水量连续调节阀动态性能试验与智能调控方法

摘要

水量连续调节阀是暖通空调系统重要的流量与能量调节部件，在管网水力平衡和局部水力参数控制中扮演重要角色，对暖通空调系统功能实现及运行节能有重要意义。水量连续调节阀在实际应用调节中存在两个问题亟待解决：一、调节阀缺乏全行程开度下动态阻力特性及其量化描述方法；二、缺少准确定量的调节阀阀位与被控参数的动态调节模型。传统上表征调节阀阻力特性的参数仅有调节阀全开时的流量系数或流阻系数，而调节阀运行调节过程阀位始终变化，缺少对全行程开度动态阻力的衡量是导致调节阀选型考虑不完备、阀位控制失灵等问题存在和发生的本质基础问题。问题二，由于缺少调节阀开度与被控参数的准确物理关系，使得调节阀阀位控制不准确，调节过程阀位反复动作，导致系统运行状态欠佳，设备易老化，面对管网调节扰动，难以实现动态补偿。因此亟需针对上述问题展开理论与试验研究。现有文献研究并未深入聚焦调节阀全行程开度阻力特性及调节阀管网调节运行性能这一层面，未能解决调节阀阻力特性量化描述和阀位准确控制等问题。由于调节阀全行程动态阻力特性与调节阀材质、流道结构、调节阀开度等诸多因素密切相关，难以直接从理论导出，所以本文按照试验研究结合理论分析推导，最终试验验证方法结论的思路，对水量连续调节阀动态阻力及其描述方法、调节阀运行控制模型及控制方法展开研究。
　　首先，依据流体管网水力特性数学模型，分析调节阀动态调节特性试验系统设计原理，参考试验系统设计方法，完成调节阀动态调节特性试验系统的设计和仪表设备的选型，并开发试验监测控制系统，完成试验系统的建设和调试，为后续内容的研究提供试验平台。
　　基于调节阀动态调节特性试验系统，研究调节阀动态性能试验工况，并展开不同工况试验研究。试验得到调节阀运行状态变量——调节阀流量、调节阀压降、调节阀开度三者构成空间曲面，基于最小二乘法确定调节阀开度导纳函数的结构及参数量值(描述调节阀全行程开度与调节阀导纳关系，导纳即阻抗的倒数)，并建立阀门水力特性状态方程(描述调节阀流量-压降-开度关系的方程)。
　　然后，对比分析调节阀特性曲线和调节阀开度导纳函数，后者则通过静态参数λ表达调节阀全开时导纳，动态参数n表达调节阀导纳随阀位动作的变化趋势，完整准确地展示出调节阀全行程开度动态阻力特性，且不受前者苛刻条件的约束。提出水量连续调节阀动态特性现场标定方法，以解决现有调节阀动态阻力特性未知的问题。
　　基于阀门水力特性状态方程和调节控制需求，构建一种新型智能调节阀模型。对调节阀控制任务抽象归纳分为两类：针对用户需求改变而进行主动调节控制与针对管网其他调节的影响与波动而进行被动补偿控制。基于该智能调节阀，主动调节控制方法通过对调节阀自身运行状态参数感知及调节阀管网调节模型，辨识得到管网状态参数与调节阀阀权度，即可准确给定调节阀控制阀位，实现被控流量(或压差)的准确控制。被动补偿控制方法依据被控参数及调节扰动量，实行动态阀位补偿，保证当前管路的水力工况的稳定性和被控目标参数的准确性。理论分析、试验与算法模拟验证该阀位控制算法的收敛性、快速性和有效性。
　　基于阀门水力特性状态方程构建的智能调节阀具有阀门智能化判别特征，自主感知、自主计算、自主控制、自主适应、自主通讯，可胜任智能化调控任务。智能连续调节阀核心开发工作：智能阀门标准信息模型、调节控制算法、网络监听通讯已经初步完成。

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摘　　要

Abstract

1 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.1.1 调节阀是暖通空调系统的关键调控部件

1.1.2 水量连续型调节阀存在的问题亟待解决

1.1.3 研究意义

1.2 阀门调控方法研究应用现状

1.2.1 管网水力平衡相关问题研究

1.2.2 水量连续调节阀调节性能研究进展

1.3 研究思路与主要研究内容

2 水量连续调节阀动态性能试验系统的建立

2.1 调节阀动态性能试验原理分析

2.1.1 调节阀开度导纳函数与阀门水力特性状态方程

2.2 调节阀动态性能试验系统的设计

2.2.1 试验台水循环系统的设计

2.2.2 试验台监测控制系统的设计

2.3 调节阀动态性能试验系统的建设

2.4 本章小结

3 调节阀动态性能试验及水力特性状态方程

3.1 调节阀动态性能试验工况的设定

3.2 调节阀动态性能试验数据分析

3.3 调节阀水力特性状态方程的建立

3.3.1 调节阀开度导纳函数结构

3.3.2 调节阀水力特性状态方程

3.4 调节阀动态性能试验误差分析

3.5 调节阀全行程开度下阻力特性的定量描述方法研究

3.5.1 三类常用调节阀特性曲线的量化描述方法

3.5.2 全行程开度下调节阀动态阻力特性的开度导纳函数描述方法

3.6 本章小结

4 基于水力特性状态方程的智能调节阀特性标定与控制方法

4.1 智能调节阀的定义及判定方法

4.1.1 智能调节阀定义及判别

4.1.2 水量连续智能调节阀的设计

4.2 调节阀全行程开度动态特性标定方法

4.2.1 调节阀动态阻力特性现场标定方法

4.2.2 基于相似原理的同类调节阀阻力特性计算方法

4.3 智能调节阀主动调节控制方法研究

4.3.1 调节阀所在支路管网流量主动调节控制方法

4.3.2 智能调节阀主动调节控制实现方法

4.4 智能调节阀水力特性被动补偿控制方法

4.4.1 典型水力工况被动补偿控制方法

4.4.2 典型热力工况被动补偿控制方法

4.5 本章小结

5 智能调节阀标准信息模型与控制器开发

5.1 智能阀门标准信息模型

5.2 智能调节阀组网结构与信息交换方法

5.3 智能调节阀控制器的开发

5.4 智能调节阀流量感知特性的实现方法

5.5 本章小结

结论与展望

参考文献

附录 A 调节阀动态性能试验数据

附录 B　智能连续调节阀 Modbus 寄存器设计

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致　　谢

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