CN202349313U - 集成能量感知功能的智能动态流量平衡阀 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及阀门，旨在提供一种集成能量感知功能的智能动态流量平衡阀。该阀包括阀体和设于阀体中的电动调节阀组件，设于电动阀体组件上的执行器以电缆连接于控制器；所述阀体包括前阀体和后阀体，前阀体和后阀体的壁上各设有一个测压孔，压差传感器通过压力传送管分别与两个测压孔相连；智能控制器通过电缆分别与压差传感器和积分仪表相连，积分仪表还通过电缆分别与两个温度传感器相连。本实用新型具有能量计量和动态平衡电动调节功能，应用于空调、供热管网水***时其综合节能效果十分明显。采用这种起始工作压差值很低的高级智能型动态平衡电动调节阀时，空调管网水***综合节能效果可达10％～55％。

Description

集成能量感知功能的智能动态流量平衡阀

技术领域

本实用新型涉及一种阀门。更具体地说，本实用新型涉及一种集成能量感知功能的智能动态流量平衡阀。

背景技术

高档建筑物全年耗能中50％～65％消耗于中央空调***，变流量空调***与定流量空调***相比较，水泵及冷却塔设备平均可节能60％～80％、制冷主机可节能10％～40％。但是空调变流量水***中普遍存在着水力失调现象，管网水力的不平衡容易造成***能源的大量浪费和设运行噪声的增加。采用智能型动态平衡电动调节阀控制技术是解决复杂管网水力***平衡的最佳方法。为了缓解能源紧张，创建节约型社会，必须将中央空调***的智能控制、能量计量和水力平衡技术保持整体的和谐发展。

目前公知的用于中央空调冷热量计量的原理和方法可分为三大类，即时间简单累计法、风侧温差流量积算法、水侧温差流量积算法。其中水侧温差流量积算法的能量计量理论完善，精度高，运行稳定可靠，目前有很多的成熟技术和系列化的单一产品。基于这种原理的冷热量计量表主要由流量传感器、配对温度传感器和积算器(控制器)三部分组成。按流量传感器形式的不同，这类能量表还分为机械叶轮式、超声波式和电磁式三种型号。其中机械叶轮式能量计量表因机械结构中存在有微型可动部件，对水介质的要求较高，在安装上要求配套过滤器以防杂质对表的损伤。机械式能量表因其测量原理和结构简单，价格低廉，精度一般，目前已经大量应用在风机盘管的计量之中。而超声波式和电磁式的小口径能量表因价格、技术等因素的影响，很少有普及应用。

目前公知的还没有发现一种集成能量感知功能的智能动态流量平衡阀。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种集成能量感知功能的智能动态流量平衡阀。

为了解决上述技术问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

提供一种集成能量感知功能的智能动态流量平衡阀，包括阀体和设于阀体中的电动调节阀组件，设于电动阀体组件上的执行器以电缆连接于控制器；所述阀体包括前阀体和后阀体，前阀体和后阀体的壁上各设有一个测压孔，压差传感器通过压力传送管分别与两个测压孔相连；智能控制器通过电缆分别与压差传感器和积分仪表相连，积分仪表还通过电缆分别与两个温度传感器相连。

作为一种改进，所述两个温度传感器分别安装在用户中央空调水***进水管和出水管上。

作为一种改进，所述的两个温度传感器是测量温差的配对温度传感器。

作为一种改进，所述电动调节阀组件是电动调节蝶阀组件或电动调节球阀组件。

作为一种改进，所述前阀体、电动阀体组件、后阀体通过螺帽螺栓标准件依次连接。

作为一种改进，所述前阀体、电动阀体组件、后阀体依次连接并呈外部一体化的结构。

作为一种改进，所述前阀体和后阀体是等直径的筒体或变直径的筒体。

作为一种改进，所述电动执行器是模拟量角行程电动执行器。

作为一种改进，所述执行器和控制器安装于一体式的外壳中。

本实用新型所述集成能量感知功能的智能动态流量平衡阀，是通过以下方法实现其功能的：

(1)在可实现数学函数计算和APID控制的通用智能控制器中设定阀门的动态平衡压差最大值；

(2)根据阀门的动态平衡压差最大值设定动态平衡流量最大值；

(3)设定阀门的理想调节特性为线性调节特性、等百分比调节特性或抛物线调节特性其中任意一种；

(4)智能控制器对外部输入的模拟信号进行数据采样，读入外部阀位行程值，压差测量值和温差测量值；

(5)将有量纲的外部阀位行程值模拟信号转换成无量纲的阀位行程；

(6)根据阀门的调节特性获取无量纲的动态平衡流量设定值，并转换成有量纲的动态平衡流量设定值；

(7)将有量纲的动态平衡流量测量值与有量纲的动态平衡流量设定值进行比较，根据APID控制运算结果调节电动调节阀的开度，通过对动态平衡压差的控制间接实现动态流量的平衡；

(8)根据标准单位制有量纲化的动态平衡流量值和温差信号值的乘积进行能量的积算。

智能控制器输出模拟量信号通过电动执行器的角行程动作将电动调节阀组件中的阀体打开时，水从前阀体的流道入口流入，流经蝶阀后从后阀体的流道出口流出，电动调节阀组件的两端设置测压孔，用于测量孔板的动态压差。利用智能控制器的数据采集功能读入外部阀位行程值(即外部输入的标准控制电信号开度值作为外部设定值)、水温度差测量值；采用特征公式计算出阀体的动态流量平衡设定值，当阀体的动态流量平衡测量值(利用动态平衡压差测量值与孔板的面积换算即可得到该流量的测量值)与动态流量平衡设定值发生偏差时，利用APID控制方法直接调节电动阀的开度，阀门流量高精度自动控制在某动态设定值(这是一种动态可变的通过外部模拟输入方式给定的流量设定值)，从而直接实现了高精度的动态流量平衡。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型具有能量计量和动态平衡电动调节功能，应用于空调、供热管网水***时其综合节能效果十分明显。将阀门高级控制方法嵌入到智能控制器，并结合微型压差传感器、温差传感器(或配对温度传感器)、模拟量电动调节阀进行一体化组合，构成一种具有能量计量功能的智能动态平衡型电动调节阀。采用这种起始工作压差值很低的高级智能型动态平衡电动调节阀时，空调管网水***综合节能效果可达10％～55％。

附图说明

图1是本实用新型实施例中具有能量计量功能的动态流量平衡电动调节阀装配示意图。

附图中：1后阀体、2电动调节阀组件、3连接螺栓、4前阀体、5测压孔、6角行程模拟量电动执行器、7压力传送管、8压差传感器、9智能控制器、10积分仪表、11供水温度传感器、12回水温度传感器、13测压孔。

具体实施方式

参考附图1，下面将对本发明进行详细描述。

图中给出了一种具有能量计量功能的智能型动态平衡电动调节阀，包括电动调节阀组件2和与电动调节阀组件2相连的角行程模拟量电动执行器6，用来实施电动调节阀(如调节蝶阀、调节球阀)的模拟量调节。前阀体4、电动调节阀组件2、后阀体1依次连接，通过连接螺栓3配装成一体。所述电动调节阀组件2是电动调节蝶阀组件，也可以选用电动调节球阀组件。阀体(前阀体4和后阀体1)可以是等直径的筒体或变直径的筒体，阀体和设于阀体中的电动调节阀组件2在外部可以是呈一体化的形状。

前阀体4和后阀体1的外壁分别开设测压孔5、13，通过压力传送管7连接到压差传感器8的高压端和低压端，用以测量前阀体前后两端的压差并变送成标准信号。

智能控制器9通过电缆线分别与压差传感器8和设置于电动调节阀组件2上的角行程模拟量电动执行器6、积分仪表10相连。

积分仪表10还与设置于阀体上的回水温度传感器12、设置于供水管路上的供水温度传感器11相连，回水温度传感器12、供水温度传感器11是测量温差的配对温度传感器，可以采用配对PT500、配对PT1000，也可以采用DALLAS公司的配对数字温度传感器。

压差传感器8、智能控制器9、角行程模拟量电动执行器6和电动调节阀组件2共同构成阀门流量动态平衡控制装置，从而实现流量的动态平衡。

智能控制器9可内嵌或者下载动态流量平衡控制集成的程序。利用该程序的高级计算，智能控制器9输出标准控制信号通过电缆线直接调节角行程模拟量电动执行器6，通过调节电动阀的开度实现阀前后流量的动态平衡控制。

本实用新型其实现控制的原理如下：

对于本实用新型的集成能量感知功能的智能动态流量平衡阀，可以引入一个阀位行程的“虚拟变量”x(即前文所述的外部阀位行程值)，它即对应于外部输入的模拟信号。例如0～10VDC标准控制信号表示范围x∈[0，10]，4～20mA标准控制信号表示x∈[4，20]。

假设本实用新型的无量纲阀位行程值变量X、无量纲流量Q、无量纲压差ΔP，显然可对它们进行单位化定义：

X∈[0，1]、Q∈[0，1]、ΔP∈[0，1]

所述的无量纲的外部阀位行程值X是一个由外部输入标准控制信号进行单位化的无量纲值，例如对于0～10VDC标准控制信号，可以取X＝(x-0)/(10-0)进行无量纲化。

由于本实用新型的无量纲相对流量系数K_VS＝1，所以有公式：

$Q=K_{\mathrm{VS}}\·\sqrt{\mathrm{\ΔP}}=\sqrt{\mathrm{\ΔP}}---\left(1\right)$

或者ΔP＝Q²                            (2)

(1)对于线性特性：

Q＝X，ΔP＝X²                          (3)

(2)对于等百分比特性(R常数，需单独给定)：

Q＝R^X-1，ΔP＝R^2·(X-1)(4)

对于公式(4)当然也可以采用近似拟合计算公式ΔP＝f(x)＝y表示，例如对于

R＝5时的四阶多项式拟合公式如下：

y＝1.014271057x⁴-.7317960344x³+.6015181377x²+.07302617232x+.04132977829                                (4-1)

(3)对于抛物线特性：

Q＝X²，ΔP＝X⁴                           (5)

显然，公式(3)～(5)就是实现阀门调节特性的无量纲特征公式，其中公式(4)也可以采用各种近似拟合公式。

角行程模拟量电动执行器6将电动调节阀组件2中的阀体打开时，水从前阀体4流道入口流入，通过绕流蝶阀阀体，最后从后阀体1的流道出口流出。测压孔5和测压孔13，用于测量阀体的两端压差。

当外部阀位行程的电控信号x给定时(即外部输入阀位设定值)，对应的无量纲阀位行程X也即给定。

(一)基于间接动态流量平衡法：利用无量纲特征计算公式(3)或公式(4)、或公式(5)计算出无量纲压差ΔP的设定值。通过换算给出了有量纲的孔板两端动态平衡压差设定值(这是一种动态的设定值，即设定值随外部输入信号而改变)。当阀体两端的动态平衡压差测量值与动态平衡压差设定值发生偏差时，利用智能控制器9的内置APID控制方法通过改变电动调节蝶阀的开度实现阀体的压差控制在动态设定值，从而间接实现了高精度的动态流量平衡。同时利用动态流量平衡测量值与温差测量值进行能量的积算。

(二)基于直接动态流量平衡法：利用无量纲特征计算公式(3)或公式(4)、或公式(5)计算出无量纲流量Q的设定值。通过换算给定了有量纲的孔板两端的动态流量平衡设定值(这是一种动态的流量设定值，即设定值随外部输入信号而改变)。当阀体两端动态流量平衡的测量值(利用动态压差测量值与孔板面积实现间接的流量测量)与动态流量平衡设定值发生偏差时，利用智能控制器9的内置APID控制方法通过改变电动调节蝶阀的开度，直接实现了阀体的流量控制在动态设定值。同时利用动态流量平衡测量值与温差测量值进行能量的积算。

本实用新型的控制流程如下：

(一)间接流量动态平衡法：

(1)数据初试化、控制器内部出厂设定阀门的调节特性、动态平衡压差最大值DP_MAX；

(2)根据阀门动态平衡压差最大值DP_MAX和孔板面积计算阀门的动态流量平衡最大值F_MAX，即 $F_{\mathrm{MAXx}}=K_{\mathrm{VS}}\·\sqrt{{\mathrm{DP}}_{\mathrm{MAX}}};$

(3)智能控制器读入外部阀位行程值x及温差测量值ΔT，将阀位行程x的模拟量控制信号转换成无量纲的阀位行程值X；

(4)利用阀门特征计算公式计算出ΔP，换算成有量纲的DP_MAX作为动态平衡压差设定值，其中DP_S＝DP_MAX×ΔP。

例如：对于等百分比调节特性取ΔP＝R^2·(X-1)(R常数)，当然也可以采用函数ΔP＝R^2·(X-1)的近似拟合公式ΔP＝f(x)＝y来实现。

(5)将动态平衡压差测量值DP_P与动态平衡压差设定值DP_S进行比较，APID调节控制模拟量电动调节阀的开度，从而间接实现了动态流量的平衡。

(6)能量的积算，具体在从t₀时刻到t时刻能量积分公式如下：

$E={\∫}_{t0}^t{C}_w\·{\mathrm{\ρ}}_w\·Q_w\·\mathrm{\ΔT}\·\mathrm{dt}$

其中C_w表示单位转换换算系数、ρ_w表示冷/热水的密度、Q_w表示电动阀的动态流量平衡测量值、ΔT表示温差测量值。

(7)如果继续运行，则返回步骤(2)。

(二)直接流量动态平衡法：

(1)数据初试化、控制器出厂内部设定阀门的调节特性、动态流量平衡最大值F_MAX；

(2)根据阀门的动态流量平衡最大值F_MAX和孔板面积计算出阀门的动态平衡压差最大值DP_MAX，即DP_MAX＝(F_MAX/K_VS)²；

(3)智能控制器读入外部阀位行程值x及温差测量值ΔT，并将阀位行程x的模拟量控制信号转换成无量纲的阀位行程值X；

(4)利用阀门特征计算公式计算出Q，换算成有量纲的F_S作为动态流量平衡设定值，其中F_S＝F_MAX×Q，对于等百分比调节特性，取Q＝R^X-1或者Q＝R^X-1的近似拟合公式。

(5)利用孔板面积和动态平衡压差测量值计算得到动态流量平衡测量F_P；

(6)将动态流量平衡测量值F_P与动态流量平衡设定值F_S进行比较，运行APID调节控制模拟量电动调节蝶阀的开度，直接实现动态流量的平衡。

(7)能量的积算。如果继续运行，则返回步骤(2)。

Claims (9)

1.集成能量感知功能的智能动态流量平衡阀，包括阀体和设于阀体中的电动调节阀组件，设于电动阀体组件上的执行器以电缆连接于智能控制器；其特征在于，所述阀体包括前阀体和后阀体，前阀体和后阀体的壁上各设有一个测压孔，压差传感器通过压力传送管分别与两个测压孔相连；智能控制器通过电缆分别与压差传感器和积分仪表相连，积分仪表还通过电缆分别与两个温度传感器相连。

2.根据权利要求1所述的智能动态流量平衡阀，其特征在于，所述两个温度传感器分别安装在用户中央空调水***进水管和出水管上。

3.根据权利要求1或2所述的智能动态流量平衡阀，其特征在于，所述的两个温度传感器是测量温差的配对温度传感器。

4.根据权利要求1或2所述的智能动态流量平衡阀，其特征在于，所述电动调节阀组件是电动调节蝶阀组件或电动调节球阀组件。

5.根据权利要求1或2所述的智能动态流量平衡阀，其特征在于，所述前阀体、电动阀体组件、后阀体通过螺帽螺栓标准件依次连接。

6.根据权利要求1或2所述的智能动态流量平衡阀，其特征在于，所述前阀体、电动阀体组件、后阀体依次连接并呈外部一体化的结构。

7.根据权利要求1或2所述的智能动态流量平衡阀，其特征在于，所述前阀体和后阀体是等直径的筒体或变直径的筒体。

8.根据权利要求1或2所述的智能动态流量平衡阀，其特征在于，所述电动执行器是模拟量角行程电动执行器。

9.根据权利要求1或2所述的智能动态流量平衡阀，其特征在于，所述执行器和控制器安装于一体式的外壳中。

Images