無線智能雙沖量超聲波水力平衡調節儀研究

田海川，牛建會，楊桂春

（河北建筑工程學院，河北 張家口 075000）

無線智能雙沖量超聲波水力平衡調節儀研究

田海川，牛建會，楊桂春

（河北建筑工程學院，河北 張家口 075000）

針對目前供熱管網普遍存在的由于水力平衡失調造成用戶冷熱不均、熱能浪費嚴重、設備利用率低、用戶投訴上訪頻繁等問題，以無線數傳模塊和GRPS DTU相結合的方式實現復雜地形管道流量無線無盲區采集，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，研究和設計一種無線智能水力平衡調節儀。經過3年在多個地區的技術推廣，實踐證明結合此設備能以最低的管網建設和運行成本解決供熱管網水利平衡問題。

供熱管網；水力平衡；智能；無線數傳；GPRS DTU；平衡系數

0 引 言

由于供熱管網干管阻力遠大于支管，若管網未進行調節，近端支路運行流量往往超過設計值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[1]。表現為近端用戶室溫27～28℃，而遠端用戶溫度僅10℃左右，遠近端用戶都非常不滿意的同時熱能和設備浪費嚴重。由于管網支路間通過干管阻力互相影響，因此水力平衡調節復雜。管網水力平衡的解決是實現供熱節能減排的基礎和關鍵[2]，是國家“十一五規劃”和建設部的重點課題，對供熱系統來說是一個急需解決的關鍵技術難題。

目前，管網調節可采用基于溫度測量的回水溫度法、基于機械自動控制的動態平衡閥法和基于超聲波流量計的流量調節法[3]。回水溫度法調節過于緩慢；動態平衡閥法初投資和運行費用都很高[4]；現行基于超聲波流量計的流量調節法采用有線人工采集流量和手動計算判斷平衡的方法工作量龐大，基本不采用。

本文以普通廉價關斷閥為執行器，以無線無盲區手持巡檢式超聲波流量儀為傳感器[5]，以“平衡系數法”為核心控制策略研究和設計了一種無線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水利平衡問題。

1 工作原理

針對現行采用有線人工采集和手動計算判斷的流量調節法，改用無盲區無線流量自動采集和水力平衡自動計算判斷的方法，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個部分：2個內置無線數傳模塊的手持巡檢式超聲波流量計、2個無線數據中轉和一個3G平板電腦。超聲波流量計增加內置無線數傳模塊，把采集到的地下管網流量信息無線傳輸給地面上無線數據中轉的無線數傳模塊；然后再通過有線RS232方式傳送到數據中轉的GRPS DTU；最后信息通過DTU以GRPS方式無線發送到internet網。控制器通過內置3G模塊接受到流量信息后對流量信息字符串進行處理，把兩個流量信息輸出給控制器內的計算模塊。與建筑熱負荷有關的已知參數通過控制器人機界面進行設定。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”自動進行熱力計算、水力計算和智能平衡判斷，當調整閥門到合適位置時，人機界面上指針處于中心位置即代表一個支路調整完成。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

包括流量計內置無線數傳設計、無線數據中轉設計、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平板電腦實現，實物如圖2所示。

圖2 雙沖量超聲波水力平衡調節儀實物圖

2.1 流量計內置無線數傳設計

由于流量測點和控制器相距可能長達數公里，并且需要隨時移動測量，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地下測點通信存在一定盲區[6]，因此采用無線數傳模塊進行接力[7]。在流量計機殼內內置一微型無線數傳模塊，發射距離1 000 m，工作電流90 mA，通信波特率9 600 b/s，數據格式為8N1，與流量計采用有線RS232方式連接，與數據中轉采用無線連接。無線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 無線數據中轉設計

數據中轉內置配對無線數傳模塊和GRPS DTU。無線數傳模塊和DTU采用有線RS232的方式進行通信，通信波特率9 600b/s，數據格式為8N1。DTU采用GRPS方式和控制器進行通信，通信協議采用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平衡，其核心是采用兩個流量沖量作為計算依據[8]。優點是可以實現管網間水力平衡解耦，避免管網支路的多次反復調節[9]；同時對平衡判斷指標進行了模化，無論兩個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，直觀簡單，物理意義明顯。其主要計算基本方程如下[10]：

熱力計算基本方程為

水力計算基本方程為

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；

Lnc、L0c——第n個待調支路、參考支路的流量測量值；

Ln1、L01——第n個待調支路、參考支路的流量理論值；

tg、th——室內暖氣供、回水溫度設計值；

ξ——平衡系數。

F和δ是設定值，通過人機界面輸入；Lnc、L0c是流量測量值，通過無線傳輸采集到控制器。4者共同輸入電腦進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、快速調節管網平衡，調節過程分為粗調和細調，人機界面設計如圖4所示。調節初期觀察平衡系數的“指針顯示”進行快速粗調；調節后期使用“數字顯示”進行精確細調；調節末期使用“曲線圖”來判斷調節質量，當平衡系數在10s內波動不超過±5%時調節過程完成，此時輸出“合格”字樣，“合格”判斷過程由電腦自動完成。

圖4 人機界面

3 實際使用效果

在內蒙和河北等地熱力公司對儀器經過為期3年的測試和技術推廣，共調試供熱面積600m2。以最低的成本成功快速解決多個熱力公司管網水力平衡問題，消除了因為水力不平衡造成的熱用戶冷熱不均、投訴率高、收費難、設備利用率低和熱能浪費等問題。以張家口市某熱力公司為例，其經濟效益顯著，用戶投訴率大幅降低，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

1）采用無線數傳和GRPS DTU相結合的方式，成功實現流量信息無盲區無線采集，解決了水力平衡調節測點布線難的問題。

2）采用平板電腦作為智能控制器自動采集流量信息和自動計算判斷水力平衡，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，平衡判斷簡潔明了。

4）采用廉價關斷閥作為執行器，采用巡檢方式測量管網流量，大大降低了管網控制成本。

[1]石兆玉.供熱系統運行調節與控制[M].北京：清華大學出版社，1994：173-190.

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[3]石兆玉.再議供熱系統的水力平衡[J].區域供熱，2010，367（1）：4-8.

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[5]徐光備.供熱計量技術[M].北京：中國建筑工業出版社，2003：65-80.

[6]伍連明，陳世元.基于GPRS的遠程數據采集模塊[J].現代電子技術，2009（3）：25-28.

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[8]林家驊.鍋爐雙沖量水位自動調節[J].無機鹽工業，1980（4）：30-32.

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[10]賀平，孫剛.供熱工程[M].北京：中國建筑工業出版社，1993：133-167.

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劃項目（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化控制研究。