼續根據目標指令進行開度調節。通過這種方式,為水溫的變化留出充分的緩沖時間,有效防止超調量過大現象的出現。

② 超調量過大處理

在調節過程中,若出現超調量過大的情況,實時操作系統根據超調情況迅速響應,對閥門輸出反向脈沖,及時減小超調量。在下1個采集周期中,若檢測到超調量過大的情況,再次重復反向脈沖調節,直至超調量回歸正常范圍。

③ 邊界限制

在研發階段,結合供熱公司實際調節方式,對調節閥進行試驗,記錄閥門調節所需最大脈沖數,將不同溫差(指實際回水溫度與目標回水溫度的差)與對應的最大調節脈沖數進行擬合,得到擬合函數。將擬合函數作為閥門調節的邊界條件,植入控制程序。

在調節過程中,當調節閥PID控制脈沖數達到邊界條件,若PID控制繼續輸出增加脈沖數的指令,則該指令暫不作用于調節閥,即調節閥的開度調節受到邊界條件的限制。

4 實例分析

4.1 應用場景

北京某小區實際供熱面積為24 789 m2。居住建筑14棟,公共建筑4棟。改造前,二級管網完全依賴人工調節。2020—2021年供暖期前,完成了小區二級管網改造。在每棟居住建筑單元及公共建筑入口安裝調節閥,并配套通信裝置,部署云服務器。

4.2 優化效果

安裝調節閥后,通過試驗發現調節時間過長,過長的調節時間使調節過程更易受到外界干擾。因此,對調節閥的控制程序進行了優化,在原有PID控制的基礎上加入PID參數選取、溫度斜率控制、超調量過大處理、邊界限制等控制。

選取其中1臺調節閥,分別于2020年11月25日、27日,對控制優化前后的測試結果進行對比。優化前后回水溫度隨時間的變化分別見圖2、3。

圖2 優化前回水溫度隨時間的變化

由圖2可知,控制程序優化前,回水溫度達到目標回水溫度37.5 ℃±0.5 ℃用時7 h左右。由圖3可知,控制程序優化后,回水溫度達到目標回水溫度35.4 ℃±0.5 ℃用時4 h左右,相比優化前縮短約3 h。超調量得到有效抑制,調節過程快速、穩定。

5 結論

控制程序優化后,達到目標回水溫度用時4 h左右,比優化前縮短約3 h。超調量得到有效抑制,調節過程快速、穩定。

圖3 優化后回水溫度隨時間的變化