二级管网水力平衡调节阀优化控制

杨志刚

(北京北燃环能科技发展有限公司,北京100011)

1 概述

近年来,北方地区供热需求增速明显。《北方地区冬季清洁取暖规划(2017—2021年)》显示:2017—2021年,北方地区新建供热管网8.4×104km。其中,新建供热一级管网、二级管网各4.2×104km。完成供热管网改造里程5×104km。其中,改造供热一级管网1.6×104km、二级管网3.4×104km。2017—2021年,北方地区新建智能化热力站2.2×104座,改造1.4×104座。以往,由于缺乏高效准确的管网监控和调节手段,易造成管网近热远冷,从而导致热能分配不合理、整体能耗高等问题[1]。随着通信、物联网技术的发展,这一问题得到了一定的解决。目前,在二级管网水力调节方法中,由于水温测量比流量测量、热量测量成本更低,回水温度法成为二级管网水力调节应用较多的方式[2]。回水温度法是指将具有温度采集功能的调节阀安装在各个楼栋入口的回水管上,对回水温度进行监测、采集,并上传至服务器。服务器将各楼栋回水温度进行汇总,结合二级管网总供回水温度、室外温度等参数计算出目标回水温度,并下达调节指令至各调节阀,各调节阀根据目标回水温度,执行调节指令,并反馈结果。通过多次调节,最终实现二级管网水力平衡。

本文针对二级管网水力平衡调节阀,在传统PID控制基础上,加入PID参数选择、温度变化斜率控制、超调量过大处理、边界限制等控制方式,快速、稳定地完成调节阀调节。

2 二级管网水力平衡系统

2.1 系统架构

二级管网水力平衡系统分为设备层、网络传输层、应用管理层[3],系统架构见图1。

图1 二级管网水力平衡系统架构

设备层,主要指楼栋入口回水管上的调节阀,调节阀阀体集成了高精度温度传感器,能够监测回水温度,在电动执行器中集成了基于物联网技术的无线通信模组,实现了调节阀的无线远程通信,并能够接收远程控制指令。

网络传输层,主要指无线网络,调节阀通过无线网络将监测、储存数据传输到网关,再上传至相关运营商提供的云服务器。

应用管理层,云服务器将设备层上传的数据进行综合处理,对管网平衡进行计算分析,并将计算结果储存到数据库中,然后转换成调节阀控制指令,下发到各个调节阀,控制每个调节阀的开度,实现流量调节。运行管理人员可随时通过计算机、手机终端查看二级管网运行状况,并根据实际情况,对管网进行进一步调控。

2.2 工作方式

将调节阀安装在各楼栋入口回水管上,对回水温度进行采集,采集数据上传到云服务器。根据各调节阀采集的数据,综合考虑各楼栋入口回水温度、二级管网总供回水温度、室外温度等,计算出目标回水温度。云服务器将目标指令(目标回水温度)下发至各个调节阀,调节阀接收到目标指令后进行调节。在下1个采集周期,采集数据上传至云服务器,云服务器根据上传数据,重新计算目标回水温度,然后再次下发目标指令,直至二级管网水力平衡。

3 调节阀优化控制

在实际应用中,由于通过调节阀门的开度来控制回水流量,进而控制水温,而水温的上升和下降都存在一定的延时,因此对阀门的调节提出了更加严格的要求。

传统PID控制方式,阀门调节过程速度慢、时间较长、精度低、易受外界干扰。初始温度与目标温度相差较大(大于10 ℃)时,易造成温度调节超调量过大,导致阀门全开或关闭,而控制电动机依然处于工作状态,导致控制电动机损坏。在二级管网平衡调节过程中,仅靠一组超调值小、稳态精度高的PID参数无法满足需求。针对以上问题,在阀门传统PID控制基础上加入PID参数选取、温度斜率控制、超调量过大处理、边界限制等控制方法,使调节过程快速、稳定。

3.1 PID参数选取

PID控制采用适用于嵌入式软件的PID离散控制算法[4]。在调节阀接收到云服务器下发的目标回水温度后,调节阀在进入PID控制前,根据各楼栋入口回水温度、二级管网总供回水温度、室外温度,选取相适应的PID参数,使调节阀能够适应不同的工况,实现快速调节。选定PID参数后,调节阀根据实际回水温度、调节阈值等,计算调节脉冲数,进入调节过程。

3.2 其他控制

嵌入式软件除PID参数选取功能外,还针对PID传统调节过程中存在的调节速度慢、超调量过大等问题,增加温度斜率控制、超调量过大处理、边界限制等功能。同时,嵌入式软件采用了实时操作系统,具有支持多任务并发处理等特点,优化调节效果。

① 温度斜率控制

在调节过程中,由于温度变化滞后等原因,易造成回水温度的变化率出现连续递增或递减的状态,阀门会持续进行单一方向的开阀或关阀动作,进而导致超调量过大现象。因此,需要加入温度斜率控制。基本控制策略为:在阀门调节过程中,每90 s采集1次回水温度,若回水温度每90 s的变化大于设定值,阀门立即停止动作,待回水温度变化小于设定值时,阀门继续根据目标指令进行开度调节。通过这种方式,为水温的变化留出充分的缓冲时间,有效防止超调量过大现象的出现。

② 超调量过大处理

在调节过程中,若出现超调量过大的情况,实时操作系统根据超调情况迅速响应,对阀门输出反向脉冲,及时减小超调量。在下1个采集周期中,若检测到超调量过大的情况,再次重复反向脉冲调节,直至超调量回归正常范围。

③ 边界限制

在研发阶段,结合供热公司实际调节方式,对调节阀进行试验,记录阀门调节所需最大脉冲数,将不同温差(指实际回水温度与目标回水温度的差)与对应的最大调节脉冲数进行拟合,得到拟合函数。将拟合函数作为阀门调节的边界条件,植入控制程序。

在调节过程中,当调节阀PID控制脉冲数达到边界条件,若PID控制继续输出增加脉冲数的指令,则该指令暂不作用于调节阀,即调节阀的开度调节受到边界条件的限制。

4 实例分析

4.1 应用场景

北京某小区实际供热面积为24 789 m2。居住建筑14栋,公共建筑4栋。改造前,二级管网完全依赖人工调节。2020—2021年供暖期前,完成了小区二级管网改造。在每栋居住建筑单元及公共建筑入口安装调节阀,并配套通信装置,部署云服务器。

4.2 优化效果

安装调节阀后,通过试验发现调节时间过长,过长的调节时间使调节过程更易受到外界干扰。因此,对调节阀的控制程序进行了优化,在原有PID控制的基础上加入PID参数选取、温度斜率控制、超调量过大处理、边界限制等控制。

选取其中1台调节阀,分别于2020年11月25日、27日,对控制优化前后的测试结果进行对比。优化前后回水温度随时间的变化分别见图2、3。

图2 优化前回水温度随时间的变化

由图2可知,控制程序优化前,回水温度达到目标回水温度37.5 ℃±0.5 ℃用时7 h左右。由图3可知,控制程序优化后,回水温度达到目标回水温度35.4 ℃±0.5 ℃用时4 h左右,相比优化前缩短约3 h。超调量得到有效抑制,调节过程快速、稳定。

5 结论

控制程序优化后,达到目标回水温度用时4 h左右,比优化前缩短约3 h。超调量得到有效抑制,调节过程快速、稳定。

图3 优化后回水温度随时间的变化