无线智能双冲量超声波水力平衡调节仪研究

摘 要：针对目前供热管网普遍存在的由于水力平衡失调造成用户冷热不均、热能浪费严重、设备利用率低、用户投诉上访频繁等问题，以无线数传模块和GRPSDTU相结合的方式实现复杂地形管道流量无线无盲区采集，以基于双冲量超声波流量计的“平衡系数法”为核心控制策略，以3G平板电脑为控制器和人机界面，研究和设计一种无线智能水力平衡调节仪。经过3年在多个地区的技术推广，实践证明结合此设备能以最低的管网建设和运行成本解决供

关键字：供热管网 水力平衡 智能 无线数传 GPRSDTU 平衡系数

0 引言

由于供热管网干管阻力远大于支管，若管网未进行调节，近端支路运行流量往往超过设计值2倍以上，而远端流量却不到设计流量的1/2，水力失衡严重。表现为近端用户室温27～28℃，而远端用户温度仅10℃左右，远近端用户都非常不满意的同时热能和设备浪费严重。由于管网支路间通过干管阻力互相影响，因此水力平衡调节复杂。管网水力平衡的解决是实现供热节能减排的基础和关键，是国家“十一五规划”和建设部的重点课题，对供热系统来说是一个急需解决的关键技术难题。

目前，管网调节可采用基于温度测量的回水温度法、基于机械自动控制的动态平衡阀法和基于超声波流量计的流量调节法。回水温度法调节过于缓慢；动态平衡阀法初投资和运行费用都很高；现行基于超声波流量计的流量调节法采用有线人工采集流量和手动计算判断平衡的方法工作量庞大，基本不采用。

本文以普通廉价关断阀为执行器，以无线无盲区手持巡检式超声波流量仪为传感器，以“平衡系数法”为核心控制策略研究和设计了一种无线智能水力平衡调节仪，以最低的成本，高效、快速地解决供热管网水利平衡问题。

1 工作原理

针对现行采用有线人工采集和手动计算判断的流量调节法，改用无盲区无线流量自动采集和水力平衡自动计算判断的方法，控制策略采用项目组提出的基于双冲量超声波流量计的“平衡系数法”。

仪器硬件包括3个部分：2个内置无线数传模块的手持巡检式超声波流量计、2个无线数据中转和一个3G平板电脑。超声波流量计增加内置无线数传模块，把采集到的地下管网流量信息无线传输给地面上无线数据中转的无线数传模块；然后再通过有线RS232方式传送到数据中转的GRPSDTU；最后信息通过DTU以GRPS方式无线发送到internet网。控制器通过内置3G模块接受到流量信息后对流量信息字符串进行处理，把两个流量信息输出给控制器内的计算模块。与建筑热负荷有关的已知参数通过控制器人机界面进行设定。流量信息和设定参数作为已知条件按照项目组提出的“平衡系数法”自动进行热力计算、水力计算和智能平衡判断，当调整阀门到合适位置时，人机界面上指针处于中心位置即代表一个支路调整完成。本文设计的双冲量超声波水力平衡调节仪原理及流程如图1所示。

图1 双冲量超声波水力平衡调节仪原理流程图

2 水力平衡调节仪设计

包括流量计内置无线数传设计、无线数据中转设计、控制器控制策略设计和人机界面设计，其中控制器和人机界面采用3G平板电脑实现，实物如图2所示。

图2 双冲量超声波水力平衡调节仪实物图

2.1 流量计内置无线数传设计

由于流量测点和控制器相距可能长达数公里，并且需要随时移动测量，所以两者采用无线通信方式。GRPSDTU通信方式覆盖面很广但对地下测点通信存在一定盲区，因此采用无线数传模块进行接力。在流量计机壳内内置一微型无线数传模块，发射距离1000m，工作电流90mA，通信波特率9600b/s，数据格式为8N1，与流量计采用有线RS232方式连接，与数据中转采用无线连接。无线数传模块电源取自超声波流量计显示模块12864第2脚5V电源。

2.2 无线数据中转设计

数据中转内置配对无线数传模块和GRPSDTU。无线数传模块和DTU采用有线RS232的方式进行通信，通信波特率9600b/s，数据格式为8N1。DTU采用GRPS方式和控制器进行通信，通信协议采用TCP/IP方式。采用可充12V锂电模块为DTU直接供电，采用降压模块为无线数传模块提供5V电压。采用两线制电压显示模块显示电源模块电压。图3为数据中转原理流程图。

图3 数据中转原理流程图

2.3 控制器控制策略设计

管网水力平衡判断采用“平衡系数法”，“平衡系数法”属于前馈控制。按照计算出的流量比值去调节管网平衡，其核心是采用两个流量冲量作为计算依据。优点是可以实现管网间水力平衡解耦，避免管网支路的多次反复调节；同时对平衡判断指标进行了模化，无论两个支路间热负荷比值是多大，只要平衡系数为1就表示两者平衡，直观简单，物理意义明显。其主要计算基本方程如下：

热力计算基本方程为

    （1）

水力计算基本方程为

    （2）

平衡判断基本方程为

    （3）

式中：F、δ—建筑物的建筑面积、建筑物热指标；

L_nc、L_0c—第n个待调支路、参考支路的流量测量值；

L_n1、L₀₁—第n个待调支路、参考支路的流量理论值；

t_g、t_h——室内暖气供、回水温度设计值；

ξ—平衡系数。

F和δ是设定值，通过人机界面输入；L_nc、L_0c是流量测量值，通过无线传输采集到控制器。4者共同输入电脑进行水力平衡计算判断。流量采集和平衡判断计算频率为1s，一次正常的平衡调节需要大约300次计算，相当于手动计算2h的工作量。

2.4 人机界面设计

为了准确、快速调节管网平衡，调节过程分为粗调和细调，人机界面设计如图4所示。调节初期观察平衡系数的“指针显示”进行快速粗调；调节后期使用“数字显示”进行精确细调；调节末期使用“曲线图”来判断调节质量，当平衡系数在10s内波动不超过±5%时调节过程完成，此时输出“合格”字样，“合格”判断过程由电脑自动完成。

图4 人机界面

3 实际使用效果

在内蒙和河北等地热力公司对仪器经过为期3年的测试和技术推广，共调试供热面积600m²。以最低的成本成功快速解决多个热力公司管网水力平衡问题，消除了因为水力不平衡造成的热用户冷热不均、投诉率高、收费难、设备利用率低和热能浪费等问题。以张家口市某热力公司为例，其经济效益显著，用户投诉率大幅降低，收费率和设备利用率提升明显，电耗和热耗下降较大，如表1所示。

表1 热力公司水力平衡调节效果

4 结束语

1）采用无线数传和GRPSDTU相结合的方式，成功实现流量信息无盲区无线采集，解决了水力平衡调节测点布线难的问题。

2）采用平板电脑作为智能控制器自动采集流量信息和自动计算判断水力平衡，解决了人工流量统计和平衡判断计算工作量庞大的问题。

3）采用项目组提出的基于双冲量超声波流量计的“平衡系数法”做为控制策略，调节一次完成，平衡判断简洁明了。

4）采用廉价关断阀作为执行器，采用巡检方式测量管网流量，大大降低了管网控制成本。