智能阀门在BA系统工程中的应用

沈 晔, 王 枬

(1.同济大学, 上海 200092;2.瑞士搏力谋执行器有限公司, 上海 201108)



智能阀门在BA系统工程中的应用

沈 晔1, 王 枬2

(1.同济大学, 上海 200092;2.瑞士搏力谋执行器有限公司, 上海 201108)

介绍了智能阀门在BA系统工程中的应用，电子式的智能控制阀门在压力无关型流量控制的基础上,对暖通末端设备,如表冷器的控制,提出了新的解决方案,提高了控制的稳定性和准确性,将使暖通设施末端变为数字化末端。

智能阀门; BA系统; 节能运行; 电子式压力无关型调节阀

沈 晔(1964—),男,教授,研究方向为建筑智能化、校园信息化。

0 引 言

楼宇自控工程中,对表冷器的控制,往往不能稳定、准确地对其运行进行操控。原因是对表冷器的工作特性理解不足,普通阀门对表冷器运行进行完全掌控的能力有限。如果通过智能型的表冷器控制阀门,在表冷器的水量、热交换量上形成局部的闭环控制,给出自控控制信号、表冷器热交换量之间的局部解决方案,从而搭建自控控制信号与表冷器热交换量、设计参数之间的桥梁,对表冷器的运行状态进行稳定、准确的控制,将表冷器的运行控制提升到量化控制的层级,避免水力工况对暖通自控效果的影响[1-2]。

暖通末端在动态运行的环境下,表冷器的热交换量受迎风面空气参数、流经表冷器的水流量(质量流量)、表冷器进出口水温差的影响,其中水流量变化对某时刻的热交换量有很大的影响。因此,如果稳定控制表冷器的热交换量,则阀门至少要能稳定地控制通过表冷器的水流量。自控系统对于阀门开度的稳定控制,例如把阀门的控制延伸到流量的控制,已经有很多的实现方案,其中比较直接的是压力无关型流量控制阀。

1 电子式压力无关型控制阀

目前,压力无关型流量控制阀主要是机械式,少部分采用电子式。机械式压力无关型流量控制阀也称为动态流量平衡阀,即为空调末端(一般是表冷器)提供一种流量与阀门两端压力变化无关的,只与阀门开度相关联的控制阀门。机械式动态流量平衡阀在实际应用中受限于机械结构,相对于普通的控制阀门,在动态运行中改善流量控制的效果,但对使用环境、条件、水质都有较严格的要求,对阀门前后的压力要求、水质和水的流态上都有要求。因采用自力式的机械结构,阀门前后必须有一定的压力差来提供工作的动力,机械补偿装置才能正常工作,如果压力达不到要求,机械稳压装置则不能正常工作,甚至完全失去作用,所以需要有关键部件(压力稳定装置)。这意味着暖通设计必须考虑水泵,应为其提供足够的压头。随着测控技术的发展,电子式压力无关型流量控制阀基于测流量、控流量原理,不再需要自力式机械稳定装置,体现在末端流量控制上,出现了在稳定性和准确性上优于机械式的产品。同时,电子式压力无关型流量控制阀因其本身的控制器,可以构成局部反馈控制,并针对末端设备特点实行优化控制,使表冷器得以有效控制[3]。

电子式压力无关型控制阀是在测流量的基础上采用控流量方式,更直接、简单。在从控制信号到结果的过程中,机械式压力无关型流量控制阀以控制信号决定开度,用压力稳定装置稳定控制阀门两端的压力,流量与开度呈对应的关系;电子式压力无关型流量控制阀直接以控制信号决定流量,流量与阀门两端压差及阀门开度没有对应关系,由于省略了机械稳压装置,降低了对使用环境的要求,不要求提供足够的压力差,降低了对水质的要求,并在全部产品口径范围、全量程范围提供几乎一致的精度。控制阀性能对比如表1所示。

表1 控制阀性能对比

电子式压力无关型控制阀在末端基本的控制需求上能更好地满足控制需要,性能更加稳定,对设计、安装及现场工况的要求也更少,实现了为空调末端(一般是表冷器)提供流量与阀门两端压力变化无关的控制阀门。

电子式压力无关型控制阀在过阀流量的测量方式上也有不同的方式,分为估算和测量两种,其中采用流量计实际测量的方式更严谨,适用范围更广。估算方式的产品优点是成本比较低,口径可以做得比较大,但不能全程保证精度,这是因产品预置了阀门开度、压差和流量的对应数值,但预置数值是在试验条件下测量的,而阀门安装后的工作条件很难与试验条件匹配,现场流态会给数据复现带来不利。另外,估算通过内置经验公式,以当时的压力值配合开度值进行计算,但得出的流量数值更为粗疏,原因是作为流量测量元件,其对流道形式、流态要求十分严格,阀门达不到测量用节流元件的要求。直接采用流量计的产品,在准确程度上有优势,但口径不能做很大,只有DN150产品。

欧洲厂家多采用直接测量方式,如瑞士搏力谋执行器有限公司的电子式压力无关型控制阀ePIV系列及在其基础上发展的能量阀系列,在DN15～DN150所有口径产品上均采用了稳定性好、精度较高的标准流量计来测量过阀流量,其现场适应性好,对环境条件几乎没有要求。同期有此类产品的亚洲厂家及美国厂家没有采用标准流量计方式,因此为保证测量精度,对安装和使用环境有较严格的要求。

直接测量方式下由流量计准确测得当前实际的过阀流量,流量数值与控制要求相比较,得出的偏差信号去控制阀门,改变流量。电子式压力无关型控制阀具有控制器及控制逻辑,对于过阀流量测、控、测闭环控制环路,有针对性的优化控制逻辑及程序。

BA采用压力无关型流量控制阀时的控制对象如图1所示。

图1 BA采用压力无关型流量控制阀时的控制对象

由图1可以看到,流量计测量实际过阀流量,并指挥控制阀达到需求流量,控制过程稳定、可靠,实现了控制意图,即温度偏差信号直接决定流经表冷器的水流量。相对于通常的动态流量平衡阀/机械式压力无关型控制阀,减少了稳定压力中间环节,提高了稳定性、准确性,降低了对使用条件的要求。

2 智能阀门的功能特点

通常压力无关型控制阀或动态流量平衡阀根据其口径有不同的额定流量,该额定流量在阀门选型时不可能与设计参数中的流量值完全相等。这种情况下,为满足设计要求,选用控制阀的额定流量,往往所选的阀门口径比较大,这样阀门在100%开度时其流量必然会超出表冷器的设计流量，对自控系统无影响,但局部过流对暖通水的输送有一定的影响。电子式压力无关型控制阀最大流量可重新设定,如瑞士搏力谋执行器有限公司的产品可以在额定流量的45%～100%区间内设定,即暖通自控依据设计参数对表冷器进行控制。自控信号的0～100%等百分比曲线是流量-开度对数曲线,曲线的每一点都由计算得出,即在最大流量已知的条件下,根据确定的公式计算出每开度下的流量值。开度指的是控制信号值,直接以控制信号的幅值代替阀门机械的开度值。机械式阀门缺乏直接对应的能力,必须增加中间环节,即给出最大流量,依据公式计算出每开度点的流量值,再计算出阀门的开度(过流截面积)。机械式动态流量平衡阀只是在普通机械阀门上加上压力稳定装置,流量的调节及流量特性还依靠阀门的开度及流道形状。

智能阀门的最大流量直接设置成表冷器的设计流量,自控给出的0～100%信号即是全程等百分比曲线,没有过流,有利于水力工况。单表冷器的工况转换,按夏季工况选用的盘管,电子式压力无关型阀门可以按设计流量设定其最大流量;冬季运行时,通过自控系统的冬夏季转换,所有电子式压力无关型控制阀瞬间可以把最大流量设置成冬季工况下的设计流量。在这种情况下,已无必要采用双表冷器,电子式压力无关型控制阀在控制的稳定性、准确程度上远远超过配用普通阀门或机械式动态平衡阀的双表冷器机组,提升了控制效果,而且大大降低了建设成本。

对于按设计参数设定表冷器的最大流量,还能避免在部分负荷运行时调节过程中产生的过流。控制器控制信号的100%对应的是设计参数中针对区域负荷需求所给出的流量,如阀门的最大流量(或额定流量)超出该流量设计值,可能超过该区域的设计流量,造成过流,从而导致其他部位欠流。这在控制上是高概率事件,因为在控制上如果有较大的温度偏离或扰动,即使在实际负荷较轻的情况下,为尽快达到目标参数,被控局部也可能以大开度进行纠正,而电子式阀门以设计参数为最大可调节量,从而避免过流。

3 数字化表冷器的实现

电子式压力无关型控制阀加入了温度测量功能,成为能量控制阀,亦在电子式压力无关型控制阀的基础上具有表冷器的换热量测量、计量功能及强大的数据通信功能,将表冷器转化为数字化表冷器。在表冷器的设计能力范围内,能量阀可以将表冷器的换热能力进行稳定、准确的线性化,即表冷器的热交换量与控制信号呈线性关系。

在传统阀门控制方式下,采用等百分比特性阀门补偿了表冷器的热交换特性,便于适合控制。流量与阀门开度的关系如图2所示。

图2 流量与阀门开度的关系

在阀门的流量特性曲线固定的情况下,无论实际工况下流量是否符合理论曲线,表冷器的热交换量特性曲线都无法成为直线,重要的原因是表冷器的工作参数在变化,而阀门特性曲线是固定的,故表冷器特性曲线只是从上方向直线趋近,但趋近程度受诸多因素影响。尤其是当阀门选得比较大时,以普通阀门控制表冷器经常会出现振荡的情况。压力无关型流量控制阀对流量控制的稳定性及准确性有改善,但对表冷器的控制还需要引入进出水的温差参数。能量阀对表冷器完整的控制过程如图3所示。

温差数据的加入,使得表冷器的运行状况容易以量化的方式表现,即在表冷器运行时,表冷器热交换的实际功率可以用水侧参数计算出,以便控制表冷器的水流量,使其功率趋近且最终等于控制需求。这就是自控控制的0～100%信号直接控制表冷器热交换量。

图3 能量阀对表冷器完整的控制过程

相对于电子式压力无关型控制阀,能量阀的功能更强大,除了可以设定且控制表冷器的最大水流量、热交换量,还可以将表冷器数字化,成为数字式表冷器,即表冷器几乎所有的运行参数都可通过能量阀的数据通信功能接入BA/BMS系统,如表冷器的瞬时热交换量(功率)、瞬时水量,而且还具有冷量、热量等计量功能。能量阀本身形成局部的闭环控制系统,并搭载温差控制功能,可以监测表冷器的进出口水温,并在进出口水温低于设定值时调节过阀流量,把水温差控制在要求值之上,该值根据要求设定且可更改,可以通过BA系统或手操器打开或关闭。

数字化表冷器(能量阀+表冷器)已经是完全的智能化末端,受控程度高,具有物联网功能。能量阀的通信功能具有多种主流通信协议,可以方便地连入楼宇自控系统。

能量阀可以提供几乎所有的表冷器运行参数,供自控系统使用。这些参数除了直接供自控系统调用、控制之外,还同时在内部控制器进行统计和分析,自动生成各种数据的趋势记录。这些趋势记录可以方便地导出,供运行管理者分析、使用,其中冷/热量表功能更是建筑能耗管理的有力工具。

能量阀内置Web Server,自带显示、操作图形界面。该功能使能量阀可以直接连接到网络,无需通过BA系统,可在远端查看及控制能量阀的各项参数,方便地配合当前的IOT和云计算应用。

4 结 语

电子式压力无关型控制阀以及在其基础上发展的能量阀,是当前在表冷器运行控制上的最稳定、可靠的自控执行机构,可以提高自控系统的性能,便于能耗管理。这类产品无缝衔接了现场设备的设计参数和控制系统的控制信号,使自控系统可以直接、准确、稳定地控制现场设备,且包容水力工况及参数偏离。

在未来的暖通自控发展过程中,电子式智能型末端控制阀会逐渐占更大的比重。尤其在对能源管控有所要求的项目中,量化控制表冷器的运行对于整个系统的能耗管理有着重要的实用意义,而智能末端阀门是最佳选择。

[1] 沈晔.楼宇自动化技术与工程[M].北京:机械工业出版社,2014.

[2] 程大章.智能建筑楼宇自控系统[M].北京:机械工业出版社,2005.

[3] 程大章.智能建筑理论与工程实践[M].北京:机械工业出版社,2009.

Application of Intelligent Valve in BA System Engineering

SHEN Ye1, WANG Nan2

[1.Tongji University, Shanghai 200092, China;2.BELIMO Actuators(Shanghai) Trading Co., Ltd., Shanghai 201108, China]

The application of intelligent valve in building automation(BA) system engineering was introduced.Based on the pressure independent flow control,this paper proposed a new solution of heating ventilation and air conditioning(HVAC) end device,such as surface air cooler.It improves the stability and accuracy of control.The electronic intelligent valve makes the end of HVAC facility transform into a digital end.

intelligent valve; building automation(BA) system; energy-saving operation; electronic pressure independent regulating valve

TU 201.5

B

1674-8417(2016)09-0044-04

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.09.010

2016-06-28

王 枬(1966—),男,工程师,从事建筑节能控制工作。