具有能量計量功能的動態平衡電動調節閥控制方法及閥門的製作方法
2023-06-06 02:51:01 2
專利名稱：具有能量計量功能的動態平衡電動調節閥控制方法及閥門的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種閥門控制方法及閥門。更具體地說，本發明涉及一種具有能量計量功能的智能型動態平衡電動調節閥控制方法及閥門。
背景技術：
高檔建築物全年耗能中50％～65％消耗於中央空調系統，變流量空調系統與定流量空調系統相比較，水泵及冷卻塔設備平均可節能60％～80％、製冷主機可節能10％～40％。但是空調變流量水系統中普遍存在著水力失調現象，管網水力的不平衡容易造成系統能源的大量浪費和設運行噪聲的增加。採用智能型動態平衡電動調節閥控制技術是解決複雜管網水力系統平衡的最佳方法。為了緩解能源緊張，創建節約型社會，必須將中央空調系統的智能控制、能量計量和水力平衡技術保持整體的和諧發展。
目前公知的用於中央空調冷熱量計量的原理和方法可分為三大類，即時間簡單累計法、風側溫差流量積算法、水側溫差流量積算法。其中水側溫差流量積算法的能量計量理論完善，精度高，運行穩定可靠，目前有很多的成熟技術和系列化的單一產品。基於這種原理的冷熱量計量表主要由流量傳感器、配對溫度傳感器和積算器(控制器)三部分組成。按流量傳感器形式的不同，這類能量表還分為機械葉輪式、超聲波式和電磁式三種型號。其中機械葉輪式能量計量表因機械結構中存在有微型可動部件，對水介質的要求較高，在安裝上要求配套過濾器以防雜質對表的損傷。機械式能量表因其測量原理和結構簡單，價格低廉，精度一般，目前已經大量應用在風機盤管的計量之中。而超聲波式和電磁式的小口徑能量表因價格、技術等因素的影響，很少有普及應用。
以FlowCon、DANFOSS為代表的世界著名品牌動態平衡型電動調節閥產品(包括普通電動調節閥與機械式壓差/流量平衡控制閥組合而成的非一體化動態平衡電動調節閥)，其本質上是一種具有機械自力式壓差/流量自動平衡控制功能的電動調節閥(或稱電動動態調節閥、或稱壓力無關型電動調節閥)，其動態壓差平衡的機械原理十分簡單，即當一體型動態平衡電動調節閥或非一體型動態平衡電動調節閥的兩端壓差DP＝P1-P3隨機變化時，利用壓差平衡控制器通過機械方式改變DP2＝P2-P3的差值確保DP1＝P1-P2自動恆定(壓差控制後置式原理)。或者，利用壓差平衡控制器通過機械方式改變DP1＝P1-P2的差值確保DP2＝P2-P3自動恆定(壓差控制前置式原理)。
對於目前主導市場的幾個世界品牌部分動態平衡電動調節閥產品，經過我們的測試和研究發現，大部分產品其動態平衡電動調節閥部分的調節特徵曲線本質上不是等百分比調節特性。
目前大量應用的動態平衡電動調節閥產品普遍採用彈簧機械自力式的實現原理，因而存在通流能力明顯偏小、動態平衡壓差控制範圍小、應用不靈活、工作壓差起始值偏高，總體耗能偏高(由於DP＝DP1+DP2，實際使用時須犧牲壓差控制器的壓力來維持電動調節部分的壓差自動恆定。顯然犧牲壓差控制器的壓力也是浪費能耗)。
模擬量電動調節蝶閥(或模擬量電動調節球閥)因其結構簡單、製造容易、通流能力大等優點而被廣泛應用於流體流動的控制。如果將閥門高級控制方法嵌入到智能控制器，並結合微型壓差傳感器、溫差傳感器(或配對溫度傳感器)、模擬量電動調節蝶閥進行一體化組合，構成一種具有能量計量功能的智能動態平衡型電動調節閥。
採用這種起始工作壓差值很低的高級智能型動態平衡電動調節閥時，空調管網水系統綜合節能效果可達10％～55％。
目前公知的還沒有發現一種具有能量計量功能的動態平衡電動調節閥控制方法及閥門。
發明內容
本發明的主要目的在於克服現有技術中的不足，提供一種智能動態平衡電動調節閥控制方法。本發明更進一步的目的在於提供一種具有能量計量功能的動態平衡電動調節閥。
為了解決上述技術問題，本發明是通過以下技術方案實現的本發明提供了一種具有能量計量功能的動態平衡電動調節閥控制方法(基於間接動態流量平衡法)，包括以下步驟
(1)在可實現數學函數計算和APID控制的通用智能控制器中設定閥門的動態平衡壓差最大值；(2)根據閥門的動態平衡壓差最大值和孔板面積設定動態平衡流量最大值；(3)設定閥門的理想調節特性為線性調節特性、等百分比調節特性或拋物線調節特性其中任意一種；(4)智能控制器對外部輸入的模擬信號進行數據採樣，讀入外部閥位行程值和溫差信號測量值；(5)將有量綱的外部閥位行程值模擬信號轉換成無量綱的閥位行程；(6)根據閥門的調節特性獲取無量綱的動態平衡壓差設定值，並轉換成有量綱的動態平衡壓差設定值；(7)將有量綱的動態平衡壓差測量值與有量綱的動態平衡壓差設定值進行比較，根據APID控制運算結果調節電動調節閥的開度，通過對動態平衡壓差的控制間接實現動態流量的平衡；(8)根據標準單位制有量綱化的動態平衡流量值和溫差信號值的乘積進行能量的積算。
本發明還提供了一種具有能量計量功能的動態平衡電動調節閥控制方法(基於直接動態流量平衡法)，包括以下步驟(1)在可實現數學函數計算和APID控制的通用智能控制器中設定閥門的動態流量平衡最大值；(2)根據閥門的動態流量平衡最大值和孔板面積設定動態平衡壓差最大值；(3)設定閥門的調節特性為線性調節特性、等百分比調節特性或拋物線調節特性其中任意一種；(4)智能控制器對外部輸入的模擬信號進行數據採樣，讀入外部閥位行程值和溫差信號測量值；(5)將外部閥位行程值模擬信號轉換成無量綱的閥位行程；(6)根據閥門調節特徵獲取無量綱的動態流量平衡設定值，並轉換成有量綱的動態流量平衡設定值；
(7)利用孔板面積和有量綱的動態平衡壓差測量值獲取有量綱的動態流量平衡測量值，並與設定值進行比較，根據APID控制運算結果調節模擬量電動調節閥的開度，直接實現動態流量的平衡；(8)根據標準單位制有量綱化的動態平衡流量值和溫差信號測量值的乘積進行能量的積算。
本發明進一步提供了一種具有能量計量功能的動態平衡電動調節閥，包括閥體和設於閥體中的電動調節閥組件2，所述閥體的內流道中設有孔板5，在孔板5前後的閥體壁上分別開設測壓咀7和測壓咀9；壓差傳感器10通過壓力傳送管8分別與測壓咀7和測量咀9相連；智能控制器11通過電纜線13分別與壓差傳感器10和設置於電動調節閥組件2上的電動執行器14、設置於閥體上的回水溫度傳感器15、設置於供水管路上的供水溫度傳感器16相連。
作為本發明的進一步改進，所述孔板5通過卡裝形式放置在閥體的內流道中。
作為本發明的進一步改進，所述閥體的內流道中設置固定板4，孔板5通過螺釘或螺栓直接裝配在固定板4上。
作為本發明的進一步改進，所述閥體分為前閥體6和後閥體1，前閥體6、電動調節閥組件2和後閥體1通過螺栓3依次連接。
作為本發明的進一步改進，所述電動執行器14是模擬量角行程電動執行器。
作為本發明的進一步改進，所述電動調節閥組件2是電動調節蝶閥組件或電動調節球閥組件。
作為本發明的進一步改進，所述的回水溫度傳感器15和供水溫度傳感器16是測量溫差的配對溫度傳感器。
作為本發明的進一步改進，所述閥體可以是等直徑的筒體或變直徑的筒體，閥體和設於閥體中的電動調節閥組件2在外部呈一體化的形狀。
與現有技術相比，本發明的有益效果是採用具有能量計量功能的動態平衡電動調節閥控制方法，智能控制器輸出模擬量信號通過電動執行器的角行程動作將電動調節閥組件中的閥體打開時，水從前閥體的流道入口流入，流經孔板後通過繞流蝶閥的閥體，最後從後閥體的流道出口流出，孔板的兩端設置測壓咀，用於測量孔板的動態壓差。利用智能控制器的數據採集功能讀入外部閥位行程值(即外部輸入的標準控制電信號開度值作為外部設定值)、水溫度差測量值(1)對於間接動態流量平衡法，利用特徵公式計算出孔板兩端的動態平衡壓差設定值，當孔板兩端的動態平衡壓差測量值與該設定值發生偏差時，利用APID控制方法調節模擬量電動蝶閥的開度，孔板兩端的動態平衡壓差自動控制在某動態設定值(這是一種通過外部模擬輸入方式給定的動態平衡壓差設定值)，從而間接實現了高精度的動態流量平衡；(2)對於直接動態流量平衡法，採用特徵公式計算出孔板的動態流量平衡設定值，當孔板的動態流量平衡測量值(利用動態平衡壓差測量值與孔板的面積換算即可得到該流量的測量值)與動態流量平衡設定值發生偏差時，利用APID控制方法直接調節電動閥的開度，閥門流量高精度自動控制在某動態設定值(這是一種動態可變的通過外部模擬輸入方式給定的流量設定值)，從而直接實現了高精度的動態流量平衡。
本發明的智能型動態平衡電動調節閥具有壓力無關型的理想閥門調節特性，併集成了空調冷熱量計量功能。且一體閥結構工藝簡單、工作壓差起始值小、通流能力大、使用壽命長、製造成本低廉，適合小批量多品種生產。
由於具有能量計量和動態平衡電動調節功能，應用於空調、供熱管網水系統時其綜合節能效果十分明顯。
圖1是本發明實施例中具有能量計量功能的動態平衡電動調節閥裝配示意圖。
附圖中1後閥體、2電動調節閥組件、3連接螺栓、4固定板、5孔板、6前閥體、7測壓咀、8壓力傳送管、9測壓咀、10壓差傳感器、11智能控制器、12接線端子、13電纜線、14模擬量電動執行器、15回水溫度傳感器、16供水溫度傳感器。
具體實施例方式
參考附圖1，下面將對本發明進行詳細描述。
圖中給出了一種具有能量計量功能的智能型動態平衡電動調節閥，包括電動調節閥組件2和與電動調節閥組件2相連的角行程模擬量電動執行器14，用來實施電動調節閥(如調節蝶閥、調節球閥)的模擬量調節。前閥體6、電動調節閥組件2、後閥體1依次連接，通過連接螺栓3配裝成一體。所述電動調節閥組件2是電動調節蝶閥組件，也可以選用電動調節球閥組件。閥體可以是等直徑的筒體或變直徑的筒體，閥體和設於閥體中的電動調節閥組件2在外部可以是呈一體化的形狀。
所述前閥體6的內流道內有孔板5，通過螺冒直接配裝在前閥體6內的固定板4上，當然也可以通過卡裝形式直接配裝在前閥體6的內流道。
前閥體6的外壁開設測壓咀9和測壓咀7，通過壓力傳送管8連接到壓差傳感器10的高壓端和低壓端，用以測量前閥體6內孔板5的兩端壓差(即孔板的動態平衡壓差)並變送成標準信號。
智能控制器11通過電纜線13分別與壓差傳感器10和設置於電動調節閥組件2上的電動執行器14、設置於閥體上的回水溫度傳感器15、設置於供水管路上的供水溫度傳感器16相連。回水溫度傳感器15、供水溫度傳感器16是測量溫差的配對溫度傳感器，可以採用配對PT500、配對PT1000，也可以採用DALLAS公司的配對數字溫度傳感器。
壓差傳感器10、智能控制器11、模擬量電動執行器14和動態平衡電動調節閥組件2共同構成了孔板壓差動態平衡控制裝置，從而實現流量的動態平衡。
智能控制器11可內嵌或者下載可進行能量積算與動態流量平衡控制集成的程序。利用該程序的高級計算，智能控制器11輸出標準控制信號通過電纜線13直接調節模擬量電動執行器14，通過調節電動閥的開度實現前閥體6內的孔板5流量的動態平衡控制。所述的間接流量動態平衡法屬於壓差平衡法。
這是一種典型的屬於壓力無關型的電子式動態平衡電動閥控制方法及閥門，進行控制的原理如下對於本發明的智能型動態平衡電動調節閥，可以引入一個調節閥閥位行程的「虛擬變量」x(即前文所述的外部閥位行程值)，它即對應於外部輸入的模擬信號。例如0～10VDC標準控制信號表示範圍x∈
、4～20mA標準控制信號表示x∈[4，20]。
假設動態平衡電動調節閥的無量綱閥位行程值變量X、無量綱流量Q、無量綱壓差ΔP，顯然可對它們進行單位化定義X∈
、Q∈
、ΔP∈
所述的無量綱的外部閥位行程值X是一個由外部輸入標準控制信號進行單位化的無量綱值，例如對於0～10VDC標準控制信號，可以取X＝x/10進行無量綱化。
由於調節閥的無量綱相對流量係數KVS＝1，所以有公式Q=KVSP=P---(1)]]>或者ΔP＝Q2(2)(1)對於線性特性Q＝X，ΔP＝X2(3)(2)對於等百分比特性(R常數，需單獨給定)Q＝RX-1，ΔP＝R2·(X-1)(4)對於公式(4)當然也可以採用近似擬合計算公式ΔP＝f(x)＝y表示，例如對於R＝5時的四階多項式擬合公式如下y＝1.014271057x4-.7317960344x3+.6015181377x2+.07302617232x+.04132977829 (4-1)(3)對於拋物線特性Q＝X2，ΔP＝X4(5)顯然，公式(3)～(5)就是實現閥門調節特性的無量綱特徵公式，其中公式(4)也可以採用各種近似擬合公式。
模擬量電動執行器14將模擬量動態平衡電動調節閥組件2中的閥體打開時，水從前閥體6流道入口流入，流經孔板5後通過繞流蝶閥閥體，最後從後閥體1的流道出口流出。孔板5的兩端設置測壓咀7和測壓咀9，用於測量孔板的兩端壓差。
所述的智能控制器11既可以採用通用型智能控制器產品，也可以專用智能控制器進行二次開發，智能控制器11還包括一些標準I/O接線端子12。智能控制器11可選用SIENENS公司的S7-200通用PLC產品並用STEP7進行高級編程實現，也可以採用多迴路智能調節儀表，或者基於嵌入式的單片機(MCU)進行二次開發組態、或者基於成熟DDC產品進行二次組態。
當外部閥位行程的電控信號x給定時(即外部輸入閥位設定值)，對應的無量綱閥位行程X也即給定。
(一)基於間接動態流量平衡法利用無量綱特徵計算公式(3)或公式(4)、或公式(5)計算出無量綱壓差ΔP的設定值。通過換算給出了有量綱的孔板兩端動態平衡壓差設定值(這是一種動態的設定值，即設定值隨外部輸入信號而改變)。當孔板5兩端的動態平衡壓差測量值與動態平衡壓差設定值發生偏差時，利用智能控制器11的內置APID控制方法通過改變電動調節蝶閥的開度實現孔板5的壓差控制在動態設定值，從而間接實現了高精度的動態流量平衡。同時利用動態流量平衡測量值與溫差測量值進行能量的積算。
(二)基於直接動態流量平衡法利用無量綱特徵計算公式(3)或公式(4)、或公式(5)計算出無量綱流量Q的設定值。通過換算給定了有量綱的孔板兩端的動態流量平衡設定值(這是一種動態的流量設定值，即設定值隨外部輸入信號而改變)。當孔板5兩端動態流量平衡的測量值(利用動態壓差測量值與孔板面積實現間接的流量測量)與動態流量平衡設定值發生偏差時，利用智能控制器11的內置APID控制方法通過改變電動調節蝶閥的開度，直接實現了孔板5的流量控制在動態設定值。同時利用動態流量平衡測量值與溫差測量值進行能量的積算。
本發明的智能型動態平衡電動調節閥控制流程如下(一)間接流量動態平衡法(1)數據初試化、控制器內部出廠設定閥門的調節特性、動態平衡壓差最大值DPMAX；(2)根據閥門動態平衡壓差最大值DPMAX和孔板面積計算閥門的動態流量平衡最大值FMAX，即FMAXx=KVSDPMAX;]]>(3)智能控制器讀入外部閥位行程值x及溫差測量值ΔT，將閥位行程x的模擬量控制信號轉換成無量綱的閥位行程值X；(4)利用閥門特徵計算公式計算出ΔP，換算成有量綱的DPMAX作為動態平衡壓差設定值，其中DPS＝DPMAX×ΔP。
例如對於等百分比調節特性取ΔP＝R2·(X-1)(R常數)，當然也可以採用函數ΔP＝R2·(X-1)的近似擬合公式ΔP＝f(x)＝y來實現。
(5)將動態平衡壓差測量值DPP與動態平衡壓差設定值DPS進行比較，APID調節控制模擬量電動調節閥的開度，從而間接實現了動態流量的平衡。
(6)能量的積算，具體在從t0時刻到t時刻能量積分公式如下E＝∫0Cw·ρw·Qw·ΔT·dt其中Cw表示單位轉換換算係數、ρw表示冷/熱水的密度、Qw表示電動閥的動態流量平衡測量值、ΔT表示溫差測量值。
(7)如果繼續運行，則返回步驟(2)。
(二)直接流量動態平衡法(1)數據初試化、控制器出廠內部設定閥門的調節特性、動態流量平衡最大值FMAX；(2)根據閥門的動態流量平衡最大值FMAX和孔板面積計算出閥門的動態平衡壓差最大值DPMAX，即DPMAX＝(FMAX/KVS)2；(3)智能控制器讀入外部閥位行程值x及溫差測量值ΔT，並將閥位行程x的模擬量控制信號轉換成無量綱的閥位行程值X；(4)利用閥門特徵計算公式計算出Q，換算成有量綱的FS作為動態流量平衡設定值，其中FS＝FMAX×Q，對於等百分比調節特性，取Q＝RX-1或者Q＝RX-1的近似擬合公式。
(5)利用孔板面積和動態平衡壓差測量值計算得到動態流量平衡測量FP；(6)將動態流量平衡測量值FP與動態流量平衡設定值FS進行比較，運行APID調節控制模擬量電動調節蝶閥的開度，直接實現動態流量的平衡。
(7)能量的積算。如果繼續運行，則返回步驟(2)。
本發明的智能電動調節閥具體技術參數舉例如下對於某DN80產品規格，設計動態平衡壓差範圍(16～400)KPa，孔板設計面積2620mm2，動態流量平衡最大值32m3/h。如果選用公式(4)實現理想的等百分比調節特性(取R＝50)，則對應的外部設定相對閥位值、平衡壓差、平衡流量數據如表1所示，相對外部閥位值與標準電信號的對應關係如表2。
表1
表2
對應同樣的孔板，只需設定控制器特徵公式，還可以實現線性特性、或者拋物線特性，且這些理想調節特性均屬於壓力無關型，同時智能閥還具有能量積算計量功能。
顯然，上述表格中的工作壓差起始值才16kPa，而動態流量平衡最大控制值可達到32m3/h，整體技術數據明顯優於目前進口品牌的機械型動態平衡電動調節閥。
顯然，本發明不限於以上實施例，還可以有許多變形。本領域的普通技術人員能從本發明公開的內容直接導出或聯想到的所有變形，均應認為是本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種具有能量計量功能的動態平衡電動調節閥控制方法，包括以下步驟(1)在可實現數學函數計算和APID控制的通用智能控制器中設定閥門的動態平衡壓差最大值；(2)根據閥門的動態平衡壓差最大值和孔板面積設定動態平衡流量最大值；(3)設定閥門的理想調節特性為線性調節特性、等百分比調節特性或拋物線調節特性其中任意一種；(4)智能控制器對外部輸入的模擬信號進行數據採樣，讀入外部閥位行程值和溫差測量值；(5)將有量綱的外部閥位行程值模擬信號轉換成無量綱的閥位行程；(6)根據閥門的調節特性獲取無量綱的動態平衡壓差設定值，並轉換成有量綱的動態平衡壓差設定值；(7)將有量綱的動態平衡壓差測量值與有量綱的動態平衡壓差設定值進行比較，根據APID控制運算結果調節電動調節閥的開度，通過對動態平衡壓差的控制間接實現動態流量的平衡；(8)根據標準單位制有量綱化的動態平衡流量值和溫差信號值的乘積進行能量的積算。
2.一種具有能量計量功能的動態平衡電動調節閥控制方法，包括以下步驟(1)在可實現數學函數計算和APID控制的通用智能控制器中設定閥門的動態流量平衡最大值；(2)根據閥門的動態流量平衡最大值和孔板面積設定動態平衡壓差最大值；(3)設定閥門的調節特性為線性調節特性、等百分比調節特性或拋物線調節特性其中任意一種；(4)智能控制器對外部輸入的模擬信號進行數據採樣，讀入外部閥位行程值和閥門通道內溫差測量值；(5)將外部閥位行程值模擬信號轉換成無量綱的閥位行程；(6)根據閥門調節特徵獲取無量綱的動態流量平衡設定值，並轉換成有量綱的動態流量平衡設定值；(7)利用孔板面積和有量綱的動態平衡壓差測量值獲取有量綱的動態流量平衡測量值並與設定值進行比較，根據APID控制運算結果調節模擬量電動調節閥的開度，直接實現動態流量的平衡；(8)根據標準單位制有量綱化的動態平衡流量值和溫差信號測量值的乘積進行能量的積算。
3.一種實現權利要求1或2所述的具有能量計量功能的動態平衡電動調節閥，包括閥體和設於閥體中的電動調節閥組件(2)，其特徵在於所述閥體的內流道中設有孔板(5)，在孔板(5)前後的閥體壁上分別開設測壓咀(7)和測壓咀(9)；壓差傳感器(10)通過壓力傳送管(8)分別與測壓咀(7)和測壓咀(9)相連；智能控制器(11)通過電纜線(13)分別與壓差傳感器(10)和設置於電動調節閥組件(2)上的電動執行器(14)、設置於閥體上的回水溫度傳感器(15)、設置於供水管路上的供水溫度傳感器(16)相連。
4.根據權利要求3所述的動態平衡電動調節閥，其特徵在於，所述孔板(5)通過卡裝形式放置在閥體的內流道中。
5.根據權利要求3所述的動態平衡電動調節閥，其特徵在於，所述閥體的內流道中設置固定板(4)，孔板(5)通過螺釘或螺栓直接裝配在固定板(4)上。
6.根據權利要求3所述的動態平衡電動調節閥，其特徵在於，所述閥體分為前閥體(6)和後閥體(1)，前閥體(6)、電動調節閥組件(2)和後閥體(1)通過螺栓(3)依次連接。
7.根據權利要求3所述的動態平衡電動調節閥，其特徵在於，所述電動執行器(14)是模擬量角行程電動執行器。
8.根據權利要求3所述的動態平衡電動調節閥，其特徵在於，所述電動調節閥組件(2)是電動調節蝶閥組件或電動調節球閥組件。
9.根據權利要求3所述的動態平衡電動調節閥，其特徵在於，所述的回水溫度傳感器(15)和供水溫度傳感器(16)是測量溫差的配對溫度傳感器。
10.根據權利要求3所述的動態平衡電動調節閥，其特徵在於，所述閥體可以是等直徑的筒體或變直徑的筒體，閥體和設於閥體中的電動調節閥組件(2)在外部呈一體化的形狀。
全文摘要
本發明公開了一種閥門控制方法及閥門，旨在提供具有能量計量功能的智能型動態平衡電動調節閥控制方法及實現該方法的閥門。通過採用該控制方法，電動執行器將蝶閥組件中的閥體打開時，水從前閥體的流道入口流入，流經孔板後通過繞流蝶閥的閥體，最後從後閥體的流道出口流出。孔板的兩端設置測壓咀，用於測量孔板的動態壓差。閥體和供水管路設溫度傳感器用於測量溫度差值，可進行能量計量。本發明的調節閥具體理想的閥門調節特性，且結構工藝簡單、工作壓差起始值小、通流能力大、使用壽命長、製造成本低廉，適合小批量多品種生產。由於具有能量計量和動態平衡電動調節功能，應用於空調、供熱管網水系統時其綜合節能效果十分明顯。
文檔編號F16K17/20GK1837996SQ20061004982
公開日2006年9月27日 申請日期2006年3月14日 優先權日2006年3月14日
發明者沈新榮, 朱文斌, 黎焱, 章威軍, 楊春節, 鬱輝球 申請人:浙江大學