供熱系統(tǒng)熱網(wǎng)水力平衡調(diào)節(jié)淺析

劉鳳玲，趙新宇

(1.黑龍江省龍聚科技發(fā)展有限責(zé)任公司，哈爾濱 150001;2.哈爾濱國安特種設(shè)備技術(shù)服務(wù)有限公司，哈爾濱 150000)

0 引 言

我國北方地區(qū)集中供熱普及率逐年提高，供熱管網(wǎng)普遍存在的最突出的問題是高、低溫水管網(wǎng)系統(tǒng)水力失衡，能源浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重［1］。在設(shè)計(jì)管網(wǎng)系統(tǒng)時，熱網(wǎng)系統(tǒng)水力穩(wěn)定性是重要指標(biāo)，它可以指導(dǎo)管網(wǎng)參數(shù)的合理選擇，幫助供熱企業(yè)確定合理的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)［2－3］。

對于一個運(yùn)行良好的供熱系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行調(diào)節(jié)或增減熱網(wǎng)系統(tǒng)熱負(fù)荷時，水力平衡及穩(wěn)定性基本不受干擾。通過對水力工況的調(diào)節(jié)，可以明確系統(tǒng)的控制效果，找到系統(tǒng)控制中的薄弱環(huán)節(jié)，確定相應(yīng)的調(diào)節(jié)手段和對應(yīng)策略。

1 熱網(wǎng)運(yùn)行調(diào)節(jié)方式

以熱源廠作為主要熱源的城鎮(zhèn)集中供熱系統(tǒng)，熱力網(wǎng)的供回水溫度、調(diào)溫曲線和調(diào)節(jié)方式將關(guān)系到系統(tǒng)設(shè)備選型、熱力網(wǎng)的管徑、系統(tǒng)的投資和運(yùn)行費(fèi)用。為使熱用戶室溫達(dá)到設(shè)計(jì)要求，除在系統(tǒng)運(yùn)行前需要進(jìn)行初調(diào)節(jié)之外，還應(yīng)在整個供暖季節(jié)隨室外氣溫的變化，隨時或分階段對供水溫度、流量等進(jìn)行調(diào)節(jié)。

運(yùn)行調(diào)節(jié)方式采用分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)，即把整個供暖期按室外溫度的高低分為二個或三個階段，在室外溫度較低的階段采用較大的流量，而在室外溫度較高的階段采用小的流量，在每一個階段內(nèi)則維持流量不變而采用改變供水溫度的質(zhì)調(diào)節(jié)。

計(jì)算公式為:

式中:Φr為相對熱負(fù)荷W Φr=(ti－ to)/(tito′);B為與散熱器及連接方式有關(guān)的系數(shù) 四柱散熱器B=0.35;ti為室內(nèi)計(jì)算溫度，℃;to為室外溫度，℃;to′為室外計(jì)算溫度，℃;t1、t2為任意室外溫度下供、回水溫度，℃;t1′、t2′為設(shè)計(jì)供、回水溫度，℃。

某供熱單位由于管網(wǎng)老化等原因，一、二次網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)為:

一、二次網(wǎng)供回水溫度隨室外氣溫變化調(diào)節(jié)，供暖期按室外溫度高低分成二個階段:

(1)室外溫度最低時:低于 －16℃保持100%負(fù)荷流量2 800 m3/h。

(2)室外溫度較高時:－16～5℃保持70%負(fù)荷流量1 960 m3/h。

表1 一次網(wǎng)供回水溫度隨室外氣溫變化表

表2 二次網(wǎng)供回水溫度隨室外氣溫變化表

2 管網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)

2.1 水力失調(diào)

當(dāng)前在集中供熱系統(tǒng)中無論直供管網(wǎng)還是間供管網(wǎng)，影響供熱質(zhì)量的最大問題仍然是熱源或換熱站附近用戶室溫超標(biāo)，遠(yuǎn)處用戶室溫過低，用戶室溫不達(dá)標(biāo)便私自安裝小型循環(huán)泵、甚至采取大量放水等方法，這是熱網(wǎng)普遍存在的水力失調(diào)問題。有些供熱企業(yè)為了解決這一問題，采取加大供熱量，或是更換大功率的循環(huán)水泵。結(jié)果問題不但沒有得到很好的解決，而且進(jìn)一步造成了能源浪費(fèi)。供熱效果好壞實(shí)際上是流量(熱量)合理分配的問題。這個問題不可能在設(shè)計(jì)階段完全解決，即使設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行情況良好，水力不平衡的情況也會出現(xiàn)在每個輸配環(huán)節(jié)中。若要在整個供熱系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)良好的水力工況，必須在運(yùn)行階段進(jìn)行認(rèn)真地、反復(fù)地、細(xì)致地調(diào)節(jié)。

實(shí)踐證明，解決水力失調(diào)問題的關(guān)鍵在于調(diào)控設(shè)備。以前曾經(jīng)用調(diào)節(jié)閥等，這樣不但都需要分層次調(diào)節(jié)，而且必須反復(fù)調(diào)節(jié)、經(jīng)常調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)的工作量相當(dāng)大，而且只能在一定程度上改善熱網(wǎng)的水力工況，不能從根本上消除水力不平衡狀態(tài)。目前大多數(shù)供熱企業(yè)都不同程度地處在這種調(diào)控階段。

管網(wǎng)系統(tǒng)水力計(jì)算時，為使計(jì)算更接近實(shí)際管網(wǎng)運(yùn)行工況，尚需考慮如下幾種情況:

(1)熱負(fù)荷的準(zhǔn)確性

熱負(fù)荷的準(zhǔn)確性與否直接涉及到各支路熱量配置的合理性、科學(xué)性。綜合熱指標(biāo)的確定常規(guī)是依據(jù)構(gòu)筑物的使用性質(zhì)及供熱面積與熱指標(biāo)采取加權(quán)平均得出綜合熱指標(biāo)值。考慮國家對節(jié)能建筑的要求，在建、擬建節(jié)能建筑物綜合熱指標(biāo)按較低選取的原則。在二次網(wǎng)水力計(jì)算中，需要增加一些內(nèi)容，如構(gòu)筑物位置、朝向、樓層高低、墻體保溫狀況等等。

熱指標(biāo)合理性是熱負(fù)荷確定準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)。管道阻力計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集整理工作比較繁雜，此過程需細(xì)致準(zhǔn)確，否則會影響管網(wǎng)水力計(jì)算結(jié)果，導(dǎo)致管網(wǎng)水力失調(diào)。

(2)流量計(jì)算的準(zhǔn)確性

水力計(jì)算中流量計(jì)算與實(shí)際運(yùn)行溫差密切相關(guān)，溫差的選擇決定流量，常規(guī)二次網(wǎng)水力計(jì)算溫差按Δ=25℃選取，由于同一構(gòu)筑物內(nèi)可能同時存在散熱器和地?zé)岵膳瘍煞N形式，供熱單位運(yùn)行溫差往往在10～15℃，因此在進(jìn)行水力計(jì)算或水力校核計(jì)算時力求接近于實(shí)際運(yùn)行溫差。例如溫差按25℃和12.5℃進(jìn)入計(jì)算，流量相差一倍，管段阻力相差一倍，計(jì)算結(jié)果直接影響用戶室內(nèi)溫度，特別是末端熱用戶。

(3)流量分配的合理性

盡量消除近端管網(wǎng)超流量短路，遠(yuǎn)端熱用戶流量小回水溫度過低現(xiàn)象。筆者曾經(jīng)對某換熱站回水溫度做過調(diào)查(24 h低溫常供)，見表3。

表3 某換熱站回水溫度℃

從上表分析換熱站近端用戶由于管路壓差大、流速高、用戶室內(nèi)過熱;遠(yuǎn)端用戶管路壓差小(甚至無壓差)、流速低、用戶室溫嚴(yán)重不達(dá)標(biāo)，回水最大絕對溫差32.2℃，換熱站回水溫度實(shí)際上是近端、遠(yuǎn)端的混水溫度，即遠(yuǎn)端較低與近端較高回水的混合溫度。從上表看出交通局熱用戶回水55℃，室溫30℃;末端開發(fā)家屬樓回水只有23.3℃ 室溫只有10℃。

第二年該管網(wǎng)各樓前加裝了(末端未加裝)自立式流量控制閥，現(xiàn)將同時期調(diào)整后重新檢查數(shù)據(jù)列于表4。

表4

從表4看出遠(yuǎn)、近端用戶回水溫度基本一致，回水最大絕對溫差2.2℃，由于確保遠(yuǎn)、近端熱用戶回水溫度基本相同，既滿足了室內(nèi)溫度質(zhì)量，又節(jié)約了能源。

只有做好基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的普查收集，通過計(jì)算力求將管網(wǎng)各個并聯(lián)支路阻力相同，即各支路最末端的熱用戶資用壓頭基本相同。各并聯(lián)支路的供暖半徑長短不一，設(shè)計(jì)者需要采取有效措施調(diào)整相關(guān)管路的比摩阻使各并聯(lián)支路阻力相同，這是最主要因素。把每個與熱源或換熱站采暖循環(huán)泵相連接的用戶之間視為并聯(lián)系統(tǒng)，這樣近端與遠(yuǎn)端相比，熱源近端與遠(yuǎn)端用戶干管部分阻力兩者接近相同，這就相當(dāng)于近端管徑應(yīng)設(shè)計(jì)比常規(guī)時略小些，而末端管徑設(shè)計(jì)比常規(guī)時略大些，而且供熱半徑越長這種差距越大。

(4)管網(wǎng)剩余壓頭的消除

在進(jìn)行管網(wǎng)設(shè)計(jì)時，設(shè)計(jì)人員大多遵循著這樣的設(shè)計(jì)原則:先滿足最不利點(diǎn)的資用壓頭，這樣使得其他各個點(diǎn)的資用壓頭過大，而且越是距熱源或換熱站近剩余壓頭越大，解決的辦法只能是通過調(diào)節(jié)管徑或加裝調(diào)節(jié)手段的方式消耗掉資用壓頭的富裕量，而管道管徑可選擇種類并不多，閥門調(diào)節(jié)功能也是有限度的，這樣必然使流量分配偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)，導(dǎo)致用戶冷熱不均。而在設(shè)計(jì)計(jì)算過程中管道、水泵、散熱器等選型常常都會習(xí)慣地采用一定的“保險(xiǎn)”系數(shù)，這就造成了“先天性”的水力失調(diào)。

2.2 科學(xué)可行的調(diào)控手段

(1)必要的調(diào)控手段

要實(shí)現(xiàn)熱網(wǎng)平衡，除了上述設(shè)計(jì)理念，還需必要的調(diào)控手段。不僅要對干線、支干線、支線、進(jìn)戶線的流量控制閥進(jìn)行調(diào)控，還要對支戶線、樓內(nèi)水平分支、水平分支上垂直立管甚至分戶支管的閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)，這就相當(dāng)于需要3～5級調(diào)控，越接近于近端，調(diào)節(jié)力度越大、調(diào)控級數(shù)越多;越接近于末端調(diào)節(jié)力度越小、調(diào)控級數(shù)也越少。但現(xiàn)實(shí)中往往由于規(guī)劃、設(shè)計(jì)、管理、閥門質(zhì)量等因素，造成管網(wǎng)錯綜復(fù)雜，各用戶可調(diào)控級數(shù)不同，某些用戶甚至直接接于近端干管上，只有2～3級甚至1級調(diào)控，造成熱力系統(tǒng)難于平衡。在設(shè)計(jì)時，近端用戶可控級數(shù)應(yīng)最多，即支干線不斷向后延展、分級，而末端管網(wǎng)要盡量減少分級，并根據(jù)供熱半徑大小等情況適當(dāng)加大一些管徑。在管網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)控中，采用優(yōu)質(zhì)的靜態(tài)平衡閥、動態(tài)平衡閥、自力式流量控制閥、必要的配套精密儀表，以及專業(yè)的調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)和模式，加之理論與實(shí)踐、硬件與軟件緊密結(jié)合的全局觀念和技能，高度責(zé)任心及分析能力，不厭其煩反復(fù)調(diào)節(jié)等，方可保證管網(wǎng)調(diào)節(jié)平衡。

(2)流量調(diào)節(jié)閥安裝

在一次網(wǎng)進(jìn)入換熱站和各個構(gòu)筑物入口設(shè)置自力式流量調(diào)節(jié)閥、自力式流量平衡閥、管網(wǎng)分支處設(shè)置平衡閥，使管網(wǎng)平衡的調(diào)節(jié)手段得以加強(qiáng)非常重要。常規(guī)蝶閥、截止閥、閘閥不具備可靠地調(diào)節(jié)功能。當(dāng)需要調(diào)節(jié)某一個普通閥門時，該回路流量隨之變動，但同時其它支路閥門通過的流量也在變化，這種調(diào)節(jié)手段只能相對提高水力平衡效果，但不可能維持平衡穩(wěn)定，管網(wǎng)任何一處閥門調(diào)整都會造成系統(tǒng)平衡變化。

近年來很多熱網(wǎng)，包括新建和改造熱網(wǎng)都較多采用自力式流量控制閥，該閥的特點(diǎn)是可以根據(jù)用戶的實(shí)際需要保持恒定流量，自動消除剩余壓頭，維持為用戶設(shè)定的入戶壓力差，且不受外界流量變化干擾，維持流量恒定。

最近幾年又研制成功等比例變流量調(diào)節(jié)動態(tài)阻力平衡閥，最初該閥多在熱網(wǎng)改造中應(yīng)用，尤其是控制近熱源端用戶的流量恒定和改善熱網(wǎng)的水平失調(diào)效果非常明顯。在集中供熱系統(tǒng)中，裝在各個換熱站一次網(wǎng)的出口或入口，實(shí)施手動調(diào)節(jié);也可安裝閥門執(zhí)行器、溫度傳感器、氣候補(bǔ)償器和其它自控儀表實(shí)施自動控制技術(shù)指標(biāo)。

(3)相對增大用戶系統(tǒng)的壓降

相對增大用戶系統(tǒng)的壓降也是提高熱網(wǎng)水力穩(wěn)定性的另一個須同時采用的主要方法。在這點(diǎn)上，常規(guī)設(shè)計(jì)并未給予充分重視，使預(yù)留的剩余壓頭不大。這樣雖然可以減少整個管網(wǎng)的資用壓頭、節(jié)省電能，而且由于換熱器前調(diào)節(jié)閥選型較大，給今后增加供熱面積預(yù)留了較大的余地，但卻大大降低了熱網(wǎng)的水力穩(wěn)定性。

提高管網(wǎng)的壓差，增加了耗電量，但帶來的卻是提高了熱網(wǎng)水力工況的穩(wěn)定性，改善了熱網(wǎng)的水力工況，使全網(wǎng)減少了無效熱能和電能的消耗。

2.3 實(shí)施分布式混水加適當(dāng)調(diào)控手段

常規(guī)供熱系統(tǒng)二次網(wǎng)采用換熱站內(nèi)集中設(shè)置循環(huán)水泵的，若實(shí)施分布式混水循環(huán)方式可以消除近端壓差大遠(yuǎn)端壓差小的弊病，再適當(dāng)輔以調(diào)控手段，則可有效地解決水力失調(diào)問題。該方式在解決水力失調(diào)的同時還節(jié)約了電耗。換熱站集中循環(huán)系統(tǒng)造成近端熱用戶壓差過大，以至于不得不加裝流量調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行限流，造成大量電能的無謂浪費(fèi)。采用分布式混水泵系統(tǒng)，不但避免了上述電能的浪費(fèi)，而且大大降低主循環(huán)泵配套電機(jī)功率，從而實(shí)現(xiàn)在最小的耗電功率下達(dá)到合理供熱量的輸送，因此分布式混水技術(shù)備受青睞。

3 提高對管網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)認(rèn)識

水力失調(diào)是供熱管網(wǎng)普遍存在的現(xiàn)象，它的出現(xiàn)造成近端過熱，遠(yuǎn)端過冷的狀況，雖然通過系統(tǒng)水力計(jì)算解決了部分管網(wǎng)阻力平衡問題，但管網(wǎng)的運(yùn)行工況十分復(fù)雜，不可能在設(shè)計(jì)階段完全解決。

城市不斷發(fā)展伴隨著規(guī)劃調(diào)整、供熱面積增加、熱網(wǎng)增容、熱負(fù)荷變化等對熱網(wǎng)系統(tǒng)影響巨大，系統(tǒng)阻力相應(yīng)隨之增加，各點(diǎn)作用點(diǎn)壓頭不斷變動。管網(wǎng)系統(tǒng)會出現(xiàn)由平衡到不平衡過程，形成對管網(wǎng)水力工況重新計(jì)算和再調(diào)整過程。如果認(rèn)識不到重新計(jì)算和再調(diào)整的重要性，必然會降低供熱系統(tǒng)的效率，惡化供熱質(zhì)量，同時能耗和運(yùn)行費(fèi)用也大幅度增加，特別是供熱面積大、管線距離長、分支節(jié)點(diǎn)多，用戶結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型管網(wǎng)就顯得更為突出。

許多供熱企業(yè)對熱網(wǎng)水力工況的科學(xué)性、重要性認(rèn)識不足，熱網(wǎng)中安裝的調(diào)控設(shè)備陳舊、落后，甚至不知曉、不進(jìn)行熱網(wǎng)的水力平衡調(diào)節(jié)，造成用戶冷熱不均現(xiàn)象嚴(yán)重，熱費(fèi)收繳困難。有些供熱企業(yè)為了解決這一問題，采取了一些錯誤辦法，或是加大供熱量，或是更換大功率的循環(huán)水泵。還有的對低溫用戶采取更換大管徑、甚至大量放水等方法，結(jié)果問題不但沒有得到很好的解決，而且進(jìn)一步造成了能源浪費(fèi)。

4 結(jié)論

理論和實(shí)踐均證明，熱網(wǎng)的水力穩(wěn)定性高可以達(dá)到如下目的:

(1)經(jīng)常變化的熱網(wǎng)始終保持良好的水力工況。

(2)使熱網(wǎng)的初調(diào)節(jié)和運(yùn)行調(diào)節(jié)容易進(jìn)行。

(3)可大量減少無效的熱能和電能損失。

因此提高熱網(wǎng)的水力平衡是管網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，是保證大型供熱系統(tǒng)供熱質(zhì)量首要問題。

［1］李志剛，孫麗萍，劉嘉新.熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.森林工程，2013(4):90－95+160.

［2］石兆玉.供熱系統(tǒng)多熱源聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的再認(rèn)識［J］.中國建設(shè)信息供熱制冷，2006(2):52－58.

［3］秦 冰，秦緒忠，謝勵人，等.分布式變頻泵供熱系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)方式［J］.煤氣與熱力，2007(2):73－75.