一种基于智慧供热框架下的二次网智能控制调节阀

齐先博

（中国石油大学胜利学院）

1 技术背景及设计理念

集中供热系统的二次网在运行过程中经常出现供热不均衡的现象，导致处于不同位置的热用户分配的热量不均匀。例如距离热源较近的近端楼栋可能会过热，而距离热源较远的远端楼栋的热用户又可能会过冷。

因此，提出对单个热用户的供热（流）量进行调控从而减轻供热不均现象的技术方案。

该方案设计理念的实现，是一种智能控制调节阀。将其安装在供热回水管路上，包括：阀门、驱动模块、用于测量回水温度的测温模块、用于向监控平台上传所述回水温度和接收所述监控平台发送的控制指令的无线通讯模块以及用于根据所述控制指令控制所述驱动模块，调节所述阀门开关状态的控制模块。在供热节能和分户热计量的角度提出了从二网末端进行流量调节节能的新理念，通过智能控制调节阀调节后，让每户都得到一个最合理的流量，节能到户，且户（互）不干扰，理论整体节能可达30%以上。

2 智能控制调节阀结构设计

2.1 智能控制调节阀简介

智能控制调节阀采用O型球阀+异形配流盘的结构设计思路。O型球阀阀体内部安装有中间通孔的球体，球体上开有一个直径与管道直径相等的通孔，全开时为无阻阀，流通能力大，流体进入阀门没有方向性。球体可在密封座中旋转，在管路方向两侧各有一个环状的弹性体来实现密封（或者接触面打磨密封）。通过旋转球体90°，即可改变通孔的方向，从而实现球阀的开关。其结构如图1。

带挡片O型球阀是在O型球阀的基础上增加了一个具有一定形状的挡片，由于挡片的存在使此类电动球阀的调节性能趋于线性，调节性能提高，但是由于此挡片的存在减小了阀门全开时的通流面积，对阀门的流量有所影响。

2.2 SOLIDWORKS建立球阀模型

采用SOLIDWORKS建模软件，建立DN25的球阀模型。

2.2.1 模拟设计

图1 智能控制调节阀结构

采用Flow Simulation，模拟了不同形状的挡片下，不同的开度下，O型球阀当两端的压差维持在0.1MPa时，流量与阀门开度的关系。

2.2.2 无挡片

对于无挡片的O型球阀，开度在0°～ 25°间，流量基本上为 0m³/h，在25°～40°间，随着开度增加，流量缓慢上升。在40°～80°间呈线性上升，在80°～90°间，流量基本上维持不变，保持缓慢增加。

2.2.3 挡片只有两个角

对于挡片只有两个角的O型球阀，开度在0°～25°间，流量基本上为0m³/h。在25°～40°间，随着开度增加，流量缓慢上升，在40°～80°间呈线性上升，在80°～90°间，流量基本上维持不变，保持缓慢增加。

2.2.4 挡片为三角形

对于挡片形状为三角形的O型球阀，开度在0°～25°间，流量基本上为0m³/h。在25°～40°间，随着开度增加，流量缓慢上升。在40°～80°间呈线性上升。在80°～90°间，流量基本上维持不变，保持缓慢增加。

2.2.5 挡片为四边形

对于挡片形状为四边形的O型球阀，开度在0°～25°间，流量基本上为0m³/h。在25°～40°间，随着开度增加，流量缓慢上升。在40°～80°间呈线性上升。在80°～90°间，流量基本上维持不变，保持缓慢增加。

2.2.6 挡片为五边形

对于挡片为五边形的O型球阀，开度在0°～25°间，流量基本上为0m³/h。在25°～40°间，随着开度增加，流量缓慢上升。在40°～80°间呈线性上升。在80°～90°间，流量基本上维持不变，保持缓慢增加。

2.2.7 挡片为六边形

对于挡片为六边形的O型球阀，开度在0°～25°间，流量基本上为0m³/h。在25°～40°间，随着开度增加，流量缓慢上升。在40°～80°间呈线性上升。在80°～90°间，流量基本上维持不变，保持缓慢增加。

2.2.8 挡片为七边形

对于挡片为七边形的O型球阀，开度在0°～25°间，流量基本上为0m³/h。在25°～40°间，随着开度增加，流量缓慢上升。在40°～80°间呈线性上升。在80°～90°间，流量基本上维持不变，保持缓慢增加。

2.2.9 挡片为八边形

对于挡片为八边形的O型球阀，开度在0°～25°间，流量基本上为0m³/h。在25°～40°间，随着开度增加，流量缓慢上升。在40°～80°间呈线性上升。在80°～90°间，流量基本上维持不变，保持缓慢增加。

2.2.1 0挡片为九边形

对于挡片为九边形的O型球阀，开度在0°～25°间，流量基本上为0m³/h。在25°～40°间，随着开度增加，流量缓慢上升。在40°～80°间呈线性上升。在80°～90°间，流量基本上维持不变，保持缓慢增加。

2.2.1 1挡片为十边形

对于挡片为十边形的O型球阀，开度在0°～25°间，流量基本上为0m³/h。在25°～40°间，随着开度增加，流量缓慢上升。在40°～80°间呈线性上升。在80°～90°间，流量基本上维持不变，保持缓慢增加。

2.2.1 2不同结构的测试数据

上述模拟结果显示，不论挡板形状如何，DN25的球阀在0°～25°间没有流量。在40°～80°间保持线性变化。在80°以上流量基本上保持不变。因此，在将不同形状的挡片下，在开度为40°～80°间，拟合出流量与阀门开度的关系。

挡片形状为四边形、五边形、七边形、八边形、九边形和十边形时，在开度40°～80°间的线性关系更好。但是当开启角度为90°时，流量大小的依次顺序为十边形＞九边形＞八边形＞七边形＞五边形＞四边形。

2.3 设计结论

通过模拟测试总结得出以下结论。

①DN25球阀，开度在0°～25℃间，流量基本上为0m³/h。在25°～40℃间，随着开度增加，流量缓慢上升。在40°～50℃间呈线性上升。在50°～90℃间，呈指数增加，保持低阻力大流通量。因此在设置档位时，可以开辟0°～50°开度范围，通过在球芯入口处增加1个异形档片来实现二网用户近端供热的高阻力调节特性。在50°～90℃间的开度范围设置几个档位，实现二网用户远端供热的低阻力大流通量特性。这样可以实现整网用户的按需供热，确保近端热用户、远端热用户的用户热保障，可以最大程度地实现能源的充分利用，同时不增加管网的阻力、不增加换热站的电耗。

②挡片形状为接近喇叭口形状时，在开度0°～50℃间的高阻力线性调节最好，通过使用solidworks软件模拟管网阻力计算，可在0°～50℃间开设5个档位最为适宜；在开度50°～90℃间的低阻力大流量线性调节最好，通过使用solidworks软件模拟管网阻力计算，可在50°～90℃间开设3个档位最为适宜，所以阀体的整体设计档位为8个开度。

2.4 流量调控方法

二网水力平衡调节分3个阶段，初寒、严寒、末寒。

初寒期为供热系统升温阶段，系统默认不调节，由于供热运行初期，供热能耗不足，需将智能阀设置为全开状态。如果用户需要调节则手动启动平衡调节功能。严寒期，供热管理软件定周期监测所有热用户的回水温度，并根据整网的目标值调控阀门流量大小控制各户的回水温度,进行智能调节。初次调节所有热用户阀门开度均为最大开度，过热用户（回水温度高的用户）按调节周期逐一减小1档，不热的用户（回水温度低的用户）保持最大开度。末寒期供热系统间歇运行，停运期间保持运行期间最后一次的阀门开度。待下次运行时，供热管理软件自动判断供热系统正常循环后，再次根据各户的平均回水温度接续上次的阀门开度进行定周期实时调控。

3 能源管理与能耗分析

供热控制系统具有流量、热量计量功能，通过控制系统，可以把现场的流量、热量数据传输到管理中心，包括瞬时量和累计量，同时系统能够通过输入面板将换热站的水耗、电耗数据输入到控制器中。通过通讯系统将能源数据传输到管理中心，进行换热站和公共建筑的能源消耗统计分析。能源分析系统还可以和收费系统、气象数据系统实时连接，可以根据气象数据和经营收费系统供热面积数据对换热站和公共建筑的综合能源消耗进行专业分析。

4 热网动态平衡分析与控制

4.1 全网动态水力平衡分析计算

系统能够根据换热站及公共建筑的实时数据，对全网进行动态的水力平衡分析计算，为管网自动调节、控制提供基础数据。

4.2 全网动态平衡控制功能

系统能够根据动态水力平衡分析计算结果，确定全网综合调节控制方案。

4.3 初调节控制

在供暖准备期，系统能够根据全网负荷、管网特性、热源参数等，自动进行全网初调节计算，系统能够计算出每个换热站和公共建筑的阀门初始开度，通过通讯网络自动将阀门初调节参数下达到控制器中，在较短的时间内建立起管网初始水力工况，保证所有用户都能够得到及时准确地供热服务。

5 生产运行综合调度管理

生产运行综合调度管理系统是建立在热网控制系统之上的一套综合调度、管理、分析系统。系统能够和热力公司已有的各种业务系统和控制系统实时连接，包括经营收费系统、气象预报系统、热源及热网监控系统，综合调度管理系统。热力公司领导和调度人员可以随时查询供热生产运行的所有数据，通过综合数据分析，下达供热运行调度调节指令，指导全网稳定、经济运行。系统同时能够对生产运行所有数据进行经济分析，对全网的经济运行及成本分析提供基础数据。

6 供热能源管理与服务

该方案在给热力公司提供控制管理系统的同时，还为热力公司提供能源管理、换热站及公共建筑调节控制服务，建立起一套能源管理控制与服务系统，由大型数据服务器及各种管理分析软件组成。系统可以和热力公司换热站及公共建筑控制系统实时连接，将热力公司换热站及公共建筑的数据采集、存储到能源管理服务中心数据库中，热力公司有授权的调度管理人员可以登录查询、统计、分析运行数据，也可以下达控制指令，调整运行曲线参数等工作，降低热力公司的设备投资，同时也为热力公司的控制调节，节能分析提供基础平台，大大降低运行管理费用。