专利名称：具有能量计量功能的动态平衡电动调节阀控制方法及阀门的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种阀门控制方法及阀门。更具体地说，本发明涉及一种具有能量计量功能的智能型动态平衡电动调节阀控制方法及阀门。
背景技术：
高档建筑物全年耗能中50％～65％消耗于中央空调系统，变流量空调系统与定流量空调系统相比较，水泵及冷却塔设备平均可节能60％～80％、制冷主机可节能10％～40％。但是空调变流量水系统中普遍存在着水力失调现象，管网水力的不平衡容易造成系统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系统平衡的最佳方法。为了缓解能源紧张，创建节约型社会，必须将中央空调系统的智能控制、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。
以FlowCon、DANFOSS为代表的世界著名品牌动态平衡型电动调节阀产品(包括普通电动调节阀与机械式压差/流量平衡控制阀组合而成的非一体化动态平衡电动调节阀)，其本质上是一种具有机械自力式压差/流量自动平衡控制功能的电动调节阀(或称电动动态调节阀、或称压力无关型电动调节阀)，其动态压差平衡的机械原理十分简单，即当一体型动态平衡电动调节阀或非一体型动态平衡电动调节阀的两端压差DP＝P1-P3随机变化时，利用压差平衡控制器通过机械方式改变DP2＝P2-P3的差值确保DP1＝P1-P2自动恒定(压差控制后置式原理)。或者，利用压差平衡控制器通过机械方式改变DP1＝P1-P2的差值确保DP2＝P2-P3自动恒定(压差控制前置式原理)。
对于目前主导市场的几个世界品牌部分动态平衡电动调节阀产品，经过我们的测试和研究发现，大部分产品其动态平衡电动调节阀部分的调节特征曲线本质上不是等百分比调节特性。
目前大量应用的动态平衡电动调节阀产品普遍采用弹簧机械自力式的实现原理，因而存在通流能力明显偏小、动态平衡压差控制范围小、应用不灵活、工作压差起始值偏高，总体耗能偏高(由于DP＝DP1+DP2，实际使用时须牺牲压差控制器的压力来维持电动调节部分的压差自动恒定。显然牺牲压差控制器的压力也是浪费能耗)。
模拟量电动调节蝶阀(或模拟量电动调节球阀)因其结构简单、制造容易、通流能力大等优点而被广泛应用于流体流动的控制。如果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)、模拟量电动调节蝶阀进行一体化组合，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，空调管网水系统综合节能效果可达10％～55％。
目前公知的还没有发现一种具有能量计量功能的动态平衡电动调节阀控制方法及阀门。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种智能动态平衡电动调节阀控制方法。本发明更进一步的目的在于提供一种具有能量计量功能的动态平衡电动调节阀。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的本发明提供了一种具有能量计量功能的动态平衡电动调节阀控制方法(基于间接动态流量平衡法)，包括以下步骤
(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和孔板面积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和温差信号测量值；(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压差设定值，并转换成有量纲的动态平衡压差设定值；(7)将有量纲的动态平衡压差测量值与有量纲的动态平衡压差设定值进行比较，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。
本发明还提供了一种具有能量计量功能的动态平衡电动调节阀控制方法(基于直接动态流量平衡法)，包括以下步骤(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流量平衡最大值；(2)根据阀门的动态流量平衡最大值和孔板面积设定动态平衡压差最大值；(3)设定阀门的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和温差信号测量值；(5)将外部阀位行程值模拟信号转换成无量纲的阀位行程；(6)根据阀门调节特征获取无量纲的动态流量平衡设定值，并转换成有量纲的动态流量平衡设定值；
(7)利用孔板面积和有量纲的动态平衡压差测量值获取有量纲的动态流量平衡测量值，并与设定值进行比较，根据APID控制运算结果调节模拟量电动调节阀的开度，直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测量值的乘积进行能量的积算。
本发明进一步提供了一种具有能量计量功能的动态平衡电动调节阀，包括阀体和设于阀体中的电动调节阀组件2，所述阀体的内流道中设有孔板5，在孔板5前后的阀体壁上分别开设测压咀7和测压咀9；压差传感器10通过压力传送管8分别与测压咀7和测量咀9相连；智能控制器11通过电缆线13分别与压差传感器10和设置于电动调节阀组件2上的电动执行器14、设置于阀体上的回水温度传感器15、设置于供水管路上的供水温度传感器16相连。
作为本发明的进一步改进，所述孔板5通过卡装形式放置在阀体的内流道中。
作为本发明的进一步改进，所述阀体的内流道中设置固定板4，孔板5通过螺钉或螺栓直接装配在固定板4上。
作为本发明的进一步改进，所述阀体分为前阀体6和后阀体1，前阀体6、电动调节阀组件2和后阀体1通过螺栓3依次连接。
作为本发明的进一步改进，所述电动执行器14是模拟量角行程电动执行器。
作为本发明的进一步改进，所述电动调节阀组件2是电动调节蝶阀组件或电动调节球阀组件。
作为本发明的进一步改进，所述的回水温度传感器15和供水温度传感器16是测量温差的配对温度传感器。
作为本发明的进一步改进，所述阀体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在外部呈一体化的形状。
与现有技术相比，本发明的有益效果是采用具有能量计量功能的动态平衡电动调节阀控制方法，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，流经孔板后通过绕流蝶阀的阀体，最后从后阀体的流道出口流出，孔板的两端设置测压咀，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(1)对于间接动态流量平衡法，利用特征公式计算出孔板两端的动态平衡压差设定值，当孔板两端的动态平衡压差测量值与该设定值发生偏差时，利用APID控制方法调节模拟量电动蝶阀的开度，孔板两端的动态平衡压差自动控制在某动态设定值(这是一种通过外部模拟输入方式给定的动态平衡压差设定值)，从而间接实现了高精度的动态流量平衡；(2)对于直接动态流量平衡法，采用特征公式计算出孔板的动态流量平衡设定值，当孔板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。
本发明的智能型动态平衡电动调节阀具有压力无关型的理想阀门调节特性，并集成了空调冷热量计量功能。且一体阀结构工艺简单、工作压差起始值小、通流能力大、使用寿命长、制造成本低廉，适合小批量多品种生产。
由于具有能量计量和动态平衡电动调节功能，应用于空调、供热管网水系统时其综合节能效果十分明显。
图1是本发明实施例中具有能量计量功能的动态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固定板、5孔板、6前阀体、7测压咀、8压力传送管、9测压咀、10压差传感器、11智能控制器、12接线端子、13电缆线、14模拟量电动执行器、15回水温度传感器、16供水温度传感器。
具体实施例方式
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14，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6、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。
所述前阀体6的内流道内有孔板5，通过螺冒直接配装在前阀体6内的固定板4上，当然也可以通过卡装形式直接配装在前阀体6的内流道。
前阀体6的外壁开设测压咀9和测压咀7，通过压力传送管8连接到压差传感器10的高压端和低压端，用以测量前阀体6内孔板5的两端压差(即孔板的动态平衡压差)并变送成标准信号。
智能控制器11通过电缆线13分别与压差传感器10和设置于电动调节阀组件2上的电动执行器14、设置于阀体上的回水温度传感器15、设置于供水管路上的供水温度传感器16相连。回水温度传感器15、供水温度传感器16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10、智能控制器11、模拟量电动执行器14和动态平衡电动调节阀组件2共同构成了孔板压差动态平衡控制装置，从而实现流量的动态平衡。
智能控制器11可内嵌或者下载可进行能量积算与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11输出标准控制信号通过电缆线13直接调节模拟量电动执行器14，通过调节电动阀的开度实现前阀体6内的孔板5流量的动态平衡控制。所述的间接流量动态平衡法属于压差平衡法。
这是一种典型的属于压力无关型的电子式动态平衡电动阀控制方法及阀门，进行控制的原理如下对于本发明的智能型动态平衡电动调节阀，可以引入一个调节阀阀位行程的“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∈
、4～20mA标准控制信号表示x∈[4，20]。
假设动态平衡电动调节阀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∈
、Q∈
、ΔP∈
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/10进行无量纲化。
由于调节阀的无量纲相对流量系数KVS＝1，所以有公式Q=KVS·ΔP=ΔP---(1)]]>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＝RX-1，ΔP＝R2·(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。
模拟量电动执行器14将模拟量动态平衡电动调节阀组件2中的阀体打开时，水从前阀体6流道入口流入，流经孔板5后通过绕流蝶阀阀体，最后从后阀体1的流道出口流出。孔板5的两端设置测压咀7和测压咀9，用于测量孔板的两端压差。
所述的智能控制器11既可以采用通用型智能控制器产品，也可以专用智能控制器进行二次开发，智能控制器11还包括一些标准I/O接线端子12。智能控制器11可选用SIENENS公司的S7-200通用PLC产品并用STEP7进行高级编程实现，也可以采用多回路智能调节仪表，或者基于嵌入式的单片机(MCU)进行二次开发组态、或者基于成熟DDC产品进行二次组态。
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)。当孔板5两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11的内置APID控制方法通过改变电动调节蝶阀的开度实现孔板5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)。当孔板5两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11的内置APID控制方法通过改变电动调节蝶阀的开度，直接实现了孔板5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。
本发明的智能型动态平衡电动调节阀控制流程如下(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DPMAX；(2)根据阀门动态平衡压差最大值DPMAX和孔板面积计算阀门的动态流量平衡最大值FMAX，即FMAXx=KVS·DPMAX;]]>(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DPMAX作为动态平衡压差设定值，其中DPS＝DPMAX×ΔP。
例如对于等百分比调节特性取ΔP＝R2·(X-1)(R常数)，当然也可以采用函数ΔP＝R2·(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DPP与动态平衡压差设定值DPS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＝∫0Cw·ρw·Qw·ΔT·dt其中Cw表示单位转换换算系数、ρw表示冷/热水的密度、Qw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FMAX；(2)根据阀门的动态流量平衡最大值FMAX和孔板面积计算出阀门的动态平衡压差最大值DPMAX，即DPMAX＝(FMAX/KVS)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FS作为动态流量平衡设定值，其中FS＝FMAX×Q，对于等百分比调节特性，取Q＝RX-1或者Q＝RX-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FP；(6)将动态流量平衡测量值FP与动态流量平衡设定值FS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)。
本发明的智能电动调节阀具体技术参数举例如下对于某DN80产品规格，设计动态平衡压差范围(16～400)KPa，孔板设计面积2620mm2，动态流量平衡最大值32m3/h。如果选用公式(4)实现理想的等百分比调节特性(取R＝50)，则对应的外部设定相对阀位值、平衡压差、平衡流量数据如表1所示，相对外部阀位值与标准电信号的对应关系如表2。
表1
表2
对应同样的孔板，只需设定控制器特征公式，还可以实现线性特性、或者抛物线特性，且这些理想调节特性均属于压力无关型，同时智能阀还具有能量积算计量功能。
显然，上述表格中的工作压差起始值才16kPa，而动态流量平衡最大控制值可达到32m3/h，整体技术数据明显优于目前进口品牌的机械型动态平衡电动调节阀。
显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
权利要求
1.一种具有能量计量功能的动态平衡电动调节阀控制方法，包括以下步骤(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和孔板面积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压差设定值，并转换成有量纲的动态平衡压差设定值；(7)将有量纲的动态平衡压差测量值与有量纲的动态平衡压差设定值进行比较，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。
2.一种具有能量计量功能的动态平衡电动调节阀控制方法，包括以下步骤(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流量平衡最大值；(2)根据阀门的动态流量平衡最大值和孔板面积设定动态平衡压差最大值；(3)设定阀门的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和阀门通道内温差测量值；(5)将外部阀位行程值模拟信号转换成无量纲的阀位行程；(6)根据阀门调节特征获取无量纲的动态流量平衡设定值，并转换成有量纲的动态流量平衡设定值；(7)利用孔板面积和有量纲的动态平衡压差测量值获取有量纲的动态流量平衡测量值并与设定值进行比较，根据APID控制运算结果调节模拟量电动调节阀的开度，直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测量值的乘积进行能量的积算。
3.一种实现权利要求1或2所述的具有能量计量功能的动态平衡电动调节阀，包括阀体和设于阀体中的电动调节阀组件(2)，其特征在于所述阀体的内流道中设有孔板(5)，在孔板(5)前后的阀体壁上分别开设测压咀(7)和测压咀(9)；压差传感器(10)通过压力传送管(8)分别与测压咀(7)和测压咀(9)相连；智能控制器(11)通过电缆线(13)分别与压差传感器(10)和设置于电动调节阀组件(2)上的电动执行器(14)、设置于阀体上的回水温度传感器(15)、设置于供水管路上的供水温度传感器(16)相连。
4.根据权利要求3所述的动态平衡电动调节阀，其特征在于，所述孔板(5)通过卡装形式放置在阀体的内流道中。
5.根据权利要求3所述的动态平衡电动调节阀，其特征在于，所述阀体的内流道中设置固定板(4)，孔板(5)通过螺钉或螺栓直接装配在固定板(4)上。
6.根据权利要求3所述的动态平衡电动调节阀，其特征在于，所述阀体分为前阀体(6)和后阀体(1)，前阀体(6)、电动调节阀组件(2)和后阀体(1)通过螺栓(3)依次连接。
7.根据权利要求3所述的动态平衡电动调节阀，其特征在于，所述电动执行器(14)是模拟量角行程电动执行器。
8.根据权利要求3所述的动态平衡电动调节阀，其特征在于，所述电动调节阀组件(2)是电动调节蝶阀组件或电动调节球阀组件。
9.根据权利要求3所述的动态平衡电动调节阀，其特征在于，所述的回水温度传感器(15)和供水温度传感器(16)是测量温差的配对温度传感器。
10.根据权利要求3所述的动态平衡电动调节阀，其特征在于，所述阀体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)在外部呈一体化的形状。
全文摘要
本发明公开了一种阀门控制方法及阀门，旨在提供具有能量计量功能的智能型动态平衡电动调节阀控制方法及实现该方法的阀门。通过采用该控制方法，电动执行器将蝶阀组件中的阀体打开时，水从前阀体的流道入口流入，流经孔板后通过绕流蝶阀的阀体，最后从后阀体的流道出口流出。孔板的两端设置测压咀，用于测量孔板的动态压差。阀体和供水管路设温度传感器用于测量温度差值，可进行能量计量。本发明的调节阀具体理想的阀门调节特性，且结构工艺简单、工作压差起始值小、通流能力大、使用寿命长、制造成本低廉，适合小批量多品种生产。由于具有能量计量和动态平衡电动调节功能，应用于空调、供热管网水系统时其综合节能效果十分明显。
文档编号F16K17/20GK1837996SQ20061004982
公开日2006年9月27日 申请日期2006年3月14日 优先权日2006年3月14日
发明者沈新荣, 朱文斌, 黎焱, 章威军, 杨春节, 郁辉球 申请人:浙江大学