專利名稱：用于控制從熱交換器流出的輸出流的溫度并測量所產(chǎn)生的熱量的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于通過初級回路中的初級流來控制從熱交換器流入次級回路中的至少一個輸出次級流的溫度的方法與裝置，這種控制通過一個控制元件來實現(xiàn)，這個控制元件受到一個控制單元的影響，并實現(xiàn)對初級流的調(diào)節(jié)。本發(fā)明還涉及一種對產(chǎn)生的功率和熱量進(jìn)行測量的方法。
本發(fā)明的背景技術(shù)及問題在地區(qū)水暖站的熱自來水輸送過程中，被集中加熱的水的初級流是由熱交換器實現(xiàn)加熱的，而在熱交換器中熱自來水的次級流將被加熱到一個恒定的溫度。地區(qū)水暖站將負(fù)責(zé)對次級側(cè)的恒定溫度進(jìn)行控制，這種控制可以由自動的機(jī)械方式實現(xiàn)，或者是由電子控制裝置來實現(xiàn)，它通過對次級側(cè)的反饋溫度測量，根據(jù)對次級側(cè)所希望的輸出溫度與實際輸出溫度之間的差進(jìn)行校正來控制溫度。只要使用了電子控制裝置，通常都要使用PI或是PID調(diào)節(jié)器，這種調(diào)節(jié)器根據(jù)次級側(cè)當(dāng)前的輸出溫度，通過關(guān)閉或開啟初級側(cè)的閥門來控制初級側(cè)的水流。這樣，初級側(cè)的加熱效果得到了控制，從而得到了具有所希望的輸出溫度的熱自來水。
無論機(jī)械還是電子控制系統(tǒng)都存在著一定的缺點，因為控制的速度達(dá)不到人們的預(yù)期，因此在次級側(cè)的溫度達(dá)到正確的輸出溫度之前可能會存在一定的時延。這種在次級回路的水龍頭位置的水溫達(dá)到正確的溫度之前出現(xiàn)控制滯后有可能會造成嚴(yán)重后果，例如加熱水的沸騰。
另一個缺點是，在實際應(yīng)用中，不可能針對所有的實際工作條件對調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行優(yōu)化，因此控制容易出現(xiàn)波動。地區(qū)供暖系統(tǒng)(即初級側(cè))的傳導(dǎo)溫度和不同壓力在一年當(dāng)中會沿著地區(qū)供暖線路的路徑而發(fā)生變化。
地區(qū)供暖系統(tǒng)的壓力波動部分取決于當(dāng)前距熱源的距離，部分取決于供熱中心在整個系統(tǒng)中的相對位置。調(diào)節(jié)器的動作是靜態(tài)設(shè)定的，因此無法根據(jù)實際工作過程中所有可能出現(xiàn)的情況對調(diào)節(jié)器進(jìn)行優(yōu)化，這將導(dǎo)致輸出溫度在不同工作條件下的波動，而溫度的波動例如將導(dǎo)致下列后果線路系統(tǒng)的微小影響就將引起水龍頭處水溫的變化，從而導(dǎo)致舒適程度的下降，尤其是在為單戶家庭供暖的情況下這種現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。
當(dāng)水溫超過60攝氏度時熱交換器的水垢沉積加劇，調(diào)節(jié)元件的損耗加劇。
妨害地區(qū)供熱系統(tǒng)的冷卻，這將大大增加生產(chǎn)成本。
在US 5,363,905提出的已知系統(tǒng)中，利用次級側(cè)的反饋溫度來影響初級側(cè)的調(diào)節(jié)閥門。這種解決方案可對初級側(cè)的壓力變化進(jìn)行糾正，但不能在次級側(cè)的熱自來水的水流波動期間對溫度進(jìn)行所希望的快速糾正。在此這種情況下，需要測量初級回路的壓縮過程中的壓力下降，以及測量初級側(cè)的壓力，同時還需測量初級側(cè)進(jìn)行熱交換之前和之后的水溫。因為在初級側(cè)需要兩個壓力表，這種系統(tǒng)相當(dāng)昂貴，而且在次級側(cè)的溫度突然發(fā)生變化時，無法在次級側(cè)提供快速的溫度調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)測量無法被激活，直至次級側(cè)的溫度下降，因此熱自來水的水溫通常將發(fā)生波動。
EP 0,526,884提出了一種基于示溫打印技術(shù)的調(diào)節(jié)機(jī)制，其中主要是通過對打印頭的電力傳輸進(jìn)行調(diào)整，以及對冷卻流進(jìn)行可調(diào)補(bǔ)償，來將打印頭控制到一個恒定的溫度。第一個溫度傳感器用于測量熱頭的溫度，第二個溫度傳感器用于測量流出的冷卻液體的溫度。系統(tǒng)通過對冷卻流的測量和調(diào)節(jié)，以及對流入和流出(加熱后)的冷卻流的溫度進(jìn)行測量來計算冷卻流中所帶走的熱量。
WO 96/17210中對地區(qū)供熱站的控制系統(tǒng)進(jìn)行了描述，其中包括溫度測量，為實現(xiàn)所希望的控制而對初級側(cè)的水流的測量，以及為計算能耗和用戶為此付費情況而進(jìn)行的測量等。在這個方案里，在次級側(cè)沒有進(jìn)行水流測量，這意味著次級側(cè)的輸出水溫很有可能會出現(xiàn)波動。
DE U 1 296,17,756公開了一種系統(tǒng)，其中在初級側(cè)采用分流控制技術(shù)，在初級側(cè)，熱交換器輸出的水流將被反饋到熱交換器的輸入流中。這個方案假設(shè)如果初級側(cè)熱交換器輸出流的溫度保持恒定，那么在次級側(cè)熱自來水的溫度也將保持恒定。這種假設(shè)肯定會引起次級側(cè)水溫的波動，原因是熱交換器的表面溫度一定會因為熱自來水而下降。而且，當(dāng)熱自來水的流量突然增加時，這個系統(tǒng)無法實現(xiàn)快速調(diào)整，因為調(diào)整機(jī)制只有在初級側(cè)的溫度下降以后才能開始發(fā)生作用。
在現(xiàn)有技術(shù)中并沒有考慮當(dāng)次級側(cè)的耗熱量突然發(fā)生變化時——例如當(dāng)流量逐漸增加時——系統(tǒng)需要進(jìn)行快速的反應(yīng)，因此即使考慮到了次級側(cè)的溫控，整個控制系統(tǒng)也還是會經(jīng)常受到波動的影響。盡管針對各種局部問題提出了許多獨立的解決方案，但是目前仍未有一個系統(tǒng)能夠提供一個獨特的解決方案實現(xiàn)穩(wěn)定的輸出，而無論它在地區(qū)供熱系統(tǒng)中處于什么位置。大多數(shù)對次級側(cè)溫度進(jìn)行控制的系統(tǒng)都由調(diào)節(jié)環(huán)路組成，調(diào)節(jié)環(huán)路將利用當(dāng)前溫度值的反饋信息，借此防止輸出溫度的測量值與期望值的偏離。所以，此類系統(tǒng)只有在得到的輸出溫度出現(xiàn)偏差后才會進(jìn)行調(diào)整。在檢測到到溫度發(fā)生偏差之前，系統(tǒng)必須處于等待狀態(tài)，因此，當(dāng)實際的耗熱量發(fā)生變化時，調(diào)節(jié)必然是滯后的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計一種用于熱交換系統(tǒng)的快速、穩(wěn)定的控制裝置，其中考慮到了熱交換系統(tǒng)初級側(cè)的各種可能發(fā)生的變化，包括輸入溫度和壓力的變化，無需對次級側(cè)的實際溫度值進(jìn)行反饋即可將用戶側(cè)水溫保持在恒定的溫度上。
該任務(wù)通過權(quán)利要求中所述的技術(shù)特征來解決。
本發(fā)明可避免次級側(cè)的溫度波動，其中在地區(qū)供熱站中的次級側(cè)的與熱水回路是一致的。在通常情況下，地區(qū)供熱站還具有用于散熱器和通風(fēng)系統(tǒng)的熱交換回路，對此本發(fā)明也可以很好地適用。在此類系統(tǒng)中，負(fù)荷的動態(tài)變化更為緩慢。
無論用戶的數(shù)量發(fā)生何種變化，本發(fā)明將提高系統(tǒng)對負(fù)荷變化的適應(yīng)性。而且，本發(fā)明可大大減少熱交換器中的水垢沉積問題，因為本發(fā)明的具有高精度的快速控制系統(tǒng)可防止水溫峰值超過60攝氏度。
如果要在用戶側(cè)得到溫度恒定的熱自來水，則必須要確定將次級側(cè)的水溫加熱(或者在冷卻系統(tǒng)中則是將次級側(cè)水溫降低)到希望值所需要的加熱功率。本發(fā)明的核心思想并不是對次級側(cè)輸出水溫的實際溫度與所希望溫度之間的偏差進(jìn)行動態(tài)糾正，控制系統(tǒng)可以在沒有次級側(cè)實際溫度值反饋的情況下進(jìn)行工作。
在大多數(shù)地區(qū)供熱系統(tǒng)中，無需設(shè)定調(diào)節(jié)參數(shù)即可對本發(fā)明設(shè)計的控制系統(tǒng)進(jìn)行安裝，這將大大節(jié)省安裝以及服務(wù)/微調(diào)所需要的時間。
在另一個實施例中，考慮到熱交換器中要加熱的輸入水溫的波動問題，本發(fā)明的處理步驟和裝置也適用于解決次級側(cè)發(fā)生改變的問題。本實施例可用于解決輸入冷水的溫度波動問題。(在通常情況下，假設(shè)水溫在很大程度上是一個恒定的值。)通過本實施例，相同的系統(tǒng)可用于很大的地理區(qū)域內(nèi)，本發(fā)明的系統(tǒng)經(jīng)過簡單的修改后，在輸入水溫發(fā)生波動時，還可用于對其它地區(qū)進(jìn)行校正。
本發(fā)明還可用于測量輸送功率與熱量，例如，用于計費或是計算能源消耗，并且，當(dāng)改當(dāng)了熱輸送的方向時，本發(fā)明也適用于冷卻系統(tǒng)。


下面，我們將以多個實施例的形式，參考下列附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
圖1a簡要示出了本發(fā)明的系統(tǒng)連接圖。
圖1b-d，舉例示出了圖1中所示系統(tǒng)的不同實施例。
圖2舉例示出了用于熱自來水以及熱引入水回路(HSWC)的不同系統(tǒng)。
圖3示出了一個地區(qū)供熱站連接圖的示例，包括熱自來水控制與散熱器水控制、熱量測量、故障檢測、告警以及與監(jiān)控系統(tǒng)間通信的功能。
圖4簡要示出了一個根據(jù)本發(fā)明的用于初級流控制與測量的集成液壓單元，包括閥門元件、壓差傳感器、溫度傳感器、以及一個控制閥門元件的控制元件，它可以與液壓單元集成在一起，或者也可以設(shè)置在液壓單元上。
圖5示出了一個用于熱交換回路的集成液壓單元的截面圖，此單元中包括了多項本發(fā)明所述的功能。
圖6示出了3個熱交換器，每一個熱交換器連接到一個集成液壓單元，為實現(xiàn)初級流的相互連接，熱交換器之間也相互連接，還包含三個用于次級流的獨立連接，以及一個公共控制單元。
具體實施例方式
圖1a示出了在有一個用戶的供熱站中本發(fā)明的應(yīng)用，此供熱站具有一個熱交換器1，它包括初級回路3和次級回路2。初級回路3的輸入初級流3i是來自于中央加熱系統(tǒng)的熱水；輸出初級流3u由循環(huán)水構(gòu)成。次級回路2的次級流2i是流入的凈水，由熱交換器1進(jìn)行加熱；流出的次級流2i是經(jīng)過加熱的熱自來水，流向終端用戶或顧客的水龍頭。如果不知道輸入次級流2i的水溫(例如，此溫度不是一個已知的恒溫)，在這種情況下，應(yīng)該在輸入次級流中設(shè)置一個溫度表進(jìn)行測量(如圖中虛線所示)。
最好在開放側(cè)安裝一個流量表4對次級流2i-2u進(jìn)行測量，而且流量表的信號應(yīng)提交給控制單元7。在初級側(cè)，設(shè)置第一個溫度表8用于測量輸入流3i的溫度，設(shè)置第二個溫度表9用于測量返回流3u。這兩個溫度表的輸出信號傳送給控制單元7。
為了在通過初級側(cè)對流3進(jìn)行控制，初級回路中設(shè)置了控制閥5，而且控制閥最好位于返回流3u的位置，原因是這樣可降低閥門的溫度并防止氣蝕(cauitatuon loads)。閥門開放的程度a是由控制元件25進(jìn)行調(diào)節(jié)的，控制元件25所接收到的控制信號是由控制單元7發(fā)出的。
在所示的實施例中，使用一個壓差表6對初級回路中的流3i-3u進(jìn)行測量，此壓差表連接在控制閥5的輸入端與輸出端之間。
在圖1b中示出了一個與圖1a相似的實施例，但是這里初級回路中的控制元件由泵11構(gòu)成，流3與泵的壓差之間的關(guān)系是預(yù)先確定的，作為泵的轉(zhuǎn)速的函數(shù)。泵的壓差A(yù)P是由壓差表6進(jìn)行測量的，控制單元7通過控制泵的轉(zhuǎn)速來得到所希望的初級流3。
另一種實施例如圖1c所示，其中利用流量表12對初級流3進(jìn)行測量以控制所希望的水流，通過調(diào)節(jié)閥門a的開放程度來得到符合要求的初級流(注意，利用實際的流量值的反饋來實現(xiàn)本地調(diào)節(jié)環(huán)路)。
圖1d中所示的實施例是第四種變型，在這種方案中，水流的測量受到一個固定壓縮元件13的影響，在壓縮元件上跨接一個量表6來測量壓縮元件兩端的壓力差。
在圖2所示的實施例中，次級側(cè)的輸入水2i由冷水和循環(huán)水混合而成，因此被稱為熱水的HSWC流。在這種方案中，輸入次級流2的溫度是經(jīng)常變化的，因此，方案中還包含一個用于測量次級流溫度Tsin的溫度表10。
圖3示出了一種用于地區(qū)供熱站中的本發(fā)明的實施例，其中包含了本發(fā)明中的多種功能。示例中的功能包含了熱自來水控制、散熱器水控制、各回路中傳送的總熱量的測量以及通過通信鏈路(com)將測量結(jié)果提交給外部監(jiān)控系統(tǒng)。熱交換器與供熱站其它元件之間的對話功能是通過在系統(tǒng)中交換測量信息以及與監(jiān)控中心通過(com)進(jìn)行通信來實現(xiàn)的，這是控制單元7功能的一部分。當(dāng)控制功能中需要實施控制和/或發(fā)生異常需要告警時，和/或需要對熱量值進(jìn)行測量時，傳感器將輸出次級流的溫度進(jìn)行測量(但傳感器的測量值并不用于系統(tǒng)對溫度穩(wěn)定性的動態(tài)控制)。
控制的基礎(chǔ)理論本發(fā)明的基本思想就是控制初級回路所產(chǎn)生/吸收的功率，將其控制為當(dāng)前希望施加給次級媒質(zhì)的功率/從次級媒質(zhì)帶走的功率，以改變輸入次級流的當(dāng)前溫度，使輸出次級流達(dá)到所希望的溫度。這是根據(jù)輸入初級流和輸出初級流之間的溫度差對初級回路中的水流進(jìn)行控制來實現(xiàn)的。
總的來說，對于熱交換器的初級回路和次級回路，有Q′＝m*(h(Tin)-h(Tout)) (A)其中Q’表示由回路向熱交換器輸送的功率，m表示回路的質(zhì)量流量，h(T)表示溫度為T的媒質(zhì)所包含的焓(即單位質(zhì)量中的熱能)，Tout表示輸出流的溫度，Tin表示輸入流的溫度。
式(A)也可以寫成Q′＝m*Cp*ΔT(A2)其中CP表示媒質(zhì)的熱容量，ΔT＝Tout-Tin。
Q’sek_desired表示為了使輸出次級流達(dá)到所希望的溫度而希望對次級側(cè)媒質(zhì)所施加的影響，用下列等式來表示-Qec_desired＝msec*(hsec(Tsec_out_desired)-hsec(Tsec_in)) (A3)其中msec表示次級回路的質(zhì)量流量，hsec(T)表示表示溫度為T的次級側(cè)媒質(zhì)所包含的焓，Tsec_out_desired表示輸出次級流所希望達(dá)到的溫度，Tsec_in表示輸入次級流的當(dāng)前溫度。
在熱交換的過程中存在功率平衡，初級側(cè)施加的功率Q’prim加上次級側(cè)施加的功率Q’sec再加上熱交換器吸收的泄漏功率Q’leak的總和等于熱交換器在單位時間內(nèi)存儲的能量Q’vx，即Q′vx＝Q′prim+Q′sec+Q′leak(B)本發(fā)明包括對從初級側(cè)產(chǎn)生的功率Q’prim的控制
Q′prim＝Q′sec_desired-Q′leak+Q′vx(B2)如果忽略泄漏功率的影響，則可將Q’leak置為0，即Q′prim＝Q′sec_desired+Q′vx(B3)Q’vx表示當(dāng)熱交換器中存儲的熱量發(fā)生變化時產(chǎn)生的動態(tài)影響，在負(fù)荷發(fā)生變化時，可以考慮通過Q’vx來解決問題。例如，一個系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)閥門實現(xiàn)控制，這種控制的調(diào)整速度相對較為遲緩。當(dāng)負(fù)荷突然減輕時，由于控制元件還沒有到達(dá)所希望的位置，初級側(cè)產(chǎn)生的熱能將超過希望產(chǎn)生的能量。所產(chǎn)生的“過剩熱能”一部分存儲在熱交換器中，并將導(dǎo)致輸出次級流溫度的暫時升高。但是可以通過熱交換器中的過剩熱能來對控制進(jìn)行補(bǔ)償，從而暫時減少初級側(cè)的功率供給，盡量減少溫度升高，直到過剩熱能完全由次級流帶走。
在穩(wěn)定狀態(tài)下，熱交換器中存儲的熱能是不變的，即Q’vx＝0，代入式(B3)則可得到Q′prim＝Q′sec_desired(B4)將(A)用于初級側(cè)，并將(A3)代入式(B4)，得到mprm_desired*(hprm(Tprim_in)-hprim(Tprim_out))＝msec*(hsec(Tsec_out_desired)-hsec(Tsec_in))(C)從式(C)消去mprim_desired可得到本發(fā)明的基本控制原理mprim_desired=msec*(hsec(Tsec_out_desired)-hsec(Tsec_in)hprim(Tprim_in)-hprim(Tprim_out))---(D)]]>根據(jù)近似化簡的不同程度，此基本控制原理有不同的表現(xiàn)形式，下面將給出控制原理的幾種簡化形式。在計算流量時一般采用容積流量的形式，在這種情況下不必對式(D)進(jìn)行任何修改；對于質(zhì)量流量m，有m＝q*ρ (E)其中q表示容積流量而ρ表示密度。因為ρ是與溫度相關(guān)的，因此在這種情況下通常需要考慮容積流量的溫度。假設(shè)在輸入側(cè)確定次級側(cè)的容積流量qsec，在輸出側(cè)確定初級側(cè)的所希望的流量Qprim_desired，將等式(E)代入等式(D)之后，可以解等式求得qsec_desired
qprim_desired=qsec*ρsec(Tsec_in)ρprim(Tprim_out)*(hsec(Tsec_out_desired)-hsec(Tsec_in)hprim(Tprim_in)-hprim(Tprim_out))---(F)]]>如果在其他位置確定容積流量，應(yīng)該在容積測量位置處的媒質(zhì)溫度應(yīng)用等式(E)。對于焓h(T)h(T)＝Cp*T(G)其中Cp是熱容量(即將單位質(zhì)量的媒質(zhì)溫度升高一度所需的能量)。
將等式(G)代入等式(F)，得到qprim_desired=qsec*ρsecρprim*Cp(sec)*ΔTsec_desiredCp(prim)*ΔTprim----(F2)]]>其中ΔTdesired＝Tsec_out_desired-Tsec_in，并且ΔTprim＝Tprim_in-Tprim_out。
由于初級回路和次級回路中使用的媒質(zhì)是相同的，因此與ρ和Cp相關(guān)的溫度可以被從式(F2)中消去(ρsec＝ρprim；Cp(sec)＝Cp(prim))，因此，等式(F2)可簡化為qprim_bo..r=qsec*ΔTsec_bo..rΔTprim---(F3)]]>這樣，可根據(jù)不同的近似方法對本發(fā)明進(jìn)行分析(例如，根據(jù)式D、F、F2或是F3進(jìn)行控制)。但這些表達(dá)式的共同點在于它們都基于一個參數(shù)組，這組參數(shù)表示進(jìn)入熱交換器(1)的初級流(3i)與流出熱交換器(1)的次級流3u之間的焓差(Δh)，例如，在實際應(yīng)用的溫度范圍內(nèi)，在初級媒質(zhì)中的函數(shù)h(T)上的多個點，以及Tprim_out，Tprim_in。用于所述焓差的可選特征參數(shù)組的一個例子是由在一定溫度范圍內(nèi)初級媒質(zhì)的熱容量Cp以及溫差ΔTprim構(gòu)成的。
相似地，根據(jù)本發(fā)明也可以對于次級回路(2)中的質(zhì)量流量(msec)和初級回路中的質(zhì)量流量(mprim)使用不同的特征參數(shù)組。
調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)根據(jù)已知特定結(jié)構(gòu)的水流特點，閥門5可以有不同的設(shè)計方案。閥門的示例包括座閥、滑閥、球形閥或是菌形閥。當(dāng)使用滑閥時，通過開啟/關(guān)閉調(diào)節(jié)螺桿對閥門進(jìn)行控制，閥門的開啟程度與螺桿的動程a基本成正比。
對每種類型的閥門，可以確定水流特性kv(a)，它與閥門的當(dāng)前壓差ΔPvalve以及通過閥門的流量Qvalve有關(guān)。因此，可以通過下列關(guān)系對流過閥門的流量進(jìn)行計算qvalve=kv(a)·ΔPventil---(H)]]>由此可解得kv(a)=qventilΔPventil----(I)]]>以及a=fcv(qventilΔPventil)---(J)]]>其中fcv(x)是kv(x)的反函數(shù)。
壓差測量閥門的控制功能在閥門工作時，可對閥門的位置進(jìn)行控制，從而得到正確的流量。對每種類型的閥門，都可以基于當(dāng)前閥門的位置以及閥門兩側(cè)的壓差根據(jù)經(jīng)驗來確定流量。
控制所需的調(diào)節(jié)閥門位置a可以被表示為檢測到的次級回路的流量、檢測到的初級側(cè)差溫、檢測到的調(diào)節(jié)閥兩側(cè)的壓差以及所希望的次級回路的溫度差的函數(shù)。
為了在初級回路中得到想要的流量，閥門的位置控制控制可通過下式進(jìn)行adeired=fcv(qprim_desiredΔPvalve)---(J2)]]>將式(F)代入式(J2)，將得到本發(fā)明的控制原則得本發(fā)明的控制原理adesired=fcv(qsecΔPvalve*ρsec(Tsec_in)ρprim(Tprim_out)*hsec(Tsec_out_desired)-hsec(Tsec_in)hprim(Tprim_in)-hprim(Tprim_out))---(K)]]>如果將(F3)代入式(J2)，則得到本發(fā)明的控制原理abo..r=fcv(qsekΔPventil*ΔTsec_bo..rΔTprim)---(K2)]]>因為初級側(cè)與次級側(cè)使用同樣的熱載體，而且可以忽略ρ和Cp與溫度的相關(guān)性，因此對每一種閥門，都可以根據(jù)經(jīng)驗來確定反函數(shù)fcv(x)(和/或水流的特征函數(shù)kv(x))。
壓差ΔPvalve可以以任意方式確定，例如，可以使用連接閥門上游側(cè)和下游側(cè)的壓差表對壓差進(jìn)行測量，或是使用第一個絕對壓力表來測量閥門上游側(cè)的壓力P1，并用另一個絕對壓力表來測量閥門下游側(cè)的壓力P2。
功率與熱量的測量對熱交換器初級側(cè)和/或次級側(cè)傳導(dǎo)熱量以及供熱效果的測量是以式(A)為基礎(chǔ)的。將應(yīng)用于閥門中媒質(zhì)的等式(H)和(E)代入式(A)，得到Q′prim=ρprim(Tprim_valve)*kv(a)*(ΔPvalve)*(h(Tprim_in)-h(Tprim_out))---(L)]]>其中Tprim_valve表示在閥門位置初級側(cè)媒質(zhì)的溫度。如果將閥門置于從熱交換器流出的初級流(3u)中，則Tprim_valve≌Tprim_out，相應(yīng)地，如果將閥門置于流入的熱交換器初級流(3i)中，則Tprim_valve≌Tprim_in。
在將式(G)代入式(L)后，可得到另一表達(dá)式Q′prim=ρprim(Tprim_valve)*kv(a)*(ΔPvalve)*Cp*Δtprim---(L2)]]>根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，在初級側(cè)供給的功率部分地通過確定溫度Tprim_in、Tprim_out、以及調(diào)節(jié)閥兩側(cè)的壓差ΔPvalve來控制，此調(diào)節(jié)閥被置于初級側(cè)出口的下游；并且部分地通過得到閥門的特征函數(shù)kv(a)、開啟程度a，以及初級側(cè)媒質(zhì)的密度和焓來控制。根據(jù)式(L)或式(L2)，可以使用這些值計算得到Q’prim。
在時間周期t1-t2內(nèi)的得到的供熱效果進(jìn)行積分，則可得到初級回路在此時間周期內(nèi)的供熱量Qprim=∫t112(Q′prim)∂t---(M)]]>將式(L)代入(M)，得到Qprim=∫t112(ρprim(Tprim_valve)*kv(a)*(ΔPvalve)*(h(Tprim_in)-h(Tprim_out)))∂t---(M2)]]>在求解這個積分時，例如可以先確定各個局部能量，再將各局部能量相加求得積分的值。各局部能量可以通過平均功率值 與形成該平均值的相應(yīng)時間周期Δti的乘積來確定，即Qprim=Σi=1n(Qprim_i*Δti‾)---(M3)]]>根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，在次級側(cè)也需要確定產(chǎn)生的功率以及熱量。這種計算基于溫度Tsec_in和Tsec_out(通過第四個溫度表測量得到)，和流量值qsec(可由流量表測量得到或是通過其它方式確定，例如根據(jù)rmp可控泵的已知特性確定)，以及借助等式(A)。
如果我們假設(shè)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，而且熱交換器的熱泄漏可忽略不計，則首先可對初級側(cè)產(chǎn)生的供熱效率和熱量的值進(jìn)行第一次測量，并對在次級側(cè)產(chǎn)生的供熱效率和熱量的值進(jìn)行第二次測量，包括測量在熱交換器內(nèi)傳輸?shù)墓β蔘’和熱量Q。對產(chǎn)生的供熱效率這兩次獨立測量的結(jié)果都可用于計費或隨后的能耗計算。
通過比較這兩次獨立測量的結(jié)果可提高系統(tǒng)的安全性。例如，當(dāng)測量不可靠時，例如±2％Q’的冗余值可被用于生成警告，即，所述兩次測量結(jié)果的差距超出了某個可接受的值，例如±10％，或者是一個更精確的值。
第二種應(yīng)用領(lǐng)域是，通過兩種方法中的任意一種確定Q’，在此基礎(chǔ)上，當(dāng)通過另一種方法以完全獨立確定Q’的過程中檢測到測量信號錯誤時，可使系統(tǒng)切換到保留模式，例如，通過合理性檢驗發(fā)現(xiàn)初級側(cè)的溫度表發(fā)生故障，則可以通過次級側(cè)得到的Q’值來確定發(fā)生故障的溫度表的保留值。相似地，任何量表的故障都可通過獨立檢測到的錯誤來計算其保留值。
第三個用途就是量表或例如閥門特性以相同方式進(jìn)行的自校準(zhǔn)，以在量表發(fā)生故障時計算備用值。
集成閥門單元根據(jù)本發(fā)明，為了簡化系統(tǒng)的制造與裝配過程，在一個優(yōu)選實施例中將幾項功能都集成到一個集成閥門單元中，可將此閥門單元作為半成品進(jìn)行生產(chǎn)，然后再組裝成一個完整的系統(tǒng)。圖4示出了一個基于本發(fā)明的可對初級流進(jìn)行控制與測量的集成液壓單元，其中包括閥門元件，壓差傳感器，溫度傳感器，以及一個控制閥門元件的控制元件，它可以集成在液壓單元內(nèi)，也可以設(shè)置在液壓單元上。這個液壓單元可具有優(yōu)點地用于控制初級流，測量閥門兩側(cè)的壓差以及測量初級流在閥門處的溫度。
如圖5所示，可以將多項功能/多個元件集成到液壓單元40中，包括管道接頭41和42之間的第一管路56，用于分別與地區(qū)供熱系統(tǒng)和熱交換器相連，支路43與44用于連接到其它相鄰的液壓單元；參見圖6。
在管路56中安裝了一個閥門元件53，它由控制元件54控制。在閥門元件53的兩側(cè)安裝有量表61和62，用于測量閥門元件上游和下游的壓差。管路56中還安裝有量表8，用于確定管路56中媒質(zhì)的溫度。在液壓單元40中還設(shè)置了第二管路57，第二管路57通過管道接頭45和46分別與地區(qū)供熱系統(tǒng)的輸入媒質(zhì)和熱交換器相連。第二管路57的支路47和48可用于連接其它相鄰的液壓單元。在另一個管路57中還設(shè)置了量表9，用于確定該管路中媒質(zhì)的溫度。液壓單元40中還包括第三和第四管路58與59，這兩個管路分別通過管道接頭49和51連接到加熱/制冷用戶，通過管道接頭50和52連接到熱交換器。為了確定管路58和59中媒質(zhì)的溫度，在管路中分別設(shè)置了量表55和10。為了確定管路59中媒質(zhì)的流量，設(shè)置了一個量表7。還設(shè)置了用于將電源線的接入和接出液壓單元40接觸元件(圖中未顯示)，它傳送測量和/或控制信號。
圖4中給出的集成液壓單元可具有優(yōu)點地作為半成品進(jìn)行生產(chǎn)，然后再進(jìn)一步組裝成一個完整的系統(tǒng)，例如圖6中給出的示例。除了上文中提到的種種優(yōu)點，液壓單元通過簡化初級回路與次級回路的斷開和連接還可帶來其它優(yōu)點。
其他實施例在最常用的實施例中，從熱交換器1流出的次級流2的溫度是恒定的，例如為55攝氏度。當(dāng)然，也允許對這個期望值進(jìn)行人工調(diào)節(jié)或自動調(diào)節(jié)。期望值的調(diào)節(jié)可通過控制單元7實現(xiàn)，例如，此控制單元可以是一個電位計。根據(jù)用戶對水溫的要求，或是根據(jù)當(dāng)前的季節(jié)，可以對水溫進(jìn)行手工控制。例如，在冬季，水溫應(yīng)適度調(diào)高以補(bǔ)償熱水從熱交換器到遠(yuǎn)端用戶之間的熱能損失。也可根據(jù)預(yù)先給定的補(bǔ)償曲線和/或外部溫度表返回的信號，由控制單元對次級測水溫自動進(jìn)行季節(jié)性的調(diào)整。
如果將本發(fā)明應(yīng)用于這樣一個系統(tǒng)熱交換器用于對散熱器內(nèi)的循環(huán)水進(jìn)行加熱，在大多數(shù)情況下，都需要根據(jù)外界溫度對次級流的輸出溫度和輸入溫度進(jìn)行相應(yīng)的校正。此時，本實施方案無需初級側(cè)輸出流溫度的直接反饋。
調(diào)節(jié)閥的控制元件可以有多種不同的形式，并根據(jù)當(dāng)前的控制元件產(chǎn)生一個。例如，調(diào)節(jié)閥可以是一個帶有伺服馬達(dá)的閥門，通過PWM(脈寬調(diào)制)進(jìn)行控制，或者可以通過與控制電流或控制電壓成比例的流量控制來實現(xiàn)。
本發(fā)明的方法可以具有優(yōu)點地與熱交換器的故障診斷結(jié)合在一起。在此類實施例中，需要對閥門兩側(cè)的壓差進(jìn)行測量，通過分析閥門在一定開啟程度時水壓隨時間的下降，可以檢測到初級側(cè)剛開始發(fā)生的阻塞現(xiàn)象(鈣質(zhì)沉積以及污垢等造成)。因為熱交換器可減弱壓力下降的程度，當(dāng)剛開始發(fā)生阻塞時，在流量恒定的情況下，調(diào)節(jié)閥兩側(cè)壓力下降的程度減小到恒定的流。對熱交換器內(nèi)熱傳送值變化的分析也可用于故障診斷。例如，可以采用下列步驟在各種不同負(fù)荷條件(傳送功率)以及不同系統(tǒng)條件(輸入初級流溫度與壓力)情況下，記錄所有的測量得到的信號(至少應(yīng)包括初級回路與初級流以及次級流中的溫度差，以及在次級側(cè)所希望的溫度差)。當(dāng)熱交換器發(fā)生阻塞時，熱傳送特性發(fā)生惡化，因此需要增加初級流的流量。
可以根據(jù)Tprim(in)和Tprim(out)計算得到所希望的溫度差ΔTprim，或者可以例如通過熱敏元件直接對溫度差進(jìn)行測量。
因為系統(tǒng)具有流量測量和溫差測量功能，因此，可對熱量的消耗進(jìn)行計算，從而方便地對終端用戶進(jìn)行計費。
另外，該系統(tǒng)非常適用于讀表(計算熱傳輸值)、故障診斷(阻塞)、氣候控制(對所希望的值的集中調(diào)節(jié))，并可實現(xiàn)切斷功能。只需要一個通信鏈路的接口，控制單元或調(diào)節(jié)單元。
本發(fā)明并非局限在用于地區(qū)供熱站，也可以適用于任何使用熱交換器的應(yīng)用場合，例如，用在石化工業(yè)中或是其它形式的熱控制中。
權(quán)利要求
1.控制從熱交換器(1)輸出到次級回路中的至少一個輸出次級流(2u)的溫度的方法，通過初級回路中的初級流(3)來進(jìn)行控制，其中控制單元(7)控制一個調(diào)節(jié)元件(5，11)，調(diào)節(jié)元件來調(diào)節(jié)初級流，其特征在于a)確定表示流入熱交換器(1)的輸入初級流(3i)與流出熱交換器(1)的輸出初級流(3u)之間的焓差(Δh)的特性的參數(shù)組，b)確定表示次級回路(2)中質(zhì)量流量(msec)特性的參數(shù)組，c)確定表示初級回路(3)中質(zhì)量流量(mprim)特性的參數(shù)組，d)將a)至c)項中確定的參數(shù)傳送到控制單元(7)，用于控制調(diào)節(jié)元件(5，11)，其中根據(jù)次級流(2)來控制初級流(3)，由初級流(3)傳送到熱交換器的功率基本上對應(yīng)于下列各項之和1)將次級媒質(zhì)的溫度從當(dāng)前輸入溫度Tsec_in升高到所希望的輸出溫度Tsec_out_desired所需的功率，和2)用于補(bǔ)償熱交換器(1)中存儲的熱能所需的功率，和3)熱交換器的泄漏功率。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，調(diào)節(jié)元件的控制是通過初級流(3)與次級流(2)之間的流平衡實現(xiàn)的，在初級流(3)與次級流(2)之間維持功率平衡，其中在各個流中提供和消耗的功率通過下式給出Q＝ρ·cp·q·ΔT，由此給出功率平衡公式通過控制元件的控制可獲得初級側(cè)的流量qprim，其計算公式為qprim=qsec·(ρsec·cpsec·ΔTsecρprim·cpprim·ΔTprim)]]>ρsec/prin分別表示初級回路和次級回路中媒質(zhì)的預(yù)定特定密度。cpsec和cpprim分別表示初級回路和次級回路中媒質(zhì)的預(yù)定特定熱容。Qprim表示由控制元件獲得的初級回路中的流量，qsec表示實際測量得到的次級回路中的流量，ΔTprim表示實際測量得到的初級側(cè)輸入與輸出媒質(zhì)的溫度差，ΔTsec表示次級側(cè)輸入與輸出媒質(zhì)的所希望的溫度差，次級回路的輸出側(cè)的溫度僅為期望值，其中調(diào)節(jié)元件的控制無需次級回路的輸出側(cè)溫度的直接反饋。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，調(diào)節(jié)元件(5)由流特性已知的調(diào)節(jié)閥和由壓差表(6)確定的跨接調(diào)節(jié)閥兩側(cè)的壓力差表(壓力下降)構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，閥門開啟的程度(a)是最好根據(jù)經(jīng)驗確定的閥門的反向流特性fcv(x)的函數(shù)，計算公式為a=fcv(qprim/(ΔPvalve))]]>其中ΔPvalve是測得的調(diào)節(jié)閥兩側(cè)的壓力差，qprim_desired是流過閥門的流量，α是閥門的開啟程度。
5.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于調(diào)節(jié)元件由泵(11)組成，流經(jīng)泵的流量與泵兩側(cè)壓差之間的關(guān)系是作為旋轉(zhuǎn)速度的函數(shù)預(yù)先確定的，其中控制單元(7)調(diào)節(jié)泵的旋轉(zhuǎn)速度。
6.如上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，檢測(10)流入熱交換器(10)的輸入次級流(2i)的溫度(Tsec_in)，檢測得到的值用于計算qprim_desired。
7.如上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于初級回路與次級回路中的流量和溫度值用于診斷和檢測熱交換器的阻塞和/或熱交換器熱交換值的損失。
8.控制從熱交換器(1)輸出到次級回路中的至少一個輸出次級流(2u)的溫度的方法，通過初級回路中流經(jīng)交換器的初級流(3)來進(jìn)行控制，控制單元(7)控制一個用來調(diào)節(jié)初級流的調(diào)節(jié)元件(5，11)，其特性在于，·為了確定流之間的焓差，設(shè)置溫度表(8，9)來測量流入熱交換器(1)的輸入初級流(3i)和流出熱交換器的輸出初級流(3u)的溫度，·設(shè)置流量表(4)來測量次級流(2)的流量(qsec)?！ぴO(shè)置壓差表(6)來測量初級流(3i)中跨接調(diào)節(jié)元件(5)兩側(cè)的壓力差(ΔP)，和/或設(shè)置流量表(12)來測量初級流(3)的流量(qprim)，并且·將所述量表(4，8，9，12)的輸出信號傳送到控制單元(7)，用于控制調(diào)節(jié)元件(5，11)，其中根據(jù)次級流(2)來控制初級流(3)，使得通過初級流(3)傳送到熱交換器的功率基本上對應(yīng)于下述各項之和1)將次級媒質(zhì)從當(dāng)前輸入溫度Tsec_in升高到所希望的輸出溫度Tsec_out_desired所需的溫度的功率，和2)用于補(bǔ)償熱交換器(1)中存儲的熱能而需要的功率，和3)熱交換器的泄漏功率。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，調(diào)節(jié)元件(5)由具有已知流物性的調(diào)節(jié)閥和測量跨接在調(diào)節(jié)閥兩側(cè)的壓力差的壓差表(6)構(gòu)成，并由存儲在控制單元(7)的存儲器中的閥門(5)的已知流特性構(gòu)成。
10.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，調(diào)節(jié)元件由泵(11)組成，流經(jīng)泵的流量與泵兩側(cè)壓力差之間的關(guān)系作為旋轉(zhuǎn)速度的函數(shù)是預(yù)先確定的，其中設(shè)置控制單元(7)來調(diào)節(jié)泵的旋轉(zhuǎn)速度。
11.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中閥門(5)被集成到液壓單元(20)中，包括閥門元件(24)，閥門元件具有控制閥門元件的控制元件(25)，還包括與閥門(5)相連的管道接頭(22，23)，用于確定閥門元件兩側(cè)壓力差(6)的裝置，該裝置與閥門元件(24)的上游側(cè)和下游側(cè)相連，溫度表(8)，用于檢測流過閥門的水流溫度。
12.如權(quán)利要求8-11中任一項所述的裝置，其特征在于，控制單元(7)包含至少一個存儲器(30)，用于存儲閥門(5)的開啟程度(a)與次級回路(2)的流量qsec、次級回路(2)中的溫度差ΔTsec、初級回路(3)中的溫度差ΔTprim、以及閥門(5)兩側(cè)壓力差ΔPvalve之間的函數(shù)。
13.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，管路(56-59)，用于將媒質(zhì)(3i，3u，2i，2u)導(dǎo)入和導(dǎo)出熱交換器(1)，這些管路被集成到一個液壓單元之中，管路的端都安裝有管道接頭(41，42，45，46，49，50，51，52)，用于連接到初級流與次級流(3，2)，這些管路中至少有一部分有分支側(cè)向管路(43，44，47，48)，在這些側(cè)向管路的端部也安裝有管道接頭，用于連接多個互連的液壓單元之間的連接線，部分管路安裝有流量表，壓差表以及溫度表(8，9，10，55，61，62)，這些量表與管路進(jìn)行通信，液壓單元中至少設(shè)置了一個調(diào)節(jié)閥。
14.確定通過熱交換器的初級回路向熱交換器傳送的功率和熱量的方法，通過一個調(diào)節(jié)元件(5，11)來實現(xiàn)，它調(diào)節(jié)流經(jīng)初級回路的流量，調(diào)節(jié)元件(5，11)由控制單元(7)進(jìn)行控制。其特征在于，確定流入熱交換器(1)的輸入初級流(3i)和流出熱交換器(1)的輸出初級流(3u)之間的焓差(Δh)，確定調(diào)節(jié)單元兩側(cè)的壓力差(ΔPregulatory_memeber)和調(diào)節(jié)單元(5，11)中媒質(zhì)的溫度(Tmedium)，以及存儲在控制單元(7)的存儲器中的已知的流特性，即焓差(Δh)、壓力差(ΔPregulatory_memeber)、溫度(Tmedium)以及調(diào)節(jié)元件閥門的開啟程度(a)，根據(jù)這些參數(shù)以及控制單元存儲器中存儲的流的特性和密度，就可計算出初級回路中產(chǎn)生的功率和熱量值。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，根據(jù)在控制單元中存儲或確定的輸入次級流和輸出次級流之間的焓差Δhsec以及流量Δmsec可計算出次級回路所吸收的功率和熱量的有效值，同時可以根據(jù)次級側(cè)所吸收的功率和熱量的有效值對初級回路產(chǎn)生的功率與熱量的已確定的值進(jìn)行檢驗，其中如果分別由初級側(cè)產(chǎn)生的功率和熱量值與次級側(cè)吸收的功率和熱量值之間的差異超出了預(yù)先設(shè)定的接受值，則應(yīng)利用通信裝置向外界發(fā)出警告。
全文摘要
通過初級回路中的初級流(3)來控制從熱交換器(1)流入次級回路的至少一個輸出次級流(2u)的溫度的方法和裝置，通過調(diào)節(jié)元件(5，11)來實現(xiàn)，它調(diào)節(jié)初級流控制單元(7)控制調(diào)節(jié)元件。確定流入熱交換器的輸入初級流(3i)與流出熱交換器的輸出初級流(3u)之間的焓差(Δh)。確定次級流流量(2i)。確定初級回路(3)中的流(3i)，并將上述已確定的參數(shù)提交給控制單元(7)，以實現(xiàn)對調(diào)節(jié)元件(5，11)的控制，其中根據(jù)次級流(2)對初級流(3)進(jìn)行控制，使得通過初級流(3)提供給熱交換器的功率等于將次級流媒質(zhì)由當(dāng)前的初始溫度T
文檔編號F24D19/00GK1520502SQ01823402
公開日2004年8月11日 申請日期2001年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月3日
發(fā)明者馬特斯·林德格倫, 馬特斯 林德格倫 申請人:馬特斯·林德格倫, 馬特斯 林德格倫