田海川，牛建會(huì)，楊桂春

（河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000）

無線智能雙沖量超聲波水力平衡調(diào)節(jié)儀研究

田海川，牛建會(huì)，楊桂春

（河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000）

針對(duì)目前供熱管網(wǎng)普遍存在的由于水力平衡失調(diào)造成用戶冷熱不均、熱能浪費(fèi)嚴(yán)重、設(shè)備利用率低、用戶投訴上訪頻繁等問題，以無線數(shù)傳模塊和GRPS DTU相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地形管道流量無線無盲區(qū)采集，以基于雙沖量超聲波流量計(jì)的“平衡系數(shù)法”為核心控制策略，以3G平板電腦為控制器和人機(jī)界面，研究和設(shè)計(jì)一種無線智能水力平衡調(diào)節(jié)儀。經(jīng)過3年在多個(gè)地區(qū)的技術(shù)推廣，實(shí)踐證明結(jié)合此設(shè)備能以最低的管網(wǎng)建設(shè)和運(yùn)行成本解決供熱管網(wǎng)水利平衡問題。

供熱管網(wǎng)；水力平衡；智能；無線數(shù)傳；GPRS DTU；平衡系數(shù)

0 引 言

由于供熱管網(wǎng)干管阻力遠(yuǎn)大于支管，若管網(wǎng)未進(jìn)行調(diào)節(jié)，近端支路運(yùn)行流量往往超過設(shè)計(jì)值2倍以上，而遠(yuǎn)端流量卻不到設(shè)計(jì)流量的1/2，水力失衡嚴(yán)重[1]。表現(xiàn)為近端用戶室溫27～28℃，而遠(yuǎn)端用戶溫度僅10℃左右，遠(yuǎn)近端用戶都非常不滿意的同時(shí)熱能和設(shè)備浪費(fèi)嚴(yán)重。由于管網(wǎng)支路間通過干管阻力互相影響，因此水力平衡調(diào)節(jié)復(fù)雜。管網(wǎng)水力平衡的解決是實(shí)現(xiàn)供熱節(jié)能減排的基礎(chǔ)和關(guān)鍵[2]，是國(guó)家“十一五規(guī)劃”和建設(shè)部的重點(diǎn)課題，對(duì)供熱系統(tǒng)來說是一個(gè)急需解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。

目前，管網(wǎng)調(diào)節(jié)可采用基于溫度測(cè)量的回水溫度法、基于機(jī)械自動(dòng)控制的動(dòng)態(tài)平衡閥法和基于超聲波流量計(jì)的流量調(diào)節(jié)法[3]?；厮疁囟确ㄕ{(diào)節(jié)過于緩慢；動(dòng)態(tài)平衡閥法初投資和運(yùn)行費(fèi)用都很高[4]；現(xiàn)行基于超聲波流量計(jì)的流量調(diào)節(jié)法采用有線人工采集流量和手動(dòng)計(jì)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(zhí)行器，以無線無盲區(qū)手持巡檢式超聲波流量?jī)x為傳感器[5]，以“平衡系數(shù)法”為核心控制策略研究和設(shè)計(jì)了一種無線智能水力平衡調(diào)節(jié)儀，以最低的成本，高效、快速地解決供熱管網(wǎng)水利平衡問題。

1 工作原理

針對(duì)現(xiàn)行采用有線人工采集和手動(dòng)計(jì)算判斷的流量調(diào)節(jié)法，改用無盲區(qū)無線流量自動(dòng)采集和水力平衡自動(dòng)計(jì)算判斷的方法，控制策略采用項(xiàng)目組提出的基于雙沖量超聲波流量計(jì)的“平衡系數(shù)法”。

儀器硬件包括3個(gè)部分：2個(gè)內(nèi)置無線數(shù)傳模塊的手持巡檢式超聲波流量計(jì)、2個(gè)無線數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)和一個(gè)3G平板電腦。超聲波流量計(jì)增加內(nèi)置無線數(shù)傳模塊，把采集到的地下管網(wǎng)流量信息無線傳輸給地面上無線數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)的無線數(shù)傳模塊；然后再通過有線RS232方式傳送到數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)的GRPS DTU；最后信息通過DTU以GRPS方式無線發(fā)送到internet網(wǎng)。控制器通過內(nèi)置3G模塊接受到流量信息后對(duì)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(nèi)的計(jì)算模塊。與建筑熱負(fù)荷有關(guān)的已知參數(shù)通過控制器人機(jī)界面進(jìn)行設(shè)定。流量信息和設(shè)定參數(shù)作為已知條件按照項(xiàng)目組提出的“平衡系數(shù)法”自動(dòng)進(jìn)行熱力計(jì)算、水力計(jì)算和智能平衡判斷，當(dāng)調(diào)整閥門到合適位置時(shí)，人機(jī)界面上指針處于中心位置即代表一個(gè)支路調(diào)整完成。本文設(shè)計(jì)的雙沖量超聲波水力平衡調(diào)節(jié)儀原理及流程如圖1所示。

圖1 雙沖量超聲波水力平衡調(diào)節(jié)儀原理流程圖

2 水力平衡調(diào)節(jié)儀設(shè)計(jì)

包括流量計(jì)內(nèi)置無線數(shù)傳設(shè)計(jì)、無線數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)、控制器控制策略設(shè)計(jì)和人機(jī)界面設(shè)計(jì)，其中控制器和人機(jī)界面采用3G平板電腦實(shí)現(xiàn)，實(shí)物如圖2所示。

圖2 雙沖量超聲波水力平衡調(diào)節(jié)儀實(shí)物圖

2.1 流量計(jì)內(nèi)置無線數(shù)傳設(shè)計(jì)

由于流量測(cè)點(diǎn)和控制器相距可能長(zhǎng)達(dá)數(shù)公里，并且需要隨時(shí)移動(dòng)測(cè)量，所以兩者采用無線通信方式。GRPS DTU通信方式覆蓋面很廣但對(duì)地下測(cè)點(diǎn)通信存在一定盲區(qū)[6]，因此采用無線數(shù)傳模塊進(jìn)行接力[7]。在流量計(jì)機(jī)殼內(nèi)內(nèi)置一微型無線數(shù)傳模塊，發(fā)射距離1 000 m，工作電流90 mA，通信波特率9 600 b/s，數(shù)據(jù)格式為8N1，與流量計(jì)采用有線RS232方式連接，與數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)采用無線連接。無線數(shù)傳模塊電源取自超聲波流量計(jì)顯示模塊12864第2腳5V電源。

2.2 無線數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)內(nèi)置配對(duì)無線數(shù)傳模塊和GRPS DTU。無線數(shù)傳模塊和DTU采用有線RS232的方式進(jìn)行通信，通信波特率9 600b/s，數(shù)據(jù)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，采用降壓模塊為無線數(shù)傳模塊提供5V電壓。采用兩線制電壓顯示模塊顯示電源模塊電壓。圖3為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)原理流程圖。

圖3 數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)原理流程圖

2.3 控制器控制策略設(shè)計(jì)

管網(wǎng)水力平衡判斷采用“平衡系數(shù)法”，“平衡系數(shù)法”屬于前饋控制。按照計(jì)算出的流量比值去調(diào)節(jié)管網(wǎng)平衡，其核心是采用兩個(gè)流量沖量作為計(jì)算依據(jù)[8]。優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)間水力平衡解耦，避免管網(wǎng)支路的多次反復(fù)調(diào)節(jié)[9]；同時(shí)對(duì)平衡判斷指標(biāo)進(jìn)行了模化，無論兩個(gè)支路間熱負(fù)荷比值是多大，只要平衡系數(shù)為1就表示兩者平衡，直觀簡(jiǎn)單，物理意義明顯。其主要計(jì)算基本方程如下[10]：

熱力計(jì)算基本方程為

水力計(jì)算基本方程為

平衡判斷基本方程為

式中：F、δ——建筑物的建筑面積、建筑物熱指標(biāo)；

Lnc、L0c——第n個(gè)待調(diào)支路、參考支路的流量測(cè)量值；

Ln1、L01——第n個(gè)待調(diào)支路、參考支路的流量理論值；

tg、th——室內(nèi)暖氣供、回水溫度設(shè)計(jì)值；

ξ——平衡系數(shù)。

F和δ是設(shè)定值，通過人機(jī)界面輸入；Lnc、L0c是流量測(cè)量值，通過無線傳輸采集到控制器。4者共同輸入電腦進(jìn)行水力平衡計(jì)算判斷。流量采集和平衡判斷計(jì)算頻率為1s，一次正常的平衡調(diào)節(jié)需要大約300次計(jì)算，相當(dāng)于手動(dòng)計(jì)算2h的工作量。

2.4 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

為了準(zhǔn)確、快速調(diào)節(jié)管網(wǎng)平衡，調(diào)節(jié)過程分為粗調(diào)和細(xì)調(diào)，人機(jī)界面設(shè)計(jì)如圖4所示。調(diào)節(jié)初期觀察平衡系數(shù)的“指針顯示”進(jìn)行快速粗調(diào)；調(diào)節(jié)后期使用“數(shù)字顯示”進(jìn)行精確細(xì)調(diào)；調(diào)節(jié)末期使用“曲線圖”來判斷調(diào)節(jié)質(zhì)量，當(dāng)平衡系數(shù)在10s內(nèi)波動(dòng)不超過±5%時(shí)調(diào)節(jié)過程完成，此時(shí)輸出“合格”字樣，“合格”判斷過程由電腦自動(dòng)完成。

圖4 人機(jī)界面

3 實(shí)際使用效果

在內(nèi)蒙和河北等地?zé)崃緦?duì)儀器經(jīng)過為期3年的測(cè)試和技術(shù)推廣，共調(diào)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)水力平衡問題，消除了因?yàn)樗Σ黄胶庠斐傻臒嵊脩衾錈岵痪?、投訴率高、收費(fèi)難、設(shè)備利用率低和熱能浪費(fèi)等問題。以張家口市某熱力公司為例，其經(jīng)濟(jì)效益顯著，用戶投訴率大幅降低，收費(fèi)率和設(shè)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(diào)節(jié)效果

4 結(jié)束語

1）采用無線數(shù)傳和GRPS DTU相結(jié)合的方式，成功實(shí)現(xiàn)流量信息無盲區(qū)無線采集，解決了水力平衡調(diào)節(jié)測(cè)點(diǎn)布線難的問題。

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(jì)算判斷水力平衡，解決了人工流量統(tǒng)計(jì)和平衡判斷計(jì)算工作量龐大的問題。

3）采用項(xiàng)目組提出的基于雙沖量超聲波流量計(jì)的“平衡系數(shù)法”做為控制策略，調(diào)節(jié)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(zhí)行器，采用巡檢方式測(cè)量管網(wǎng)流量，大大降低了管網(wǎng)控制成本。

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Wireless intelligent double impulse ultrasonic wave hydraulic balance regulator research and design

TIAN Hai-chuan，NIU Jian-hui，YANG Gui-chun
（Hebei University of Architecture，Zhangjiakou 075000 China）

In response to heating unevenness，waste of heating energy，low equipment utilization，frequent customer complaints and other issues caused by the prevalent hydraulic imbalance of heating pipe network，thispaperintegrateswirelessdata transferradio and GRPS DTU to implement wireless and non-blind-area acquisition of pipeline flow in complex areas，and takes the“balance coefficient method”proposed by the project team based on double impulse ultrasonic flowmeter as the core control strategy，and takes wireless tablet PC as controller and HMI. Besides，this paper researches and designs a new Non-blind-area wireless hydraulic balance regulator.After a three-year technology promotion of this equipment in a number of areas，it is proved in practice that the use of this equipment can fundamentally solve the critical and basic hydraulic imbalance of heating pipe network at the lowest cost.

heating pipe network；hydraulic balance；intelligent；wireless data transfer；GPRS DTU；coefficient of balance

TU832.1+3；TH814+.92；TN929.532；TP273+.2

：A

：1674-5124（2014）05-0119-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.05.031

2014-02-17；

：2014-05-05

河北省科技廳科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（09273919D）

田海川（1976-），男，河北滄州市人，講師，主要從事熱能工程和自動(dòng)化控制研究。