УСТРОЙСТВО И СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОДАЧИ ГОРЯЧЕЙ ВОДЫ
HOT WATER SUPPLY CONTROL DEVICE AND METHOD

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способам и устройствам управления системами подготовки горячей воды, включающим первичную комбинированную теплоэлектростанцию (ТЭС) с тепловым аккумулятором и вторичное нагревательное устройство, например обычный паровой котел.
Уровень техники
Нагревательные устройства типа установок ТЭС, в которых вырабатываются энергия и теплота для таких объектов-потребителей, как коммунально-бытовые и промышленные здания, известны. Установка ТЭС может, например, представлять собой двигатель внутреннего сгорания (ВС) или топливный элемент. Установка ТЭС может вырабатывать энергию в форме механической энергии, но обычно ТЭС вырабатывает электрическую энергию. Производство энергии сопровождается тепловыми «потерями», обычно они происходят в контуре охлаждающей воды. Типовая ТЭС оснащается тепловым аккумулятором, в котором теплота, произведенная при выработке энергии, аккумулируется, если она не используется потребителем. Тепловой аккумулятор обычно представляет собой бак или сосуд, в который сливаются излишки горячей воды из установки ТЭС.
Для отпуска теплоты потребителю к водяному контуру системы ТЭС присоединяется система или контур водоснабжения дома, т.е. радиаторы. Система на базе ТЭС, адаптированная к существующей системе горячего водоснабжения, должна работать совместно с существующим нагревательным устройством, которое может представлять собой газовый или электрический котел. Новые ТЭС могут также оснащаться такими вторичными теплогенерирующими устройствами, которые могут использоваться изолированно или в сочетании с ТЭС и теплоаккумулирующим устройством. Назначение таких систем - повышение эффективности работы установок, обеспечиваемое тем, что некоторые или все потребности в тепловой и электрической энергии могут удовлетворяться с помощью ТЭС.
Однако в тех случаях, когда потребности в теплоте на протяжении длительного времени превышают возможности выработки теплоты конкретной системой ТЭС, возникают проблемы. Причем в ситуации такого рода потребность в электроэнергии может по-прежнему требовать выработки энергии установкой ТЭС (обычно - на уровне ниже максимальной выходной мощности) и непрерывного режима работы установки, с тем, чтобы обеспечить наиболее эффективную и экономичную работу всей энергосистемы. Для удовлетворения потребности в теплоте необходима эксплуатация котла, чтобы дополнить теплопроизводство ТЭС. Однако часто случается, что совокупное производство теплоты котлом и установкой ТЭС превышает потребности. В результате возникает необходимость отключать котел, когда температура в системе приближается к температуре, заданной потребителем. Затем, когда температура начнет падать и опустится ниже температуры, требуемой потребителю, котел снова включается. После этого температура повышается, и котел отключается. Таким образом, котел все время включается и отключается в процессе колебаний температуры около температуры, заданной потребителем. Такие переключения могут повредить котел, а эксплуатация котла в течение лишь небольших периодов времени неэффективна.
Фиг.1 иллюстрирует эту проблему для известной типовой системы. В данном случае требуется средний уровень производимой тепловой мощности 100 кВт. Требуется также, чтобы уровень выработки электроэнергии установкой ТЭС был постоянным, и в данном примере это приводит к производству тепловой энергии на уровне 40 кВт, представленном горизонтальной линией 14. Такого теплопроизводства недостаточно для удовлетворения потребностей в теплоте, поэтому эксплуатируется и котел, вырабатывая теплоту на уровне, представленном пунктирной линией 13. В таком режиме ТЭС работает как предварительный нагреватель котла, и суммарное теплопроизводство ТЭС и котла показано сплошной линией 11. Как видно из графика, в начальный момент котел эксплуатируется, и в результате суммарное теплопроизводство 11 превышает требуемое среднее значение 100 кВт. Поэтому среднее значение отпускаемой тепловой энергии, показанное жирной линией 12, возрастает, а вместе с ним возрастает и температура оборудования потребителя. В какой-то момент температура оборудования потребителя становится слишком высокой, вследствие чего котел отключается. После этого среднее значение отпускаемой тепловой энергии 12 падает, а вместе с ним падает и температура, пока не достигнет значения, при котором котел снова включается. После этого цикл повторяется, и, таким образом, происходят частые включения и выключения котла.
Кроме того, описанная выше система вызывает появление значительных негативных явлений при использовании конденсационного котла. Это связано с тем, что эффект предварительного нагрева, упомянутый выше, противодействует конденсации в конденсационном котле. В результате котел для производства того же количества теплоты потребляет больше топлива, что значительно снижает его кпд. Это в особенности важно там, где законодательство требует использования конденсационного котла, как, например, в Великобритании.
Раскрытие изобретения
Согласно первому аспекту настоящее изобретение предлагает устройство нагрева воды для горячего водоснабжения потребителя, включающее комбинированную теплоэлектростанцию (ТЭС), тепловой аккумулятор и вторичное нагревательное устройство, причем ТЭС и вторичное нагревательное устройство выполнены для работы в первом режиме, при котором ТЭС снабжает теплотой тепловой аккумулятор, а вторичное нагревательное устройство отпускает потребителю всю горячую воду, обеспечивающую его потребности в теплоте, и для работы во втором режиме, при котором вторичное нагревательное устройство неактивно, а потребности потребителя в горячем водоснабжении обеспечивают ТЭС и/или тепловой аккумулятор.
Таким образом, в этих двух режимах горячую воду может отпускать ТЭС и/или тепловой аккумулятор - или вторичное нагревательное устройство, работающее независимо от контура ТЭС, так что оно используется только непрерывно для удовлетворения полной потребности потребителя, а не «для добавки» теплопроизводства при использовании нагревательного устройства в сочетании с отпуском теплоты из теплового аккумулятора. Нагретая вода эффективно производится «порциями», что позволяет ТЭС вырабатывать электроэнергию в непрерывном режиме, а вторичному нагревательному устройству работать в течение длительных периодов времени без частых включений и отключений. Как правило, во втором режиме отпуск теплоты производится просто из аккумулятора, а ТЭС неактивна. Однако при определенных условиях работа ТЭС может оказаться желательна - либо для увеличения общего теплопроизводства системы во втором режиме, либо для удовлетворения спроса потребителя на электроэнергию. При опорожнении теплового аккумулятора может эксплуатироваться одна лишь ТЭС для продолжения отпуска теплоты с целью удовлетворения спроса, в особенности, если имеется также и местная потребность в электроэнергии. Однако в большинстве случаев при опорожнении теплового аккумулятора предпочтительно переключение системы в первый режим работы, как описывается ниже.
Вторичным нагревательным устройством может быть котел, а может быть, например, конденсационный котел. Поскольку в данной системе котел и установка ТЭС работают «порциями», негативных явлений, связанных с подачей в конденсационный котел предварительно нагретой воды, удается избежать.
В типовых условиях вторичное нагревательное устройство имеет автономную систему управления (например, в виде термостата), которая включает вторичное нагревательное устройство, когда температура воды, поступающей во вторичное нагревательное устройство или выходящей из него, опускается ниже первого заранее заданного значения, и выключает вторичное нагревательное устройство, когда температура воды поднимается выше второго заранее заданного значения.
Предпочтительно использовать это свойство системы так, чтобы работа вторичного нагревательного устройства управлялась посредством регулирования температуры воды, подпитывающей вторичное нагревательное устройство. Таким образом, устройство согласно изобретению может быть выполнено так, чтобы оно при температуре, превышающей второе заданное значение, переключалось во второй режим с использованием установки ТЭС и/или теплового аккумулятора для подачи воды во вторичное нагревательное устройство. Устройство согласно изобретению может переключаться из второго режима в первый путем прекращения подачи горячей воды от установки ТЭС и/или теплового аккумулятора во вторичное нагревательное устройство.
Это означает, что система управления ТЭС может быть использована для косвенного управления вторичным нагревательным устройством, несмотря на то что система непосредственного управления вторичного нагревательного устройства полностью автономна. Это в особенности полезно в тех случаях, когда установка ТЭС адаптируется к уже существующей системе, поскольку не требует никаких модификаций существующей системы управления. В одном из предпочтительных вариантов осуществления устройство согласно изобретению выполнено так, что в первом режиме установка ТЭС подает горячую воду для заполнения теплового аккумулятора до установленного максимального уровня, а когда этот максимальный уровень достигнут, устройство переключается во второй режим. И поскольку установке ТЭС требуется некоторое время на заполнение теплового аккумулятора, вторичное нагревательное устройство будет работать в течение длительного периода времени.
Упомянутый максимальный уровень должен быть выбран так, чтобы при его достижении установка ТЭС и/или тепловой аккумулятор могли удовлетворить потребности в теплоте, и предпочтительно выбирается так, чтобы потребности в теплоте могли удовлетворяться, по крайней мере, в течение некоторого промежутка времени. Этот максимальный уровень теплового аккумулятора может соответствовать его заполнению, иначе говоря, положению, когда уже не имеется доступной емкости для воды охлаждения ТЭС. Это обеспечивает наибольшее возможное время работы во втором режиме. В альтернативном варианте, максимальный уровень теплового аккумулятора может соответствовать положению, когда доступная емкость для воды охлаждения в тепловом аккумуляторе падает до уровня, при котором установка ТЭС может работать без выхода из режима охлаждения лишь в течение некоторого определенного минимального промежутка времени. Это обеспечивает отсутствие риска повреждения установки ТЭС.
Устройство согласно изобретению предпочтительно выполняется так, чтобы оно работало во втором режиме до тех пор, пока количество аккумулированной теплоты остается ниже некоторого минимального уровня, а в момент его достижения переключалось в первый режим. Таким образом, порядок работы ТЭС и вторичного нагревательного устройства может определяться остыванием теплового аккумулятора. Минимальным уровнем аккумулированной теплоты может быть уровень, при котором тепловой аккумулятор и установка ТЭС не могут удовлетворить потребность в теплоте или предпочтительно это может быть минимальный уровень теплоты, определенный исходя из ожидаемого потребления теплоты во время запуска вторичного нагревательного устройства. Это обеспечивает положение, при котором потребность в теплоте всегда можно будет удовлетворить.
Следует заметить, что хотя в настоящем изобретении рассматривается использование вышеуказанных первого и второго режимов, но возможно также применение и других режимов работы, - в зависимости от потребностей в теплоте и электроэнергии. Например, может применяться неактивный режим, когда теплоты не требуется, а потребность в электроэнергии такова, что эксплуатация установки ТЭС нерентабельна. В таком режиме могут быть неактивны одновременно и установка ТЭС, и вторичное нагревательное устройство.
Согласно второму аспекту изобретение предлагает способ горячего водоснабжения потребителя, использующий устройство, включающее комбинированную теплоэлектростанцию (ТЭС), тепловой аккумулятор и вторичное нагревательное устройство, причем способ включает: при первом наборе условий эксплуатацию устройства в первом режиме, при котором вторичное нагревательное устройство отпускает потребителю всю горячую воду, обеспечивающую его потребности в теплоте, а установка ТЭС подает горячую воду в тепловой аккумулятор; а при втором наборе условий эксплуатацию устройства во втором режиме, при котором вторичное нагревательное устройство неактивно, а потребности потребителя в горячем водоснабжении обеспечивают установка ТЭС и/или тепловой аккумулятор.
Предпочтительно, чтобы первый набор условий включал условие, предусматривающее использование первого режима, когда количество аккумулированной теплоты падает ниже установленного минимального уровня. В первый набор условий может, далее, входить условие, предусматривающее продолжение использования первого режима до тех пор, пока количество аккумулированной теплоты не превысит установленного максимального уровня. Эти максимальный и минимальный уровни могут выбираться так, как описано выше.
В качестве альтернативы и/или дополнения к вышеупомянутым условиям первый набор условий может включать условие, предусматривающее использование первого режима, когда суммарного отпуска теплоты теплового аккумулятора и установки ТЭС недостаточно для удовлетворения потребностей в теплоте. Таким образом, установка ТЭС и тепловой аккумулятор используются до последней возможности, но затем замещаются котлом, чтобы дать возможность установке ТЭС снова наполнить тепловой аккумулятор. Это означает, что предлагаемый способ обеспечивает эффективную эксплуатацию системы.
Второй набор условий может предусматривать запуск устройства во втором режиме, когда тепловой аккумулятор заполнен до некоторого максимального уровня; этот максимальный уровень соответствует обсуждавшемуся выше.
В одном из предпочтительных вариантов упомянутые условия выбираются так, что устройство работает во втором режиме до тех пор, пока количество аккумулированной теплоты ниже некоторого минимального уровня, а когда этот уровень достигается, устройство переключается в первый режим. В этом случае установка ТЭС может использоваться для заполнения горячей водой теплового аккумулятора до максимального уровня, после чего может произойти переключение установки на второй режим.
Может быть предусмотрен дополнительный набор условий, при которых используется неактивный режим. В частности, при условии, что потребителю не требуется теплоты, предлагаемый способ может включать эксплуатацию устройства в неактивном режиме, при котором ни установка ТЭС, ни вторичное нагревательное устройство не вырабатывают теплоты. Этот дополнительный набор условий может также требовать минимального уровня теплоты, аккумулированной в тепловом аккумуляторе.
Еще одна проблема применения существующих систем, использующих нагревательные устройства, например установки ТЭС, связана с тем, что компоновка таких систем часто предусматривает соединение выпускной и обратной труб водяного контура установки ТЭС с основным водяным контуром. Это относится также и к распространенной ситуации, когда вторичное нагревательное устройство, например котел, соединено с основным контуром выше по потоку относительно контура первичного нагревательного устройства. В таких системах необходимо предотвратить опрокидывание потока, входящего в основной водяной контур из выпускной трубы контура нагревательного устройства. Эта проблема решается применением обратного клапана, устанавливаемого в основном водяном контуре между выпускной и обратной трубами контура ТЭС. Однако в основном водяном контуре используются трубы большого диаметра, например диаметром 3 или 4 дюйма, и, соответственно, применение обратного клапана затруднено и дорого. Кроме того, управление такими системами требует управления температурой смеси нагретой воды из водяного контура первичного нагревательного устройства и воды в основном водяном контуре. Эта смешанная вода подается на вход вторичного нагревательного устройства или на вход потребительской установки в основном контуре.
Согласно третьему аспекту настоящее изобретение предлагает устройство управления соединением водяного контура нагревательного устройства с основным водяным контуром, включающее клапан для управления потоком воды из выпускной трубы водяного контура нагревательного устройства в основной водяной контур, причем устройство включает управляющую систему для управления работой клапана, в которой имеется два входа датчиков, включая вход датчика первой температуры, предназначенного для измерения температуры обратной линии в точке выше по потоку относительно выпускной трубы водяного контура нагревательного устройства на пути потока от этой выпускной трубы к нагревательному устройству, и вход датчика второй температуры, предназначенного для измерения температуры в подающей линии основного водяного контура ниже по потоку относительно выпускной трубы водяного контура нагревательного устройства.
При использовании этого клапана устройство способно обнаруживать повышение температуры обратной воды либо непосредственно с помощью датчика в обратном трубопроводе основного контура, либо косвенно с помощью датчика, помещенного в обратном трубопроводе водяного контура нагревательного устройства. Такие повышения температуры указывают либо на опрокидывание выходного потока нагретой воды в водяном контуре нагревательного устройства, либо на то, что вода в обратном трубопроводе основного водяного контура слишком горячая и может быть использована для выработки сигнала на закрытие клапана. Опрокидывание потока может произойти в том случае, когда потребитель в основном водяном контуре потребляет меньше нагретой воды, чем ее отпускается из водяного контура нагревательного устройства. Избыток горячей обратной воды в основном водяном контуре может иметь место, если отпускается слишком много теплоты, сравнительно с потребностью потребителей в основном водяном контуре. В обоих случаях предпочтительно уменьшить или перекрыть выпуск горячей воды из водяного контура нагревательного устройства в основной водяной контур.
На пути от выпускной трубы водяного контура нагревательного устройства к нагревательному устройству поток существенно возвращается по основному водяному контуру в обратную трубу водяного контура нагревательного устройства и затем к нагревательному устройству. Например, вход датчика первой температуры может быть предназначен для измерения температуры в точке вблизи соединения обратной трубы водяного контура нагревательного устройства и основного водяного контура или в какой-либо точке обратной трубы водяного контура нагревательного устройства. Однако для получения наилучших результатов использования предпочтительных свойств настоящего изобретения согласно данной его особенности предпочтительно использовать вход датчика первой температуры для измерения температуры в какой-либо точке этого пути потока, идущего по основному водяному контуру между соединениями с выпускной трубой водяного контура нагревательного устройства и с обратной трубой водяного контура нагревательного устройства, т.е. входом в этот контур из основного контура. Это означает, во-первых, что всякое опрокидывание потока быстро достигнет датчика и, во-вторых, что физические места реального расположения датчиков сравнительно близки друг к другу, что облегчает монтаж. Наиболее предпочтительно использовать вход датчика первой температуры для измерения температуры в какой-либо точке между соединениями с выпускной трубой водяного контура нагревательного устройства и с обратной трубой водяного контура нагревательного устройства, чтобы исключить размещение датчиков в непосредственной близости от соединений.
Нагревательное устройство предпочтительно может быть установкой ТЭС, например, использующей двигатель ВС, или топливным элементом, однако указанное клапанное устройство является полезным также и для управления выходом нагревательных устройств других типов. Указанное клапанное устройство предпочтительно применяется на первичном нагревательном устройстве в водяном контуре нагревательного устройства и на вторичном нагревательном устройстве в основном водяном контуре. При использовании таким образом оно особенно полезно, так как способно управлять взаимодействием первичного и вторичного нагревательных устройств, допуская как последовательное их применение, описанное выше, так и их совместное применение без перегрева воды.
Предпочтительно выполнять управляющую систему так, чтобы задаваемая рабочая точка определялась исходя из температуры воды, которая может отпускаться через водяной контур нагревательного устройства. Клапан при этом может управляться таким образом, чтобы поддерживать параметры воды в основном водяном контуре ниже по потоку относительно выпускной трубы водяного контура нагревательного устройства соответствующими заданной рабочей точке. Такое выполнение обеспечивает эффективную работу системы в то время, когда заданное потребителем значение не может быть достигнуто, - путем замещения заданного потребителем значения на значение рабочей точки, которое может соответствовать меньшей температуре. В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, если наивысшая температура воды, которую может отпускать водяной контур нагревательного устройства, выше заданного потребителем значения, это заданное потребителем значение используется как значение заданной рабочей точки, в противном случае в качестве значения заданной рабочей точки используется наивысшая возможная заданная рабочая точка. Для определения температуры воды, которую может отпускать контур нагревательного устройства, предлагаемое устройство может включать датчик температуры в водяном контуре нагревательного устройства и/или датчик температуры в баке теплового аккумулятора этого контура.
Система управления предпочтительно регулирует клапан для поддержания значения температуры подающей линии на входе датчика второй температуры на заданной точке, предпочтительно на заданной рабочей точке, обсуждавшейся выше. В системе этого типа клапан может быть открыт или закрыт в той или иной степени для получения соответствующих изменений расхода. Температура подающей линии измеряется с заданной периодичностью, соответствующей времени цикла регулирования, и клапан регулируется для управления температурой подающей линии исходя из замеренных значений температуры. Система управления может быть выполнена так, чтобы клапан открывался или закрывался в зависимости от того, насколько сильно замеренное значение температуры подающей линии отличается от заданного значения.
В системе управления предпочтительно используется диапазон температур, включающий значения по обе стороны от заданной точки, в котором регулировка клапана не производится. Эта «нейтральная полоса» позволяет избежать вибраций клапана и чрезмерно частых регулировок.
В системе управления может использоваться диапазон температур, включающий значения по обе стороны от заданной точки, в котором регулировка клапана осуществляется пропорционально отклонению от заданной точки. Такой тип пропорциональной регулировки обеспечивает точное управление температурой с использованием работы клапана. Предпочтительно, чтобы вне этой «полосы пропорциональности» клапан был постоянно открыт или закрыт до тех пор, пока не будет достигнута температура внутри полосы пропорциональности.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения в системе управления используется нейтральная полоса с диапазоном температур, рассчитанным как величина ожидаемого возрастания или падения температуры от заданной точки при открытии или закрытии клапана за установленное минимальное время отработки. В другом предпочтительном варианте осуществления в системе управления используется - наиболее предпочтительно в сочетании с вышеописанной нейтральной полосой - полоса пропорциональности, внешняя граница которой рассчитана как величина ожидаемого возрастания или падения температуры от заданной точки при открытии или закрытии клапана за установленное максимальное время отработки. Это максимальное время отработки предпочтительно соответствует времени цикла регулирования, используемого в системе управления. Например, это время может составлять 5 секунд, притом что общее время хода клапана на открытие или закрытие обычно составляет 60 секунд. В этом случае если температура подающей линии находится в полосе пропорциональности (и вне нейтральной полосы, если таковая имеется), отработка клапана для этого цикла регулирования составляет долю от максимального значения, равную отношению отклонения замеренной температуры от заданной к величине полосы пропорциональности. Так, например, при полосе пропорциональности ±5°C и температуре на 2°С выше заданной, клапан будет закрываться на 2/5 максимальной отработки клапана.
Благодаря тому, что диапазоны нейтральной полосы и полосы пропорциональности зависят от максимальной и минимальной регулировок клапана, система управления оптимально регулирует клапан во временные отрезки его регулировки.
Расчет температурного диапазона нейтральной полосы и/или полосы пропорциональности предпочтительно выполнять, принимая некоторую величину расхода в основном контуре относительно максимально возможного расхода на выходе водяного контура нагревательного устройства. В типовой системе величина расхода в основном контуре принимается равной половине максимально возможного расхода на выходе нагревательного устройства. Принятая величина расхода позволяет системе управления для каждой данной регулировки клапана оценить ожидаемое изменение температуры исходя из замеренных температур нагревательного устройства и основного контура. Принятая величина расхода может быть использована для расчета задаваемой рабочей точки.
Система управления может быть выполнена с возможностью изменения принятой величины расхода таким образом, чтобы обеспечить приемлемые величины рассчитанных температурных полос. Это может быть достигнуто с использованием одного или нескольких из нижеследующих правил:
Правило 1. Если быстро нарастает температура в обратной линии, то запускается система предотвращения опрокидывания потока.
Правило 2. Если температура в подающей линии за некоторое заданное время пересекает нейтральную полосу, то принятая величина расхода уменьшается.
Правило 3. Если температура в подающей линии, замеренная вторым датчиком, быстро падает, то принятая величина расхода увеличивается.
Правило 4. Если температура в подающей линии остается вне нейтральной полосы в течение заданного времени, например 3 минут, то принятая относительная величина расхода регулируется в сторону увеличения.
Правило 5. Если температура в подающей линии остается в пределах внешней половины нейтральной полосы в течение заданного времени, например 5 минут, то принятая относительная величина расхода увеличивается.
Система предотвращения опрокидывания потока предпочтительно включает ряд действий, выполняемых системой управления для уменьшения расхода на выходе водяного контура нагревательного устройства с одновременным уменьшением принятой величины расхода в основном контуре. В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения при регистрации быстрого нарастания замеров датчика температуры в обратной трубе система управления в течение заданного времени непрерывно закрывает клапан, а затем продолжает закрытие клапана с меньшей скоростью до тех пор, пока нарастание температуры не прекратится и/или не сменится ее падением, т.е. пока температура в обратной трубе в месте расположения первого датчика температуры не вернется к своему прежнему значению, бывшему до подъема температуры - или близкому к нему.
При регистрации быстрого нарастания температуры в обратной линии предпочтительно блокировать изменения всех переменных, используемых в системе регулировки клапана, т.е. фиксировать их на значениях, которые они имели до регистрации нарастания температуры. К числу этих переменных могут относиться параметры заданной рабочей точки, нейтральной полосы и полосы пропорциональности. Блокировка переменных предотвращает негативное влияние на них замеров температуры, являющихся следствием опрокидывания потока. Принятая величина расхода предпочтительно уменьшается так, чтобы последующая работа шла с учетом падения расхода, вызвавшего опрокидывание потока. После прояснения ситуации с опрокидыванием потока заблокированные переменные могут быть освобождены, чтобы их снова можно было изменять с помощью механизма регулировки. Освобождение заблокированных переменных предпочтительно осуществлять только после штатной работы системы в течение заданного времени, например 1 минуты. Это даст гарантию того, что на дальнейшую работу системы управления не повлияют необычные замеры температуры, являющиеся следствием опрокидывания потока.
Применение клапана, управляемого от контроллера с входами для датчиков температуры в водяном контуре нагревательного устройства и в основном контуре выше по потоку относительно водяного контура нагревательного устройства, позволяет предотвратить опрокидывание потока, а также позволяет управлять температурой смешанной воды. Кроме того, такое выполнение позволяет избежать перегрева системы.
В дополнение к этому в системе может присутствовать вторичное нагревательное устройство в основном водяном контуре ниже по потоку относительно выпускной трубы водяного контура нагревательного устройства. Обычно такие устройства включаются и выключаются в зависимости от входной температуры воды. Таким образом, согласно данному аспекту настоящего изобретения клапан может быть использован для активирования и выведения из активной работы вторичного нагревательного устройства посредством управления теплотой смешанной воды.
Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения включают первый и/или второй датчики температуры в качестве составной части предлагаемого устройства, причем этот датчик (датчики) функционально подсоединяется к соответствующему входу (входам) датчика температуры контроллера. Датчики температуры предназначены для установки в указанных выше местах и при использовании устанавливаются в этих местах, например, посредством монтажа на внутренней или наружной поверхности трубы или иного водопровода. Предлагаемое устройство может также включать клапан.
Согласно четвертому аспекту настоящее изобретение предлагает способ управления клапаном для управления потоком воды из выпускной трубы водяного контура нагревательного устройства в основной водяной контур, причем способ включает измерение температуры обратной линии в точке выше по потоку относительно выпускной трубы водяного контура нагревательного устройства и на пути потока от этой выпускной трубы к нагревательному устройству, измерение температуры в подающей линии основного водяного контура в точке ниже по потоку относительно выпускной трубы водяного контура нагревательного устройства и регулировку клапана, когда замеренные температуры удовлетворяют определенным условиям.
Место расположения датчика первой температуры может быть выбрано так, как описано выше в связи с третьим аспектом настоящего изобретения.
Способ предпочтительно включает определение параметров и управление клапаном посредством шагов, описанных выше в связи с системой управления.
Согласно пятому аспекту настоящее изобретение предлагает устройство для соединения водяного контура нагревательного устройства с основным водяным контуром, включающее клапан для управления потоком воды из выпускной трубы водяного контура нагревательного устройства в основной водяной контур и управляющий работой клапана контроллер с двумя входами датчиков, причем входы датчиков включают вход датчика первой температуры для измерения температуры в водяном контуре нагревательного устройства и вход датчика второй температуры для измерения температуры в основном контуре ниже по потоку относительно выпускной трубы водяного контура нагревательного устройства.
Это устройство может быть использовано с нагревательным устройством, как описано выше в связи с третьим аспектом настоящего изобретения, и такое его использование обеспечивает аналогичные преимущества.
Указанный температурный вход для водяного контура нагревательного устройства может быть выполнен для подсоединения датчика температуры в обратной трубе водяного контура нагревательного устройства. В альтернативном варианте может быть использован имеющийся датчик температуры, расположенный в водяном контуре нагревательного устройства. Это может быть датчик в аккумуляторе воды в водяном контуре нагревательного устройства. Использование имеющегося датчика температуры снижает трудоемкость монтажа системы.
Контроллер предпочтительно выполняется так, чтобы он, по крайней мере частично, закрывал клапан, когда сигнал на входе датчика второй температуры превышает некоторый определенный уровень. Этим определенным уровнем может быть абсолютный предел, например максимум, при превышении которого температура системы становится опасной для элементов системы или для ее пользователей. В альтернативном варианте это может быть предел, установленный исходя из максимальной температуры, требуемой для эффективной эксплуатации оборудования потребителя.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения контроллер выполняется так, чтобы он работал с переменной заданной температурой смешанной воды для второго датчика, причем эта заданная точка исходно устанавливается на максимальную желаемую температуру смешанной воды и понижается на определенную величину в зависимости от того, насколько температура в обратной линии, замеренная первым датчиком, превышает заранее заданный уровень, а когда температура в обратной линии достигнет заданной точки, клапан закрывается. Так, например, исходная заданная точка может быть 80°С, и эта заданная точка может понижаться на 2°С на каждый 1°С превышения в обратной линии температуры 65°С. Таким образом, если температура в обратной линии составляет 66°С, то заданная точка смешанной воды понижается до 78°С. Когда же температура в обратной линии повышается до 69°С, заданная точка смешанной воды понижается до 72°С. При температуре в обратной линии 70°С клапан закрыт, так как заданная точка смешанной воды при этом также 70°С.
Примером контроллера, способного выполнять такой вид работы, является контроллер, продаваемый под торговой маркой Danfoss ECL.
Клапан может быть частично закрыт в зависимости от того, насколько температура в обратной линии близка к заданной точке смешанной воды. Это обеспечивает более плавное управление.
Контроллер может быть выполнен так, чтобы он, по крайней мере частично, закрывал клапан, когда температура смешанной воды превышает некоторый максимальный уровень. Например, это может происходить, когда температура смешанной воды превышает исходную заданную точку 80°С или предпочтительно когда температура смешанной воды превышает уровень переменной заданной точки. Это предотвращает чрезмерное повышение температуры в основном контуре. Используя переменную заданную точку в качестве переключателя на частичное или полное закрытие клапана, система может более эффективно реагировать на потребности потребителя в основном контуре. Это связано с тем, что пониженная заданная точка указывает на малый расход или на сниженные запросы потребителя, и, таким образом, удержание температуры на выходе водяного контура нагревательного устройства ниже этой заданной точки гарантирует от избыточного отпуска теплоты потребителю. Соответственно, повышается эффективность системы.
Расход из водяного контура нагревательного устройства может быть ограничен частичным закрытием клапана, при этом относительно большее количество воды из обратной трубы смешивается с нагретой водой в основном контуре, что ведет к понижению температуры смешанной воды. Таким образом, температура может быть понижена до нужного уровня при все еще работающем нагревательном устройстве. Это особенно полезно, когда в качестве нагревательного устройства используется установка ТЭС, так как может быть предпочтительно продолжать эксплуатировать ТЭС для выработки электроэнергии и производства теплоты, которая может аккумулироваться.
Закрытие клапана может также вызывать отключение нагревательного устройства, соединенного с водяным контуром нагревательного устройства. В альтернативном варианте в состав водяного контура нагревательного устройства может входить тепловой аккумулятор, и нагревательное устройство при закрытом клапане может использоваться для заполнения теплового аккумулятора. Тепловой аккумулятор может также наполняться при частично закрытом клапане.
1
В другом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения вход первого датчика выполнен для приема замеров температуры от датчика в водяном контуре нагревательного устройства; этот датчик регистрирует опорожнение бака теплового аккумулятора в контуре или минимальный уровень в баке, как описано выше. Это может быть, например, датчик, известный специалистам как датчик температуры T. Затем, если тепловой аккумулятор пуст, а текущая заданная точка не достигнута, заданная точка может быть подрегулирована. Тот факт, что заданная точка не достигнута, указывает на неспособность нагревательного устройства удовлетворить потребность в этой температуре, но во избежание необходимости использовать вторичное нагревательное устройство предпочтительно использовать переменную заданную точку. Понижение температуры на несколько градусов обычно не влияет на оборудование потребителя, и, действуя так, можно избежать переключения с одного источника теплоты на другой. Таким образом, если тепловой аккумулятор пуст и текущая заданная точка не достигнута, предпочтительно понизить эту заданную точку на заданную величину, например на 1°С. Заданная точка может понижаться шагами по 1°С до заданного максимального снижения, которое может составлять, например, 5°С. Если заданную точку не удается достигнуть и при максимальном снижении, то предпочтительно закрыть клапан. В одном из предпочтительных вариантов осуществления описанная ситуация автоматически запускает активацию вторичного источника теплоты, так как она приводит к тому, что температура смешанной воды оказывается ниже минимальной входной температуры вторичного источника теплоты.
Это устройство управления клапаном может быть использовано вместо - или в дополнение к системе управления, основанной на температуре в обратной линии, т.е. может быть применен контроллер с тремя входами датчиков температуры.
Следует принять во внимание, что устройство согласно третьему или пятому аспекту настоящего изобретения может обеспечить преимущества в сочетании с устройством нагрева воды согласно первому аспекту настоящего изобретения, как описано выше. Поэтому предпочтительные варианты осуществления включают устройство нагрева воды с клапанным устройством согласно третьему или пятому аспекту изобретения. В этом случае водяной контур нагревательного устройства является водяным контуром комбинированной теплоэлектростанции, а вторичное нагревательное устройство может быть расположено в основном контуре выше по потоку относительно датчика второй температуры.
Устройство согласно третьему или пятому аспектам обеспечивает удобное переключение между первым и вторым режимами посредством открытия и закрытия подсоединения к основному контуру. В первом режиме, когда вторичное нагревательное устройство работает, клапан закрыт. Когда установка ТЭС используется во втором режиме для отпуска теплоты, клапанное устройство может быть использовано для предотвращения опрокидывания потока и перегрева, как описано выше. Контроллер может быть оснащен дополнительными входами для приема потребительских запросов теплоты и/или данных о количестве теплоты, аккумулированной в тепловом аккумуляторе, - с тем, чтобы контроллер мог управлять режимом работы устройства нагрева воды. В альтернативном варианте контроллер или клапан могут быть связаны с другим блоком управления, отслеживающим потребность в теплоте и/или количество аккумулированной теплоты и управляющим установкой ТЭС и вторичным нагревательным устройством.
В одном из специальных предпочтительных вариантов осуществления предлагаемое комбинированное устройство выполнено так, чтобы оно управлялось во втором режиме клапанным устройством согласно третьему или пятому аспекту настоящего изобретения. Предпочтительно, чтобы клапанное устройство обеспечивало управление на основе предпочтительных вариантов осуществления, описанных выше.
Согласно шестому аспекту настоящее изобретение предлагает способ управления клапаном для управления потоком воды из выпускной трубы водяного контура нагревательного устройства в основной водяной контур, причем способ включает измерение первой температуры в водяном контуре нагревательного устройства, измерение второй температуры в основном водяном контуре в точке ниже по потоку относительно выпускной трубы водяного контура нагревательного устройства и, по крайней мере частичное, закрытие клапана, когда замеренные температуры удовлетворяют определенным условиям.
Эти условия могут включать закрытие клапана, когда сигнал на входе датчика второй температуры превышает определенный уровень. Этот определенный уровень устанавливается, как описано выше.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения первая температура - это температура, замеренная в обратной трубе водяного контура нагревательного устройства, как описано выше. В этом случае упомянутые условия предпочтительно включают переменную заданную точку смешанной воды для второй температуры, причем эта заданная точка исходно устанавливается на максимальную желаемую температуру смешанной воды и понижается на определенную величину в зависимости от того, насколько первая температура превышает заранее заданный уровень, а когда первая температура достигнет заданной точки, клапан закрывается. Эта заданная точка может фиксироваться и варьироваться, как в вышеприведенном примере.
Способ может включать частичное закрытие клапана, когда первая температура оказывается на определенную величину ниже заданной температуры смешанной воды. Клапан может частично закрываться, когда первая температура превысит некоторый максимальный уровень. Этот максимальный уровень может устанавливаться так, как описано выше.
1
В другом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения вход второго датчика выполнен для приема замеров температуры от датчика в водяном контуре нагревательного устройства; этот датчик определяет момент или приближение момента опорожнения бака теплового аккумулятора контура. Этот датчик может, например, быть датчиком, известным специалистам как T. Упомянутые условия могут, далее, включать регулировку заданной точки, если бак теплового аккумулятора пуст, а текущая рабочая точка не достигается. Такой способ управления может применяться вместо управления или в дополнение к управлению на основе температуры обратной линии, т.е. может применяться контроллер с тремя входами.
Если тепловой аккумулятор пуст, а текущая заданная точка не достигается, предпочтительно, как описано выше, понизить эту заданную точку на заданную величину, например на 1°С. Упомянутые условия могут включать понижение заданной точки шагами по 1°С до заданного максимального снижения, которое может составлять, например, 5°С. Если заданную точку не удается достигнуть и при максимальном снижении, то предпочтительно закрыть клапан. В одном из предпочтительных вариантов осуществления описанная ситуация автоматически запускает активацию вторичного источника теплоты, так как она приводит к тому, что температура смешанной воды оказывается ниже минимальной входной температуры вторичного источника теплоты.
Как описано выше для устройств согласно третьему и пятому аспектам настоящего изобретения, способ согласно четвертому или шестому аспекту может быть совмещен, что предпочтительно, с описанным выше способом отпуска нагретой воды. Поэтому предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения включает способ подачи нагретой воды в устройство нагрева воды, включающее устройство, описанное выше в связи с третьим или пятым аспектами настоящего изобретения, причем способ включает в себя шаги, описанные выше в связи с четвертым или шестым аспектами.
Краткое описание графических материалов
Ниже предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения описываются исключительно на примерах со ссылкой на чертежи сопроводительных фигур, на которых представлены:
На Фиг.1 показан график циклов включения-выключения системы известного типа.
На Фиг.2 изображена система горячего водоснабжения.
На Фиг.3 показан график последовательной работы системы горячего водоснабжения, а
на Фиг.4 изображена альтернативная система горячего водоснабжения, которая также может работать по графику, представленному на Фиг.3.
Осуществление изобретения
В систему горячего водоснабжения, изображенную на Фиг.2, входят первичное нагревательное устройство в виде установки 1 ТЭС и вторичное нагревательное устройство в виде котла 2. Установка ТЭС подсоединена для подачи горячей воды в устройство теплового аккумулятора в виде бака 3 теплового аккумулятора. Установка 1 ТЭС и бак 3 теплового аккумулятора входят в состав водяного контура 4 нагревательного устройства, которое соединяется с основным контуром 5 посредством выпускной трубы 6 и обратной трубы 7. Детали водяных контуров и их соединения традиционны, так же как и другие элементы системы, такие как насосы и т.п. Направление циркуляции воды показано стрелками. Обратная труба 7 и выпускная труба 6 соединяются с основным контуром 5 выше по потоку относительно котла 2. Клапан 8 управляет расходом выпускной трубы 6. Оборудование потребителя, например коммунально-бытовая и отопительная система, может быть в основном контуре 5 ниже по потоку относительно котла 2.
При эксплуатации этой системы горячего водоснабжения в описанных выше первом и втором режимах для открытия и закрытия выпускной трубы 6 используется клапан 8. Переключения с одного режима на другой производятся по условиям, установленным выше. Контроллер (не показан) отслеживает потребность в теплоте и ее запас в тепловом аккумуляторе и соответственно управляет клапаном 8, установкой 1 ТЭС и котлом 2.
В первом режиме клапан 8 закрыт, поэтому вода не может циркулировать между водяным контуром 4 нагревательного устройства и основным контуром 5, и на удовлетворение потребности потребителя в теплоте работает котел 2. Но и при закрытом клапане 8 установка 1 ТЭС может продолжать работать для наполнения бака 3 теплового аккумулятора. При закрытом клапане 8 снабжение установки ТЭС охлаждающей водой осуществляется холодной водой из бака 3.
Во втором режиме клапан 8 открыт, котел 2 отключен и горячая вода потребителю отпускается с установки 1 ТЭС и из теплового аккумулятора 3. В этом режиме охлаждающая вода для установки 1 ТЭС и холодная вода взамен горячей, отпущенной из бака 3 аккумулятора, подается из основного контура 5 по обратной трубе 7. При определенных обстоятельствах потребности потребителя в теплоте могут быть ниже теплопроизводства установки 1 ТЭС, в этом случае клапан 8 может быть частично закрыт, так что лишь часть теплоты, производимой установкой 1 ТЭС, подается в основной контур, а остальная часть используется для наполнения бака 3 аккумулятора.
1
2
1
2
2
Максимальный и минимальный уровни аккумулированной теплоты могут определяться датчиками T и Т, как известно специалистам. Показанное на Фиг. количество аккумулированной теплоты находится в промежутке между минимальным требуемым количеством аккумулированной теплоты T и максимальным уровнем аккумулированной теплоты Т. Таким образом, если система находится в первом режиме и теплопроизводство установки 1 ТЭС используется для наполнения бака 3 аккумулятора, количество горячей воды в баке 3 может увеличиваться, пока не будет достигнут уровень Т, после чего должно произойти переключение на второй режим.
1
Если система уже находится во втором режиме, при котором горячая вода из бака 3 используется для удовлетворения потребности потребителя в теплоте, то работа во втором режиме с расходованием аккумулированной горячей воды может продолжаться, пока не будет достигнут уровень T, после чего может вновь использоваться первый режим, позволяющий котлу 2 удовлетворять потребности потребителя в теплоте, в то время как установка 1 ТЭС работает для нового наполнения бака 3.
Однако в одном из альтернативных вариантов осуществления настоящего изобретения перед переключением на первый режим можно сначала с помощью клапанного устройства использовать понижение заданной точки, чтобы дать установке ТЭС возможность удовлетворить потребности в теплоте на сниженном уровне и избежать переключения на котел. Заданная точка понижается на величину до 5°С, и если эта пониженная заданная точка не может быть достигнута, то клапан закрывается для переключения работы на первый режим. Используя пониженную заданную точку перед переключением на котел, можно еще более уменьшить количество переключений с одного источника теплоты на другой, так как увеличивается время использования второго режима.
В самом деле, при некоторых обстоятельствах может быть желательно не применять первый режим, чтобы установка ТЭС работала непрерывно, обеспечивая снабжение потребителя. В этом случае максимальное понижение заданной точки может быть больше.
1
В этом варианте осуществления контроллер системы горячего водоснабжения принимает замеры температуры заданной точки, например, от датчика 10 второй температуры, как описано ниже, и замеры температуры T теплового аккумулятора.
Фиг.3 иллюстрирует работу системы горячего водоснабжения с последовательным использованием первого и второго режимов для удовлетворения потребностей потребителя в электроэнергии и теплоте. Для сравнения с традиционной ситуацией, представленной на Фиг.1, потребность в электроэнергии такова, что установка 1 ТЭС производит 40 кВт теплоты, как показано линией 14, а потребность в теплоте составляет 100 кВт. Количество тепловой энергии, производимое котлом 2, показано пунктирной линией 13. На Фиг.3 имеется также линия 15, представляющая количество теплоты, отпускаемой из теплового аккумулятора 3. Отрицательные значения теплоты, отпускаемой из теплового аккумулятора 3, указывают на то, что тепловой аккумулятор 3 принимает теплоту от установки 1 ТЭС. Когда линия 15 проходит в области положительных значений, идет отпуск теплоты из теплового аккумулятора 3, и установка 1 ТЭС снабжает теплотой потребителя, а не аккумулятор. Суммарное теплопроизводство установки 1 ТЭС и теплового аккумулятора 3 показано жирной линией 16. И последняя линия, показанная на Фиг.3, это пунктирная линия 17, представляющая количество теплоты, аккумулированной в тепловом аккумуляторе 3.
Работа системы горячего водоснабжения, проиллюстрированная на Фиг.3, происходит следующим образом. Вначале, в нулевой момент времени система находится в первом режиме, при котором удовлетворение всей потребности потребителя в теплоте обеспечивает котел. Установка 1 ТЭС работает и производит 40 кВт теплоты, которая подается в тепловой аккумулятор 3, на что указывают отрицательные значения линии 15. Соответственно, пунктирная линия 17 демонстрирует рост. Когда количество теплоты, аккумулированной в тепловом аккумуляторе, достигнет заданного уровня, в данном случае это 20 кВт·ч тепловой энергии, работа переключается на второй режим, при котором котел 2 отключается, а теплота отпускается из теплового аккумулятора 3 и с установки 1 ТЭС, что показано жирной линией 16. При этом количество теплоты, аккумулированной в тепловом аккумуляторе, снижается, что показывает пунктирная линия 17. Когда количество теплоты, аккумулированной в тепловом аккумуляторе, достигает некоторого минимального уровня, работа системы переключается обратно на первый режим для нового наполнения теплового аккумулятора. Как видно из Фиг., система горячего водоснабжения управляется так, что котел включается и выключается значительно реже, чем в традиционной системе, представленной на Фиг.1, переключаясь лишь два раза вместо двадцати.
На Фиг.3 показаны один конкретный максимальный и один конкретный минимальный уровни аккумулированной теплоты, но следует понимать, что могут быть выбраны и другие уровни, в зависимости от конкретных используемых элементов системы и требований к системе.
Для обеспечения управления клапаном - во избежание опрокидывания потока и иных обсуждавшихся выше проблем - представленная на Фиг.2 система горячего водоснабжения включает датчик 9 первой температуры, измеряющий температуру воды в обратной трубе 7, и датчик 10 второй температуры, измеряющий температуру воды в основном контуре 5 между выпускной трубой 6 и котлом 2. Когда установка 1 ТЭС или бак 3 теплового аккумулятора отпускают теплоту в основной контур 5, вторая температура представляет собой температуру смеси обратной воды в основном контуре 5 и нагретой воды из водяного контура 4 нагревательного устройства.
Эти два датчика 9, 10 подсоединены к контроллеру, например к контроллеру типа Danfoss ECL или аналогичному, имеющему два температурных входа и один управляющий выход. Контроллер не показан; он может быть дополнением или частью контроллера, описанного выше. Этот контроллер работает с переменной заданной температурой смешанной воды для второго датчика 10, причем эта заданная точка исходно устанавливается на максимальную желаемую температуру смешанной воды и понижается на определенную величину в зависимости от того, насколько температура в обратной линии, замеренная первым датчиком 9, превышает заранее заданный уровень. Когда температура в обратной линии достигнет заданной точки, клапан 8 закрывается.
В соответствии с вышеописанным следует понимать, что упомянутые контроллер и два датчика температуры могут успешно использоваться вместе с последовательным управлением установкой 1 ТЭС и котлом 2 в первом и втором режимах. В этом случае контроллер может выполнять функцию управления, связанную с отслеживанием условий переключения между первым и вторым режимом - или, в качестве альтернативного варианта, могут применяться два отдельных управляющих устройства. Однако применение этого типа последовательного управления не является существенным условием для получения преимуществ использования клапанного устройства, которое может использоваться независимо.
Вариант осуществления, альтернативный к изображенному на Фиг.2, представлен на Фиг.4. Характеристики основного водяного контура 5 и водяного контура 4 нагревательного устройства здесь, в общем, те же самые. Но датчик 9 первой температуры теперь размещен в основном водяном контуре 5 между подсоединениями обратной трубы 7 и выпускной трубы 6 - для обеспечения оптимальной работы с использованием описанной ниже системы управления. Система горячего водоснабжения включает два насоса, первый насос Р1, расположенный выше по потоку относительно клапана 8, и второй насос Р2 между датчиком 10 второй температуры и котлом 2.
Управляющая система используется для управления клапаном 8 с целью поддержания температуры в подающей линии, т.е. температуры в месте расположения датчика 10 второй температуры, на заданной пользователем точке. Заданная пользователем точка - это температура горячей воды, требуемая для оборудования пользователя. В этом варианте выполнения заданная точка остается фиксированной, хотя реальная температура отпускаемой горячей воды, разумеется, может в определенной степени варьироваться.
Эта управляющая система включает механизм регулировки клапана и выполняет следующие ключевые функции:
(i) Расчет заданной рабочей точки и предотвращение обратного наполнения аккумулятора при истощении запаса теплоты.
(ii) Расчет величины открытия или закрытия клапана для увеличения/уменьшения температуры, замеряемой датчиком в подающей линии, чтобы эта температура соответствовала заданной рабочей точке, - и соответственная регулировка клапана.
(iii) Определение принятого расхода через насос Р2 в основном контуре относительно максимального расхода через насос Р1.
(iv) Изменение принятого относительного расхода, если замеры температуры указывают на то, что он неверен.
(iv) Обнаружение опрокидывания потока горячей воды и регулировка клапана для предотвращения обратного потока.
0
Прежде всего, должен быть произведен расчет возможности удовлетворения потребностей в соответствии с заданной пользователем точкой. Для этого берутся замеры датчика 18, который показывает температуру воды, выходящей из установки 1 ТЭС, и датчика К на горячем краю бака 3 теплового аккумулятора, - чтобы определить, какой температуры имеется вода, и затем рассчитать, какова может быть наивысшая заданная точка в подающей линии. При этом расчете учитывается температура обратной линии, которую показывает первый датчик 9, а также принятый расход через насос Р2, подробнее описываемый ниже. Если наивысшая возможная заданная точка выше заданной пользователем точки, то в качестве заданной рабочей точки используется заданная пользователем точка; в противном случае в качестве заданной рабочей точки используется наивысшая возможная заданная точка. Далее система регулируется для поддержания температуры подающей линии - в месте расположения датчика 10 второй температуры - на уровне, соответствующем заданной рабочей точке.
К примеру, пользователем может быть задана точка 80°С. Если ТЭС и аккумулятор могут отпускать воду с температурой выше 80°С, то заданная рабочая точка будет 80°С, причем более горячая вода будет смешиваться с холодной обратной водой для получения требуемой температуры. Но если ТЭС и аккумулятор могут отпускать воду с температурой не выше 70°С, то и заданная рабочая точка будет 70°С.
Расчет заданной рабочей точки нужен для сохранения управляемости клапана 8, даже когда горячая вода уходит из системы. При традиционной системе управления клапаном, когда обнаруживают, что заданная пользователем точка не достигается, для удовлетворения потребностей есть тенденция полностью открывать клапан 8 в попытке увеличить температуру в подающей линии. Как следствие возникает риск опрокидывания потока воды в выпускной трубе 6 с повторным поступлением воды в водяной контур 4 нагревательного устройства через обратную трубу 7 и, далее, обратным течением через аккумулятор 3 при максимальном расходе насоса Р1.
В результате, если установка 1 ТЭС способна отпускать горячую воду, эта горячая вода будет смешиваться с холодной водой, проходя выпускное отверстие аккумуляторного бака 3 в точке А, вследствие чего частично нагретая вода вольется в опрокинутый поток. При открытом клапане 8 этот опрокинутый поток будет продолжаться вплоть до полного заполнения аккумуляторного бака 3 обратным потоком полунагретой воды, а заданная точка может быть достигнута смешением этой полунагретой воды в точке А с горячей водой из установки 1 ТЭС. И только в этот момент клапан 8 начнет вновь закрываться. Такой цикл может длиться несколько часов, и пока он продолжается, потребитель получает воду при температуре намного ниже запрошенной. Кроме того, когда система, наконец, заполнит аккумулятор полунагретой водой и начнет вновь работать нормально, возможности аккумулятора 3 по охлаждению установки 1 ТЭС окажутся сильно сниженными.
При рабочей точке, заданной, как указано выше, клапан 8 закроется, когда прекратится поступление горячей воды. До этого момента установка 1 ТЭС может отпускать горячую воду с наивысшей выпускной температурой, даже при пустом баке 3 аккумулятора. Потребитель продолжает получать воду с температурой ниже запрошенной пользователем заданной точки, однако этот дефицит меньше, чем в том случае, когда вода из установки 1 ТЭС охлаждается смешением в точке А в результате опрокидывания потока. Когда установка 1 ТЭС не работает, клапан 8 закрыт, и горячая вода может отпускаться котлом 2, как описано выше. Когда же установка 1 ТЭС вновь включается в работу, вскоре после этого появляется горячая вода, и клапан 8 снова открывается для отпуска горячей воды с заданной рабочей точкой.
Для поддержания температуры в подающей линии на уровне заданной рабочей точки приходится открывать или закрывать клапан с целью увеличения или уменьшения температуры воды. Механизмом регулирования клапана управляют на основе «нейтральной полосы» и «полосы пропорциональности», которые представляют собой температурные диапазоны, расположенные симметрично по обе стороны от заданной рабочей точки. Система управления работает циклами регулирования заданной длительности, и в каждом таком цикле клапан при необходимости регулируется открытием или закрытием его, как описано ниже.
0
Функция нейтральной полосы - определение зоны, в которой нет нужды манипулировать клапаном 8, и допустимы небольшие вариации температуры по обе стороны от заданной рабочей точки. Граница нейтральной полосы рассчитывается исходя из температуры обратной воды и температуры в подающей линии, замеренных датчиком 9 первой температуры и датчиком 10 второй температуры, а также температуры горячей воды, замеренной на ТЭС или аккумуляторе датчиком К и/или датчиком 18. В этом расчете учитывается также принятая величина расхода насоса Р2 (относительно максимального расхода Р1) и заданное минимальное время отработки клапана. Клапану 8 требуется определенное время для того, чтобы перейти из полностью открытого положения в полностью закрытое, например 60 секунд, и минимальное время отработки может составлять, например, 0,5 секунды.
0
Нейтральная полоса рассчитывается как величина, на которую ожидаемо возрастет или упадет температура, если клапан 8 открывается или закрывается в течение выбранного минимального времени отработки. При этом необходимо учитывать окружающие температуры и потоки, так как все они влияют на изменение температуры. Так, например, если температура горячей воды, замеренная на установка ТЭС или аккумуляторе, высока в сравнении с температурой обратной воды основного контура и максимальный расход Р1 велик в сравнении с расходом Р2, то после регулировки клапана 8 произойдет сравнительно большое изменение температуры в подающей линии, т.е. нейтральная полоса в данном случае широкая. Если же температура обратной воды выше и близка к температуре, замеряемой датчиком К, и/или датчиком 18 - или если расход Р2 выше, то для получения того же самого изменения температуры в подающей линии отработка клапана 8 должна быть намного больше, т.е. нейтральная полоса уже.
Полоса пропорциональности рассчитывается аналогичным образом на основе заданного максимального времени отработки клапана, соответствующего длительности цикла регулирования. Это может быть, например, 5 секунд для клапана со временем полного хода 60 секунд. Таким образом, наружный край полосы пропорциональности соответствует ожидаемому изменению температуры в подающей линии, когда клапан 8 открывается или закрывается за полный цикл регулирования. Для каждого цикла регулирования система управления определяет и реализует отработку клапана, требуемую для того, чтобы температура оказалась в пределах нейтральной полосы.
Если температура в подающей линии находится у наружного края полосы пропорциональности, то клапан работает максимальное время, чтобы увеличить или уменьшить эту температуру и вновь вернуть ее к заданной рабочей точке. Если температура в подающей линии - за пределами полосы пропорциональности, то в этом случае клапан 8 работает непрерывно до тех пор, пока температура подающей линии не вернется в полосу пропорциональности.
Если температура в подающей линии находится в полосе пропорциональности, но вне нейтральной полосы, клапан 8 работает в течение некоторой процентной доли максимального времени отработки, причем величина этой доли зависит от того, где именно в полосе пропорциональности находится температура подающей линии. Например, клапан 8 может работать 3 секунды из максимальных 5 секунд (для 5-секундного цикла регулирования).
Если температура подающей линии находится в полосе пропорциональности непосредственно у границы нейтральной полосы, клапан 8 будет работать в течение минимального времени отработки.
Для проведения вышеуказанных расчетов мы должны принять величину расхода насоса Р2 в основной трубе относительно максимально возможного расхода насоса Р1. Абсолютные величины расходов насосов Р1 и Р2 неизвестны. Расход воды через выпускную трубу 6 контура 4 ТЭС управляется клапаном 8 и варьируется в пределах от нулевого значения до некоторого максимального, определяемого расходом насоса Р1. Величина расхода насоса Р2 принимается по отношению к этому максимуму.
В типовой системе, когда работает только установка 1 ТЭС, а Р1 и Р2 - насосы аналогичных типоразмеров, относительная величина расхода насоса Р2 принимается равной половине максимально возможного расхода насоса Р1. Разумеется, эта исходно принимаемая величина может варьироваться в зависимости от конкретной системы.
Расход насоса Р2 часто изменяется в зависимости от условий в зоне потребления, и поток через Р2 может быть нестабильным из-за внезапных изменений потребления, например изменений в связи с включением или выключением какого-нибудь душа или крана.
Принятая относительная величина расхода Р2 очень важна для точности механизма регулирования, поскольку она влияет на температурные полосы, используемые для управления клапаном 8. Таким образом, предпочтительно иметь механизм подгонки принятой величины расхода по замерам в конкретных условиях.
При реагировании на различные ситуации, указывающие на то, что принятая относительная величина расхода неверна и нуждается в подгонке, руководствуются рядом правил.
Правило 1. При падении расхода Р2.
Если расход Р2 падает, например в случае снижения потребности в горячей воде, то расход Р1 оказывается слишком велик. Излишек горячей воды из выпускной трубы 6 не сможет течь далее к потребителю и пойдет нештатным путем к обратной трубе 7 ТЭС и мимо первого датчика 9. Соответственно, этот датчик 9 зарегистрирует быстрое нарастание температуры.
В ответ на такое быстрое нарастание температуры система управления запускает систему предотвращения опрокидывания потока, описанную ниже.
Правило 2. Если температура в подающей линии за короткое время пересекает нейтральную полосу.
Это может произойти, когда фактические расходы Р1 и Р2 практически постоянны, но принятая относительная величина расхода слишком велика. При таком сценарии работа клапана 8 приведет к тому, что температура на втором датчике 10 за короткое время пройдет извне край нейтральной полосы с одной стороны рабочей точки, пересечет нейтральную полосу и выйдет за наружный край нейтральной полосы с другой стороны. К примеру, это время может составить 2 минуты. Причина этого в том, что нейтральная полоса слишком узка из-за слишком высокой принятой величины расхода Р2.
В ответ на такое развитие событий принятая величина расхода Р2 уменьшается, что увеличивает ширину нейтральной полосы и полосы пропорциональности и уменьшает необязательную отработку клапана 8.
Правило 3. При быстром падении температуры в подающей линии.
Если температура в подающей линии, замеренная вторым датчиком 10, быстро падает, это указывает на внезапное увеличение расхода Р2 и увеличение количества обратной холодной воды в основном водяном контуре 5, смешивающейся с горячей водой из выпускной трубы 6 контура ТЭС.
В ответ на это принятая величина расхода Р2 увеличивается. Это уменьшает ширину нейтральной полосы и полосы пропорциональности, а также влияет на расчетную рабочую точку. В результате система управления оказывается способной более соответствующим образом регулировать клапан 8 для поддержания отпуска горячей воды.
Правило 4. Если температура подающей линии остается вне нейтральной полосы в течение 3 минут.
Если принятая величина расхода Р2 слишком мала, то может быть трудно малыми регулировками клапана 8 сдвинуть эту температуру в пределы нейтральной полосы. Поэтому если регулировками клапана 8 в течение периода, превышающего некоторое заданное время, в данном случае в течение более 3 минут, не удается загнать температуру в пределы нейтральной полосы, то система реагирует подгонкой принятой относительной величины расхода в сторону увеличения. Это уменьшает ширину нейтральной полосы, что вызывает увеличение регулировочной отработки клапана, так как замеренная температура оказывается дальше от нейтральной полосы.
Правило 5. Если температура подающей линии остается в пределах внешней половины нейтральной полосы в течение 5 минут.
Если температура подающей линии в течение некоторого времени остается в пределах внешних областей нейтральной полосы, это может указывать на слишком малую принятую относительную величину расхода, что приводит к слишком широкой нейтральной полосе. В этом случае система будет работать неоптимальным образом.
И чтобы обеспечить получение нейтральной полосы, которая не будет слишком широкой из-за недостаточности принятой величины расхода, принятая относительная величина расхода увеличивается. Таким образом, если температура подающей линии в течение периода, превышающего некоторое заданное время, в данном случае в течение более 5 минут, остается в пределах внешней половины нейтральной полосы, то принятая величина расхода Р2 увеличивается. Если исходно принятая величина была правильной, то вскоре будут инициированы контрмеры по правилу 2 (и правилу 3), которые вернут принятую величину к исходному уровню. Важнейшая функция правила 5 - предохранение системы от ситуаций блокировки.
Как отмечалось выше, в правиле 1 резкий рост температуры на первом датчике 9 указывает на падение расхода Р2, и необходимы действия, предотвращающие нештатное направление течения потока горячей воды, выходящей из выпускной трубы 6 контура ТЭС. При регистрации датчиком температуры обратной воды быстрого нарастания температуры, система управления осуществляет ряд действий. Прежде всего, все переменные в механизме регулирования «блокируются», чтобы они сохранили свои значения и не менялись до тех пор, пока ситуация не прояснится. Так, параметры заданной рабочей точки, нейтральной полосы и полосы пропорциональности фиксируются на значениях, которые они имели непосредственно перед опрокидыванием потока. Одновременно производится закрытие клапана 8, вначале в течение полного периода регулирования, т.е. в данном случае 5 секунд, а если проблема не устраняется, то клапан будет закрываться в течение более короткого времени в каждый период регулирования до тех пор, пока проблема не будет разрешена - с прекращением быстрого роста температуры и ее снижением. Так, например, при величине периода регулирования 5 секунд клапан может продолжать закрытие в течение 2 из каждых 5 секунд. И, наконец, сильно уменьшается принятая величина расхода Р2, так что последующая работа идет с учетом падения расхода Р2.
После прояснения ситуации с опрокидыванием потока и штатного функционирования системы в течение некоторого времени, например 1 минуты, заблокированные переменные вновь освобождаются и снова могут быть изменены с помощью механизма регулировки, как описано выше.
Система управления должна также учитывать задержку, связанную с проходом воды от клапана 8 до датчиков 9, 10. Механизм регулировки активирует клапан по сигналам датчиков, но воде нужно пройти от места физического расположения клапана 8 по трубопроводу в основную трубу, где произойдет смешение, и затем еще пройти по основной трубе до датчика 10 в подающей линии, притом что сам нагрев или охлаждение занимает некоторое время. Точная величина суммарного времени этого процесса зависит от оборудования потребителя. Размеры труб, скорости потоков, длины трубопроводов и время срабатывания датчиков определяют суммарное время задержки. Чтобы предотвратить вход механизма регулировки в режим колебаний, вместе с пропорциональным регулированием клапана используется и некоторый интегральный член.