一种公路桥梁热力管道防冰系统控制装置及控制方法.pdf

本发明公开了一种公路桥梁热力管道防冰系统控制装置及控制方法。本发明控制装置包括安装于各热水锅炉与铺设在桥面层下热力管道之间的连接总管道上的变频水泵；还包括桥面温度传感器，桥体温度传感器，天空辐射温度传感器、大气温湿度传感器和风速传感器，热力管道总管流量计、供液温度传感器、回液温度传感器；各传感器与控制器连接，控制器与各热水锅炉、水泵变频器连接。本发明控制方法主要包括启动阶段控制步骤、防冰运行阶段控制步骤和系统停止控制步骤。本发明节能降耗、防冰效果好、能自动运行，对水泵进行升、降频调节，对热水锅炉及系统进行关停控制。

1.  一种公路桥梁热力管道防冰系统控制装置，包括安装于各热水锅炉与铺设在桥面层下热力管道之间的连接总管道上的变频水泵；其特征在于：它还包括安装于桥面上的桥面温度传感器，安装于桥体内部的桥体温度传感器，安装于桥上的天空辐射温度传感器、大气温湿度传感器和风速传感器，安装于热力管道总管进出口位置的流量计、供液温度传感器、回液温度传感器；所述桥面温度传感器、桥体温度传感器、天空辐射温度传感器、大气温湿度传感器、风速传感器、供液温度传感器、回液温度传感器的输出端均分别与控制器的输入端连接，控制器的输出端与各热水锅炉、水泵变频器连接。

2.  一种基于权利要求1所述公路桥梁热力管道防冰系统控制装置的控制方法，其特征在于：它包括启动阶段控制步骤、防冰运行阶段控制步骤和系统停止控制步骤；其中：
所述启动阶段控制步骤是，由天空辐射温度传感器、大气温湿度传感器、风速传感器、桥面温度传感器、桥体温度传感器、热力管道总管流量计、供液温度传感器、回液温度传感器、控制器构成的数据采集与处理系统计算得到桥面表层净得热量Q₃；
如桥面表层净得热量Q₃>＝0，则判断桥面温度是否高于1.0℃，如高于则加热系统不需要投入运行；如低于1.0℃，则启动一台锅炉运行，水泵则按额定频率运行30分钟后，进入防冰运行状态；
如桥面表层净得热量Q₃<0，则判断桥面温度是否高于2.5℃，若高于2.5℃则不需启动热源运行；若桥面温度低于2.5℃，计算所需启动锅炉的台数，按照所需锅炉台数启动热源及水泵运行，水泵按额定频率运行30分钟后，进入防冰运行状态；
所述防冰运行阶段控制步骤是，首先根据各传感器的信号数据计算出桥面表层净得热量Q₃和热力管道实际供热量Q₄，再将桥面表层净得热量Q₃与热力管道实际供热量Q₄对比，以桥面表层净得热量Q₃与热力管道实际供热量Q₄的差值为基础来调节水泵的频率升、降，并依据天空辐射温度和大气温度变化方向的不同和大小程度不一样采用不同的频率升、降方案进行调节；
水泵运行频率确定后，判断回水温度是否高于设定值，如高于则减少一台锅炉运行，判断是否满足系统停止控制步骤，满足则进入停止状态；判断回水温度是否低于设定值，如低于则新投入一台锅炉运行，直至所有锅炉均投入运行；
所述系统停止控制步骤是，如果桥面温度高于3.0℃且持续保持在30分钟以上且运行负荷低于锅炉出力的30％，则整个系统停止运行。

3.  根据权利要求2所述公路桥梁热力管道防冰系统控制方法，其特征在于：所述启动阶段控制步骤中，桥面表层净得热量Q₃的具体计算过程是：
(1)根据天空辐射温度及桥面温度计算桥面向天空的辐射热损失Q₀，桥面温度低于天空辐射温度则Q₀为正，反之为负；
(2)根据桥面风速和大气的温度与湿度及桥面温度计算桥表面的对流辐射换热量Q₁，桥表面温度低于大气温度则Q₁为正，反之为负；
(3)根据桥体温度和桥面温度计算桥本体的瞬时得失热量Q₂，桥体温度高于桥表面温度则Q₂为正，反之为负；
(4)计算桥面表层净得热量Q₃＝Q₂-Q₀-Q₁。

4.  根据权利要求2所述公路桥梁热力管道防冰系统控制方法，其特征在于：所述防冰运行阶段控制步骤中，水泵频率升、降的调节方案具体是：
(一)如热力管道实际供热量Q₄大于或等于桥面表层净得热量Q₃，则按如 下方案运行：
(1)30分钟内天空辐射温度每上升1℃，水泵运行频率下降10Hz，判断是否低于最小运行频率，如低于水泵最低运行频率则按最低运行频率运行；
(2)30分钟内天空辐射温度每下降1℃，水泵运行频率上升5Hz，判断是否高于最大运行频率，如高于水泵最高运行频率则按最高运行频率运行；
(3)30分钟内桥面温度每上升1℃，水泵运行频率下降5Hz，判断是否低于最小运行频率，如低于水泵最低运行频率则按最低运行频率运行；
(4)30分钟内桥面温度每下降1℃，水泵运行频率上升5Hz，判断是否高于最大运行频率，如高于水泵最大运行频率则按最高运行频率运行；
(二)如热力管道实际供热量Q₄小于桥面表层净得热量Q₃，则按如下方案运行：
(1)30分钟内天空辐射温度每上升1℃，水泵运行频率上升5Hz，判断是否高于最大运行频率，如高于水泵最大运行频率则按最大运行频率运行；
(2)30分钟内天空辐射温度每下降1℃，水泵运行频率上升15Hz，判断是否高于最大运行频率，如高于水泵最高运行频率则按最高运行频率运行；
(3)30分钟内桥面温度每上升1℃，水泵运行频率上升2Hz，判断是否高于最大运行频率，如高于水泵最大运行频率则按最大运行频率运行；
(4)30分钟内桥面温度每下降1℃，水泵运行频率上升10Hz，判断是否高于最大运行频率，如高于水泵最大运行频率则按最高运行频率运行。

一种公路桥梁热力管道防冰系统控制装置及控制方法
技术领域
本发明属于交通运输安全与应急保障技术领域，具体涉及一种公路桥梁热力管道防冰系统控制装置及控制方法。
背景技术
每到冬季，我国大部分地区会出现冰冻、雨雪天气，高速公路上的桥梁、隧道口等局部区域由于其环境特殊，结冰现象会更加严重，此时行驶在此种路面上的汽车容易因车轮打滑而造成严重的交通安全事故。传统的除冰雪方法主要包括机械除冰法、传统融雪剂除冰法和电缆加热除冰法以及热力管道防冰法。
机械除冰法虽然具有效力高、机动性强的优点，但机械成本高，由于需要人工操作在恶劣气象条件下，存在较大的安全隐患，工作时需要封闭公路影响交通，对路面有巨大的损伤并且除冰不及时。传统融雪剂除冰会加快路面破损，降低路面的使用寿命。
电缆加热除冰法是近年出现的一种在道路面层和基层之间加铺电加热装置，通过调整工作电压或电流达到电加热装置发热的目的而实现除冰。此种方法存在安装和后期维护不便、工作能耗过高等缺点。
热力管道防冰法是通过在桥面下层设置热力管道，通过锅炉等热源加热溶液，在桥体的铺面层下循环，使桥面升温从而防止结冰的一种技术。但桥面融防冰系统总体负荷很大，现有技术存在加热不及时或停止时间不恰当等原因，造成能耗过大，桥面过热且有时反应不及时导致路面结冰或起不到防冰效果等缺点。
因此，有必要设计一种新型的用于公路桥梁防冰除冰装置及方法。
发明内容
本发明的目的之一在于针对现有热力管道防冰技术中存在的上述缺陷，提供一种节能降耗、防冰效果好、能自动运行的公路桥梁热力管道防冰系统控制装置。
本发明的上述目的是通过如下的技术方案来实现的；该公路桥梁热力管道防冰系统控制装置，包括安装于各热水锅炉与铺设在桥面层下热力管道之间的连接总管道上的变频水泵；它还包括安装于桥面上的桥面温度传感器，安装于桥体内部的桥体温度传感器，安装于桥上的天空辐射温度传感器、大气温湿度传感器和风速传感器，安装于热力管道总管进出口位置的流量计、供液温度传感器、回液温度传感器；所述桥面温度传感器、桥体温度传感器、天空辐射温度传感器、大气温湿度传感器、风速传感器、供液温度传感器、回液温度传感器的输出端均分别与控制器的输入端连接，控制器的输出端与各热水锅炉、水泵变频器连接。
本发明的目的之二在于提供基于上述公路桥梁热力管道防冰系统控制装置的控制方法，该方法包括启动阶段控制步骤、防冰运行阶段控制步骤和系统停止控制步骤；其中：
所述启动阶段控制步骤是，由天空辐射温度传感器、大气温湿度传感器、风速传感器、桥面温度传感器、桥体温度传感器、热力管道总管流量计、供液温度传感器、回液温度传感器、控制器构成的数据采集与处理系统计算得到桥面表层净得热量Q₃；
如桥面表层净得热量Q₃>＝0，则判断桥面温度是否高于1.0℃，如高于则加热系统不需要投入运行；如低于1.0℃，则启动一台锅炉运行，水泵则按额 定频率运行30分钟后，进入防冰运行状态；
如桥面表层净得热量Q₃<0，则判断桥面温度是否高于2.5℃，若高于2.5℃则不需启动热源运行；若桥面温度低于2.5℃，计算所需启动锅炉的台数，按照所需锅炉台数启动热源及水泵运行，水泵按额定频率运行30分钟后，进入防冰运行状态；
所述防冰运行阶段控制步骤是，首先根据各传感器的信号数据计算出桥面表层净得热量Q₃和热力管道实际供热量Q₄，再将桥面表层净得热量Q₃与热力管道实际供热量Q₄对比，以桥面表层净得热量Q₃与热力管道实际供热量Q₄的差值为基础来调节水泵的频率升、降，并依据天空辐射温度和大气温度变化方向的不同和大小程度不一样采用不同的频率升、降方案进行调节；
水泵运行频率确定后，判断回水温度是否高于设定值，如高于则减少一台锅炉运行，判断是否满足系统停止控制步骤，满足则进入停止状态；判断回水温度是否低于设定值，如低于则新投入一台锅炉运行，直至所有锅炉均投入运行；
所述系统停止控制步骤是，如果桥面温度高于3.0℃且持续保持在30分钟以上且运行负荷低于锅炉出力的30％，则整个系统停止运行。
具体的，所述启动阶段控制步骤中，桥面表层净得热量Q₃的计算过程是：
(1)根据天空辐射温度及桥面温度计算桥面向天空的辐射热损失Q₀，桥面温度低于天空辐射温度则Q₀为正，反之为负；
(2)根据桥面风速和大气的温度与湿度及桥面温度计算桥表面的对流辐射换热量Q₁，桥表面温度低于大气温度则Q₁为正，反之为负；
(3)根据桥体温度和桥面温度计算桥本体的瞬时得失热量Q₂，桥体温度高于桥表面温度则Q₂为正，反之为负；
(4)计算桥面表层净得热量Q₃＝Q₂-Q₀-Q₁。
具体的，所述防冰运行阶段控制步骤中，水泵频率升、降的调节方案是：
(一)如热力管道实际供热量Q₄大于或等于桥面表层净得热量Q₃，则按如下方案运行：
(1)30分钟内天空辐射温度每上升1℃，水泵运行频率下降10Hz，判断是否低于最小运行频率，如低于水泵最低运行频率则按最低运行频率运行；
(2)30分钟内天空辐射温度每下降1℃，水泵运行频率上升5Hz，判断是否高于最大运行频率，如高于水泵最高运行频率则按最高运行频率运行；
(3)30分钟内桥面温度每上升1℃，水泵运行频率下降5Hz，判断是否低于最小运行频率，如低于水泵最低运行频率则按最低运行频率运行；
(4)30分钟内桥面温度每下降1℃，水泵运行频率上升5Hz，判断是否高于最大运行频率，如高于水泵最大运行频率则按最高运行频率运行；
(二)如热力管道实际供热量Q₄小于桥面表层净得热量Q₃，则按如下方案运行：
(1)30分钟内天空辐射温度每上升1℃，水泵运行频率上升5Hz，判断是否高于最大运行频率，如高于水泵最大运行频率则按最大运行频率运行；
(2)30分钟内天空辐射温度每下降1℃，水泵运行频率上升15Hz，判断是否高于最大运行频率，如高于水泵最高运行频率则按最高运行频率运行；
(3)30分钟内桥面温度每上升1℃，水泵运行频率上升2Hz，判断是否高于最大运行频率，如高于水泵最大运行频率则按最大运行频率运行；
(4)30分钟内桥面温度每下降1℃，水泵运行频率上升10Hz，判断是否高于最大运行频率，如高于水泵最大运行频率则按最高运行频率运行。
本发明采用布置桥面附近的天空辐射温度传感器、大气温湿度传感器、风 速传感器、桥面温度传感器、桥体温度传感器、热力管道总管上布置流量计及进出口溶液温度传感器获知系统参数，计算出热力管道实际供热量，桥面表层瞬时净得热量。根据实际供热量和净得热量计算并控制锅炉启动与投入的加热功率，完成系统启动阶段的控制。启动加热系统30分钟后转入系统防冰运行阶段。在防冰运行阶段再根据热量供需的平衡以及天空辐射温度及大气温度变化的规律，实时调整水泵的运行频率以及增开或停开锅炉的台数。实时判断是否满足系统停止的条件，如满足系统停止运行的条件，则停止系统的运行。
本发明为热力管道防冰系统提供了一种新的控制装置及控制方法，能实现节能降耗、防冰效果好、自动控制运行的目的。
附图说明
图1为本发明防冰系统控制装置的原理结构示意图。
图2为本发明防冰系统启动阶段控制流程图。
图3为本发明防冰系统防冰运行控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。
参见图1，本发明实施例的公路桥梁热力管道防冰系统控制装置，包括安装于各热水锅炉1与铺设在桥面层下热力管道2之间的连接总管道上的变频水泵3；它还包括安装于桥面上的桥面温度传感器6，安装于桥体内部的桥体温度传感器10，安装于桥上的天空辐射温度传感器11、大气温湿度传感器12和风速传感器13，安装于热力管道2总管进出口位置的流量计4、供液温度传感器5、回液温度传感器7；桥面温度传感器6、桥体温度传感器10、天空辐射温度传感器11、大气温湿度传感器12、风速传感器13、供液温度传感器5、回液温度传感器7的输出端均分别与控制器8的输入端连接，控制器8的输出 端与各热水锅炉1、水泵3的变频器9连接。
结合图2、图3，本发明实施例的公路桥梁热力管道防冰系统控制方法将整个控制分成两个阶段，分别为启动控制阶段和防冰运行控制阶段。不同阶段采取不同的控制步骤。图2为启动阶段的控制流程图，图3是防冰运行阶段的控制流程图。
(1)启动阶段控制步骤：
1)根据天空辐射温度及桥面温度计算桥面向天空的辐射热损失Q₀(桥表面温度低于天空辐射温度则Q₀为正，反之为负)；
2)根据桥面风速和大气的温度与湿度及桥面温度计算桥表面的对流辐射换热量Q₁(桥表面温度低于大气温度则Q₁为正，反之为负)；
3)根据桥体温度和桥面温度计算桥本体的瞬时得(失)热量Q₂(桥体温度高于桥表面温度则Q₂为正，反之为负)；
4)计算桥面表层净得热量Q₃＝Q₂-Q₀-Q₁，如净得热量Q₃>＝0说明桥面表层得热，桥表面层温度将上升；判断桥面温度是否高于1.0℃，如高于则加热系统不需要投入运行；如低于1.0℃，则启动一台锅炉运行，水泵则按额定频率(一般为50Hz)运行30分钟后，进入防冰运行状态；
如果桥面表层净得热量Q₃<0，说明桥面表层在散热，桥面温度将会下降，此时判断桥面温度是否高于2.5℃，若高于2.5℃则不需启动热源运行；若桥面温度低于2.5℃，计算所需启动锅炉的台数，按照所需锅炉台数启动热源及水泵运行，水泵按额定频率(一般为50Hz)运行30分钟后，进入防冰运行状态。
(2)防冰运行控制步骤：
首先根据传感器的信号数据计算出桥面层瞬时所需供热量即桥面表层净得热量Q₃和热力管道实际供热量Q₄。
如瞬时实际供热量大于或等于所需供热量，则按如下方案运行：
1)30分钟内天空辐射温度每上升1℃，水泵运行频率下降10Hz，判断是否低于最小运行频率，如低于水泵最低运行频率则按最低运行频率运行；
2)30分钟内天空辐射温度每下降1℃，水泵运行频率上升5Hz，判断是否高于最大运行频率，如高于水泵最高运行频率则按最高运行频率运行；
3)30分钟内桥面温度每上升1℃，水泵运行频率下降5Hz，判断是否低于最小运行频率，如低于水泵最低运行频率则按最低运行频率运行；
4)30分钟内桥面温度每下降1℃，水泵运行频率上升5Hz，判断是否高于最大运行频率，如高于水泵最大运行频率则按最高运行频率运行；
如瞬时实际供热量小于所需供热量(频率上升)，则按如下方案运行：
1)30分钟内天空辐射温度每上升1℃，水泵运行频率上升5Hz，判断是否高于最大运行频率，如高于水泵最大运行频率则按最大运行频率运行；
2)30分钟内天空辐射温度每下降1℃，水泵运行频率上升15Hz，判断是否高于最大运行频率，如高于水泵最高运行频率则按最高运行频率运行；
3)30分钟内桥面温度每上升1℃，水泵运行频率上升2Hz，判断是否高于最大运行频率，如高于水泵最大运行频率则按最大运行频率运行；
4)30分钟内桥面温度每下降1℃，水泵运行频率上升10Hz，判断是否高于最大运行频率，如高于水泵最大运行频率则按最高运行频率运行；
水泵运行频率确定后，判断回水温度是否高于设定值，如高于则减少一台锅炉运行，判断是否满足停止控制步骤，满足则进入停止状态；判断回水温度是否低于设定值，如低于则新投入一台锅炉运行，直至所有锅炉均投入运行。
(3)系统停止控制步骤：
判据：桥面持续温度高于3.0℃达30分钟，一次停开一台锅炉，如目前只有 一台锅炉运行，且运行负荷低于锅炉出力的30％，则整个系统停止运行。