一種公路橋梁熱力管道防冰系統(tǒng)控制裝置及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種公路橋梁熱力管道防冰系統(tǒng)控制裝置及控制方法。本發(fā)明控制裝置包括安裝于各熱水鍋爐與鋪設在橋面層下熱力管道之間的連接總管道上的變頻水泵；還包括橋面溫度傳感器，橋體溫度傳感器，天空輻射溫度傳感器、大氣溫濕度傳感器和風速傳感器，熱力管道總管流量計、供液溫度傳感器、回液溫度傳感器；各傳感器與控制器連接，控制器與各熱水鍋爐、水泵變頻器連接。本發(fā)明控制方法主要包括啟動階段控制步驟、防冰運行階段控制步驟和系統(tǒng)停止控制步驟。本發(fā)明節(jié)能降耗、防冰效果好、能自動運行，對水泵進行升、降頻調(diào)節(jié)，對熱水鍋爐及系統(tǒng)進行關?？刂啤?br> 【專利說明】一種公路橋梁熱力管道防冰系統(tǒng)控制裝置及控制方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于交通運輸安全與應急保障【技術領域】，具體涉及一種公路橋梁熱力管道防冰系統(tǒng)控制裝置及控制方法。

【背景技術】
[0002]每到冬季，我國大部分地區(qū)會出現(xiàn)冰凍、雨雪天氣，高速公路上的橋梁、隧道口等局部區(qū)域由于其環(huán)境特殊，結冰現(xiàn)象會更加嚴重，此時行駛在此種路面上的汽車容易因車輪打滑而造成嚴重的交通安全事故。傳統(tǒng)的除冰雪方法主要包括機械除冰法、傳統(tǒng)融雪劑除冰法和電纜加熱除冰法以及熱力管道防冰法。
[0003]機械除冰法雖然具有效力高、機動性強的優(yōu)點，但機械成本高，由于需要人工操作在惡劣氣象條件下，存在較大的安全隱患，工作時需要封閉公路影響交通，對路面有巨大的損傷并且除冰不及時。傳統(tǒng)融雪劑除冰會加快路面破損，降低路面的使用壽命。
[0004]電纜加熱除冰法是近年出現(xiàn)的一種在道路面層和基層之間加鋪電加熱裝置，通過調(diào)整工作電壓或電流達到電加熱裝置發(fā)熱的目的而實現(xiàn)除冰。此種方法存在安裝和后期維護不便、工作能耗過高等缺點。
[0005]熱力管道防冰法是通過在橋面下層設置熱力管道，通過鍋爐等熱源加熱溶液，在橋體的鋪面層下循環(huán)，使橋面升溫從而防止結冰的一種技術。但橋面融防冰系統(tǒng)總體負荷很大，現(xiàn)有技術存在加熱不及時或停止時間不恰當?shù)仍?，造成能耗過大，橋面過熱且有時反應不及時導致路面結冰或起不到防冰效果等缺點。
[0006]因此，有必要設計一種新型的用于公路橋梁防冰除冰裝置及方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的之一在于針對現(xiàn)有熱力管道防冰技術中存在的上述缺陷，提供一種節(jié)能降耗、防冰效果好、能自動運行的公路橋梁熱力管道防冰系統(tǒng)控制裝置。
[0008]本發(fā)明的上述目的是通過如下的技術方案來實現(xiàn)的；該公路橋梁熱力管道防冰系統(tǒng)控制裝置，包括安裝于各熱水鍋爐與鋪設在橋面層下熱力管道之間的連接總管道上的變頻水泵；它還包括安裝于橋面上的橋面溫度傳感器，安裝于橋體內(nèi)部的橋體溫度傳感器，安裝于橋上的天空輻射溫度傳感器、大氣溫濕度傳感器和風速傳感器，安裝于熱力管道總管進出口位置的流量計、供液溫度傳感器、回液溫度傳感器；所述橋面溫度傳感器、橋體溫度傳感器、天空輻射溫度傳感器、大氣溫濕度傳感器、風速傳感器、供液溫度傳感器、回液溫度傳感器的輸出端均分別與控制器的輸入端連接，控制器的輸出端與各熱水鍋爐、水泵變頻器連接。
[0009]本發(fā)明的目的之二在于提供基于上述公路橋梁熱力管道防冰系統(tǒng)控制裝置的控制方法，該方法包括啟動階段控制步驟、防冰運行階段控制步驟和系統(tǒng)停止控制步驟；其中:
[0010]所述啟動階段控制步驟是，由天空輻射溫度傳感器、大氣溫濕度傳感器、風速傳感器、橋面溫度傳感器、橋體溫度傳感器、熱力管道總管流量計、供液溫度傳感器、回液溫度傳感器、控制器構成的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)計算得到橋面表層凈得熱量％；
[0011]如橋面表層凈得熱量％? = 0，則判斷橋面溫度是否高于1.01，如高于則加熱系統(tǒng)不需要投入運行；如低于1.01，則啟動一臺鍋爐運行，水泵則按額定頻率運行30分鐘后，進入防冰運行狀態(tài)；
[0012]如橋面表層凈得熱量％〈0，則判斷橋面溫度是否高于2.51，若高于2.51則不需啟動熱源運行；若橋面溫度低于2.51，計算所需啟動鍋爐的臺數(shù)，按照所需鍋爐臺數(shù)啟動熱源及水泵運行，水泵按額定頻率運行30分鐘后，進入防冰運行狀態(tài)；
[0013]所述防冰運行階段控制步驟是，首先根據(jù)各傳感器的信號數(shù)據(jù)計算出橋面表層凈得熱量％和熱力管道實際供熱量04，再將橋面表層凈得熱量％與熱力管道實際供熱量對比，以橋面表層凈得熱量％與熱力管道實際供熱量的差值為基礎來調(diào)節(jié)水泵的頻率升、降，并依據(jù)天空輻射溫度和大氣溫度變化方向的不同和大小程度不一樣采用不同的頻率升、降方案進行調(diào)節(jié)；
[0014]水泵運行頻率確定后，判斷回水溫度是否高于設定值，如高于則減少一臺鍋爐運行，判斷是否滿足系統(tǒng)停止控制步驟，滿足則進入停止狀態(tài)；判斷回水溫度是否低于設定值，如低于則新投入一臺鍋爐運行，直至所有鍋爐均投入運行；
[0015]所述系統(tǒng)停止控制步驟是，如果橋面溫度高于3.01且持續(xù)保持在30分鐘以上且運行負荷低于鍋爐出力的30%，則整個系統(tǒng)停止運行。
[0016]具體的，所述啟動階段控制步驟中，橋面表層凈得熱量(?的計算過程是:
[0017](1)根據(jù)天空輻射溫度及橋面溫度計算橋面向天空的輻射熱損失0。，橋面溫度低于天空輻射溫度則0。為正，反之為負；
[0018](2)根據(jù)橋面風速和大氣的溫度與濕度及橋面溫度計算橋表面的對流輻射換熱量I，橋表面溫度低于大氣溫度則I為正，反之為負；
[0019](3)根據(jù)橋體溫度和橋面溫度計算橋本體的瞬時得失熱量，橋體溫度高于橋表面溫度則02為正，反之為負；
[0020](4)計算橋面表層凈得熱量03 =。
[0021]具體的，所述防冰運行階段控制步驟中，水泵頻率升、降的調(diào)節(jié)方案是:
[0022](一 )如熱力管道實際供熱量％大于或等于橋面表層凈得熱量％，則按如下方案運行:
[0023](1)30分鐘內(nèi)天空輻射溫度每上升11，水泵運行頻率下降10取，判斷是否低于最小運行頻率，如低于水泵最低運行頻率則按最低運行頻率運行；
[0024](2)30分鐘內(nèi)天空輻射溫度每下降11，水泵運行頻率上升5取，判斷是否高于最大運行頻率，如高于水泵最高運行頻率則按最高運行頻率運行；
[0025](3)30分鐘內(nèi)橋面溫度每上升11，水泵運行頻率下降5取，判斷是否低于最小運行頻率，如低于水泵最低運行頻率則按最低運行頻率運行；
[0026](4)30分鐘內(nèi)橋面溫度每下降11，水泵運行頻率上升5取，判斷是否高于最大運行頻率，如高于水泵最大運行頻率則按最高運行頻率運行；
[0027]( 二)如熱力管道實際供熱量％小于橋面表層凈得熱量％，則按如下方案運行:
[0028](1)30分鐘內(nèi)天空輻射溫度每上升11，水泵運行頻率上升5取，判斷是否高于最大運行頻率，如高于水泵最大運行頻率則按最大運行頻率運行；
[0029](2)30分鐘內(nèi)天空輻射溫度每下降1°C，水泵運行頻率上升15Hz，判斷是否高于最大運行頻率，如高于水泵最高運行頻率則按最高運行頻率運行；
[0030](3)30分鐘內(nèi)橋面溫度每上升1°C，水泵運行頻率上升2Hz，判斷是否高于最大運行頻率，如高于水泵最大運行頻率則按最大運行頻率運行；
[0031](4)30分鐘內(nèi)橋面溫度每下降1°C，水泵運行頻率上升10Hz，判斷是否高于最大運行頻率，如高于水泵最大運行頻率則按最高運行頻率運行。
[0032]本發(fā)明采用布置橋面附近的天空輻射溫度傳感器、大氣溫濕度傳感器、風速傳感器、橋面溫度傳感器、橋體溫度傳感器、熱力管道總管上布置流量計及進出口溶液溫度傳感器獲知系統(tǒng)參數(shù)，計算出熱力管道實際供熱量，橋面表層瞬時凈得熱量。根據(jù)實際供熱量和凈得熱量計算并控制鍋爐啟動與投入的加熱功率，完成系統(tǒng)啟動階段的控制。啟動加熱系統(tǒng)30分鐘后轉入系統(tǒng)防冰運行階段。在防冰運行階段再根據(jù)熱量供需的平衡以及天空輻射溫度及大氣溫度變化的規(guī)律，實時調(diào)整水泵的運行頻率以及增開或停開鍋爐的臺數(shù)。實時判斷是否滿足系統(tǒng)停止的條件，如滿足系統(tǒng)停止運行的條件，則停止系統(tǒng)的運行。
[0033]本發(fā)明為熱力管道防冰系統(tǒng)提供了一種新的控制裝置及控制方法，能實現(xiàn)節(jié)能降耗、防冰效果好、自動控制運行的目的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]圖1為本發(fā)明防冰系統(tǒng)控制裝置的原理結構示意圖。
[0035]圖2為本發(fā)明防冰系統(tǒng)啟動階段控制流程圖。
[0036]圖3為本發(fā)明防冰系統(tǒng)防冰運行控制流程圖。

【具體實施方式】
[0037]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細的描述。
[0038]參見圖1，本發(fā)明實施例的公路橋梁熱力管道防冰系統(tǒng)控制裝置，包括安裝于各熱水鍋爐1與鋪設在橋面層下熱力管道2之間的連接總管道上的變頻水泵3 ;它還包括安裝于橋面上的橋面溫度傳感器6，安裝于橋體內(nèi)部的橋體溫度傳感器10，安裝于橋上的天空輻射溫度傳感器11、大氣溫濕度傳感器12和風速傳感器13，安裝于熱力管道2總管進出口位置的流量計4、供液溫度傳感器5、回液溫度傳感器7 ;橋面溫度傳感器6、橋體溫度傳感器10、天空輻射溫度傳感器11、大氣溫濕度傳感器12、風速傳感器13、供液溫度傳感器5、回液溫度傳感器7的輸出端均分別與控制器8的輸入端連接，控制器8的輸出端與各熱水鍋爐1、水泵3的變頻器9連接。
[0039]結合圖2、圖3，本發(fā)明實施例的公路橋梁熱力管道防冰系統(tǒng)控制方法將整個控制分成兩個階段，分別為啟動控制階段和防冰運行控制階段。不同階段采取不同的控制步驟。圖2為啟動階段的控制流程圖，圖3是防冰運行階段的控制流程圖。
[0040](1)啟動階段控制步驟:
[0041]1)根據(jù)天空輻射溫度及橋面溫度計算橋面向天空的輻射熱損失％(橋表面溫度低于天空輻射溫度則Qc)為正，反之為負)；
[0042]2)根據(jù)橋面風速和大氣的溫度與濕度及橋面溫度計算橋表面的對流輻射換熱量I (橋表面溫度低于大氣溫度則I為正，反之為負)；
[0043]3)根據(jù)橋體溫度和橋面溫度計算橋本體的瞬時得(失)熱量(? (橋體溫度高于橋表面溫度則％為正，反之為負)；
[0044]4)計算橋面表層凈得熱量(? =如凈得熱量03? = 0說明橋面表層得熱，橋表面層溫度將上升；判斷橋面溫度是否高于1.01，如高于則加熱系統(tǒng)不需要投入運行；如低于1.01，則啟動一臺鍋爐運行，水泵則按額定頻率(一般為50?)運行30分鐘后，進入防冰運行狀態(tài)；
[0045]如果橋面表層凈得熱量％〈0，說明橋面表層在散熱，橋面溫度將會下降，此時判斷橋面溫度是否高于2.51，若高于2.51則不需啟動熱源運行；若橋面溫度低于2.51，計算所需啟動鍋爐的臺數(shù)，按照所需鍋爐臺數(shù)啟動熱源及水泵運行，水泵按額定頻率(一般為50?)運行30分鐘后，進入防冰運行狀態(tài)。
[0046](2)防冰運行控制步驟:
[0047]首先根據(jù)傳感器的信號數(shù)據(jù)計算出橋面層瞬時所需供熱量即橋面表層凈得熱量03和熱力管道實際供熱量04。
[0048]如瞬時實際供熱量大于或等于所需供熱量，則按如下方案運行:
[0049]1)30分鐘內(nèi)天空輻射溫度每上升11，水泵運行頻率下降10取，判斷是否低于最小運行頻率，如低于水泵最低運行頻率則按最低運行頻率運行；
[0050]2)30分鐘內(nèi)天空輻射溫度每下降11，水泵運行頻率上升5取，判斷是否高于最大運行頻率，如高于水泵最高運行頻率則按最高運行頻率運行；
[0051]3)30分鐘內(nèi)橋面溫度每上升水泵運行頻率下降5取，判斷是否低于最小運行頻率，如低于水泵最低運行頻率則按最低運行頻率運行；
[0052]4)30分鐘內(nèi)橋面溫度每下降11，水泵運行頻率上升5取，判斷是否高于最大運行頻率，如高于水泵最大運行頻率則按最高運行頻率運行；
[0053]如瞬時實際供熱量小于所需供熱量(頻率上升)，則按如下方案運行:
[0054]1)30分鐘內(nèi)天空輻射溫度每上升11，水泵運行頻率上升5取，判斷是否高于最大運行頻率，如高于水泵最大運行頻率則按最大運行頻率運行；
[0055]2)30分鐘內(nèi)天空輻射溫度每下降11，水泵運行頻率上升15取，判斷是否高于最大運行頻率，如高于水泵最高運行頻率則按最高運行頻率運行；
[0056]3)30分鐘內(nèi)橋面溫度每上升11，水泵運行頻率上升2取，判斷是否高于最大運行頻率，如高于水泵最大運行頻率則按最大運行頻率運行；
[0057]4)30分鐘內(nèi)橋面溫度每下降11，水泵運行頻率上升10取，判斷是否高于最大運行頻率，如高于水泵最大運行頻率則按最高運行頻率運行；
[0058]水泵運行頻率確定后，判斷回水溫度是否高于設定值，如高于則減少一臺鍋爐運行，判斷是否滿足停止控制步驟，滿足則進入停止狀態(tài)；判斷回水溫度是否低于設定值，如低于則新投入一臺鍋爐運行，直至所有鍋爐均投入運行。
[0059](3)系統(tǒng)停止控制步驟:
[0060]判據(jù):橋面持續(xù)溫度高于3.01達30分鐘，一次停開一臺鍋爐，如目前只有一臺鍋爐運行，且運行負荷低于鍋爐出力的30%，則整個系統(tǒng)停止運行。
【權利要求】
1.一種公路橋梁熱力管道防冰系統(tǒng)控制裝置，包括安裝于各熱水鍋爐與鋪設在橋面層下熱力管道之間的連接總管道上的變頻水泵；其特征在于:它還包括安裝于橋面上的橋面溫度傳感器，安裝于橋體內(nèi)部的橋體溫度傳感器，安裝于橋上的天空輻射溫度傳感器、大氣溫濕度傳感器和風速傳感器，安裝于熱力管道總管進出口位置的流量計、供液溫度傳感器、回液溫度傳感器；所述橋面溫度傳感器、橋體溫度傳感器、天空輻射溫度傳感器、大氣溫濕度傳感器、風速傳感器、供液溫度傳感器、回液溫度傳感器的輸出端均分別與控制器的輸入端連接，控制器的輸出端與各熱水鍋爐、水泵變頻器連接。
2.一種基于權利要求1所述公路橋梁熱力管道防冰系統(tǒng)控制裝置的控制方法，其特征在于:它包括啟動階段控制步驟、防冰運行階段控制步驟和系統(tǒng)停止控制步驟；其中: 所述啟動階段控制步驟是，由天空輻射溫度傳感器、大氣溫濕度傳感器、風速傳感器、橋面溫度傳感器、橋體溫度傳感器、熱力管道總管流量計、供液溫度傳感器、回液溫度傳感器、控制器構成的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)計算得到橋面表層凈得熱量Q3 ； 如橋面表層凈得熱量Q3> = 0，則判斷橋面溫度是否高于1.0°C，如高于則加熱系統(tǒng)不需要投入運行；如低于1.0°c，則啟動一臺鍋爐運行，水泵則按額定頻率運行30分鐘后，進入防冰運行狀態(tài)； 如橋面表層凈得熱量Q3〈0，則判斷橋面溫度是否高于2.5°C，若高于2.5°C則不需啟動熱源運行；若橋面溫度低于2.5°C，計算所需啟動鍋爐的臺數(shù)，按照所需鍋爐臺數(shù)啟動熱源及水泵運行，水泵按額定頻率運行30分鐘后，進入防冰運行狀態(tài)； 所述防冰運行階段控制步驟是，首先根據(jù)各傳感器的信號數(shù)據(jù)計算出橋面表層凈得熱量Q3和熱力管道實際供熱量Q4，再將橋面表層凈得熱量Q3與熱力管道實際供熱量Q4對比，以橋面表層凈得熱量Q3與熱力管道實際供熱量Q4的差值為基礎來調(diào)節(jié)水泵的頻率升、降，并依據(jù)天空輻射溫度和大氣溫度變化方向的不同和大小程度不一樣采用不同的頻率升、降方案進行調(diào)節(jié)； 水泵運行頻率確定后，判斷回水溫度是否高于設定值，如高于則減少一臺鍋爐運行，判斷是否滿足系統(tǒng)停止控制步驟，滿足則進入停止狀態(tài)；判斷回水溫度是否低于設定值，如低于則新投入一臺鍋爐運行，直至所有鍋爐均投入運行； 所述系統(tǒng)停止控制步驟是，如果橋面溫度高于3.0°C且持續(xù)保持在30分鐘以上且運行負荷低于鍋爐出力的30%，則整個系統(tǒng)停止運行。
3.根據(jù)權利要求2所述公路橋梁熱力管道防冰系統(tǒng)控制方法，其特征在于:所述啟動階段控制步驟中，橋面表層凈得熱量Q3的具體計算過程是: (1)根據(jù)天空輻射溫度及橋面溫度計算橋面向天空的輻射熱損失％，橋面溫度低于天空輻射溫度則Qo為正，反之為負； (2)根據(jù)橋面風速和大氣的溫度與濕度及橋面溫度計算橋表面的對流輻射換熱量Q1;橋表面溫度低于大氣溫度則Qi為正，反之為負； (3)根據(jù)橋體溫度和橋面溫度計算橋本體的瞬時得失熱量Q2，橋體溫度高于橋表面溫度則Q2為正，反之為負； (4)計算橋面表層凈得熱量(?= Q2_Q0_Qi °
4.根據(jù)權利要求2所述公路橋梁熱力管道防冰系統(tǒng)控制方法，其特征在于:所述防冰運行階段控制步驟中，水泵頻率升、降的調(diào)節(jié)方案具體是: (一)如熱力管道實際供熱量Q4大于或等于橋面表層凈得熱量Q3，則按如下方案運行: (1)30分鐘內(nèi)天空輻射溫度每上升1°C，水泵運行頻率下降10Hz，判斷是否低于最小運行頻率，如低于水泵最低運行頻率則按最低運行頻率運行； (2)30分鐘內(nèi)天空輻射溫度每下降1°C，水泵運行頻率上升5Hz，判斷是否高于最大運行頻率，如高于水泵最高運行頻率則按最高運行頻率運行； (3)30分鐘內(nèi)橋面溫度每上升1°C，水泵運行頻率下降5Hz，判斷是否低于最小運行頻率,如低于水泵最低運行頻率則按最低運行頻率運行； (4)30分鐘內(nèi)橋面溫度每下降1°C，水泵運行頻率上升5Hz，判斷是否高于最大運行頻率,如高于水泵最大運行頻率則按最高運行頻率運行； (二)如熱力管道實際供熱量Q4小于橋面表層凈得熱量Q3,則按如下方案運行: (1)30分鐘內(nèi)天空輻射溫度每上升1°C，水泵運行頻率上升5Hz，判斷是否高于最大運行頻率，如高于水泵最大運行頻率則按最大運行頻率運行； (2)30分鐘內(nèi)天空輻射溫度每下降1°C，水泵運行頻率上升15Hz，判斷是否高于最大運行頻率，如高于水泵最高運行頻率則按最高運行頻率運行； (3)30分鐘內(nèi)橋面溫度每上升1°C，水泵運行頻率上升2Hz，判斷是否高于最大運行頻率,如高于水泵最大運行頻率則按最大運行頻率運行； (4)30分鐘內(nèi)橋面溫度每下降1°C，水泵運行頻率上升10Hz，判斷是否高于最大運行頻率,如高于水泵最大運行頻率則按最高運行頻率運行。
【文檔編號】E01C11/26GK104404872SQ201410764308
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年12月11日 優(yōu)先權日:2014年12月11日
【發(fā)明者】李孔清, 鄒聲華, 張登春, 張坻 申請人:湖南科技大學