實現(xiàn)供熱管網(wǎng)水力平衡及節(jié)能的方法研究

沈立挺　費盼峰　張軍輝

（華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州　310030）

實現(xiàn)供熱管網(wǎng)水力平衡及節(jié)能的方法研究

沈立挺*費盼峰張軍輝

（華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030）

近幾年，我國城市集中供熱快速發(fā)展，截至2014年底我國集中供熱面積61.1億平方米，比上年增長6.9%。我國集中供熱快速發(fā)展的同時，還存在一些技術(shù)上的問題，如供熱管網(wǎng)水力失衡，易造成用戶側(cè)冷熱不均。在目前供熱系統(tǒng)中，管網(wǎng)水力失衡的現(xiàn)象十分普遍，嚴(yán)重制約供熱效果。針對供熱系統(tǒng)中存在的這個問題，研究并提出了一種新的解決方案：基于水力計算模型，通過自力式壓差平衡閥改造并調(diào)節(jié)，實現(xiàn)供熱管網(wǎng)水力平衡。

自力式壓差平衡閥水力平衡供熱節(jié)能

在國內(nèi)，供熱系統(tǒng)中管網(wǎng)跨度大，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，難以實現(xiàn)水力平衡。水力失衡的普遍現(xiàn)象為管網(wǎng)近端流量較大，而末端流量不足。國內(nèi)學(xué)者對小區(qū)集中供熱系統(tǒng)水力平衡調(diào)節(jié)的節(jié)能潛力進(jìn)行了分析研究得出，水力平衡調(diào)節(jié)平均所能取得的最大節(jié)能率為6%～8%［1］。對于供熱系統(tǒng)而言，水力失衡就會造成近端用戶過熱，而末端用戶過冷。為保證末端用戶的供熱效果，往往需要提高供熱量，導(dǎo)致近端用戶嚴(yán)重過熱，造成熱量浪費。在一般情況下，因水力失衡引起冷熱不均所造成的能量浪費為20～30%［2］。

圖1　換熱站某支線供熱情況

表1　支線上各樓宇流量計算

表2　主干線各管段壓力損失計算

表3　改造前后能耗對比

從上述的研究可以看出，實現(xiàn)供熱管網(wǎng)的水力平衡，具有顯著的節(jié)能效果。國內(nèi)針對水力失衡，提出一些措施和方法。比如通過在用戶入口處加裝靜態(tài)平衡閥，對各支線的流量進(jìn)行合理的分配［3］。但當(dāng)管網(wǎng)總流量發(fā)生變化時，各支線會等比例地相應(yīng)變化，產(chǎn)生供熱量波動，影響熱用戶供熱效果。并且，對于熱用戶可自調(diào)節(jié)供熱量的系統(tǒng)，當(dāng)某熱用戶調(diào)節(jié)自身流量時，會對其他熱用戶產(chǎn)生強(qiáng)制性干擾，影響供熱系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，該方法還存在局限性。而且實際中，大部分供熱系統(tǒng)的管網(wǎng)僅安裝調(diào)節(jié)閥，而并未配置平衡閥，管網(wǎng)水力失衡的問題較為突出。

本文提出根據(jù)管網(wǎng)水力計算，在采用自力式壓差平衡閥基礎(chǔ)上，進(jìn)行調(diào)節(jié)水力平衡的方法。

1　水力計算

水力計算主要計算管網(wǎng)干線上各管段的壓損，并為加裝自力式壓差平衡閥提供理論依據(jù)。首先對供熱管網(wǎng)主干線進(jìn)行分段，以主干線上各個分支點為節(jié)點，對主干線進(jìn)行分段。根據(jù)當(dāng)?shù)夭膳療嶂笜?biāo)及該換熱站的供回水溫差，計算出每條支線上供熱總面積所需的流量，把計算出的流量相應(yīng)地累加到主干線各管段上，再根據(jù)各管段的管徑，即可計算出各管段的流速，可根據(jù)流量及管段管徑進(jìn)行計算，其表達(dá)式為：

式（1）中， V為管道內(nèi)流速，m/s； G為管道內(nèi)流量，t/h； d為管徑，m。

其中管道內(nèi)流量通過理論計算給定：

式（2）中， A為供熱面積，m2；hq為采暖熱指標(biāo)，W/m2； tΔ為二級網(wǎng)供回水溫差，℃。

根據(jù)流速和管道尺寸及流體粘度，可計算出雷諾數(shù) Re，再結(jié)合管壁相對粗糙度，查圖可得到管道阻力損失系數(shù) λ，最終則可計算出每個管段的壓降。根據(jù)每個管段的壓降，可計算出主干線上各個節(jié)點的供回水差壓，并根據(jù)該差壓進(jìn)行加轉(zhuǎn)自力式壓差平衡閥的選擇。

2　自力式壓差平衡閥加裝

自力式壓差平衡閥可保持所在環(huán)路壓差恒定，可有效避免水力調(diào)節(jié)過程中各支路間的互相干擾［4］。因為，通過自力式壓差平衡閥設(shè)定熱用戶側(cè)的壓差后，用戶側(cè)的阻力不變化，其流量也就保持恒定。無論是供熱總管網(wǎng)的變化，還是其他熱用戶的自調(diào)節(jié)產(chǎn)生的變化，都不會對熱用戶產(chǎn)生影響。因此，自力式壓差平衡閥可在實現(xiàn)供熱管網(wǎng)水力平衡中發(fā)揮重要作用。

上一節(jié)基于各段壓降計算出供回水壓差，根據(jù)供回水壓差判定是否需要加裝自力式壓差平衡閥?？紤]樓宇的資用壓頭及自力式壓差平衡閥的工作壓差范圍，可在供回水壓差達(dá)到25kpa以上的支管段加裝自力式壓差平衡閥。

以某單位的一個換熱站的支線為例對上述方法進(jìn)行具體說明，如圖1所示。

圖中換熱站一條主干線上分出4條支線，每條支線接待1棟樓宇。每棟樓宇的供熱面積及流量計算結(jié)果見下表1所示。

以表1中求出的流量為基礎(chǔ)，計算出該主干線上各管段的壓力損失，計算結(jié)果見下表2所示。

表1中的計算結(jié)果分析得出，4#和3#樓宇處主干線的供回水壓差分別為40.6kpa和32.9kpa。因此，可在4#和3#入樓管道上加裝自力式壓差平衡閥，則2#和1#兩棟樓宇不進(jìn)行加裝。即通過壓差平衡閥，控制近端3#和4#兩棟樓宇的流量在合理的范圍內(nèi)，解決近端流量過大的問題。這樣就可以使管網(wǎng)流量更多地流入末端的1#和2#樓宇，解決末端流量過小造成欠供的問題，也就解決了末端熱用戶因欠供而產(chǎn)生的放水的現(xiàn)象。從而使管網(wǎng)流量實現(xiàn)均勻分配，并且能夠消除管網(wǎng)波動及其他熱用戶產(chǎn)生的影響，保障供熱效果并實現(xiàn)節(jié)能。

3　實例

以某換熱站為例，該換熱站供熱面積為4.19萬m2，改造前用戶側(cè)冷熱不均較為嚴(yán)重。末端過冷的用戶長時間大量放水，造成換熱站補(bǔ)水率較大達(dá)到110t/d。補(bǔ)水率較高，不僅浪費大量水，而且浪費大量的熱量，熱耗達(dá)到0.452GJ/m2。補(bǔ)水率過高超過換熱站補(bǔ)水能力時，造成換熱站供熱能力嚴(yán)重不足，末端用戶就越冷，放水更頻繁，從而形成惡性循環(huán)。2014年下半年，根據(jù)本文的方法，在其各支路的近端樓宇的管道上加裝自力式壓差平衡閥，并對改造前后的能耗水平進(jìn)行對比分析，見表3。

從表2中統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，該換熱站經(jīng)過改造后補(bǔ)水率降低81.8%，熱耗降低30%。從改造前后的能耗對比分析可看出，通過加裝自力式壓差平衡閥，可有效調(diào)節(jié)水力平衡，從而有效解決用戶側(cè)放水的難題，最終降低熱耗，實現(xiàn)節(jié)能。

4　結(jié)語

（1）在外界擾動下，自力式壓差平衡閥也能有效維持用戶側(cè)的流量。因此，可根據(jù)各用戶熱負(fù)荷確定管段流量，在熱用戶入口處加裝自力式壓差平衡閥，并通過設(shè)置壓差進(jìn)行調(diào)節(jié)，可有效實現(xiàn)供熱管網(wǎng)水力平衡。

（2）供熱管網(wǎng)實現(xiàn)水力平衡后，可有效解決熱用戶冷熱不均的問題，從而避免用戶側(cè)放水的問題，極大降低換熱站的補(bǔ)水率。

（3）若換熱站通過自力式壓差平衡閥加裝改造實現(xiàn)節(jié)水30t/d，每天不僅可節(jié)水30t，同時還可節(jié)約因放水而損失的熱量約5.02GJ，具有可觀的節(jié)能效果。

［1］劉蘭斌，鄒艾娟，劉亞萌，馬麗霞.小區(qū)集中供熱系統(tǒng)水力平衡調(diào)節(jié)節(jié)能潛力分析［J］.建筑科學(xué)，2014，30（06）：0077～0082.

［2］石兆玉.再議供熱系統(tǒng)的水力平衡［J］.區(qū)域供熱，2010，（1）：4～8.［3］潘雷.供熱管網(wǎng)改造中平衡閥的應(yīng)用［J］.暖通空調(diào)，2008，38（7）：120～124.

［4］高海旺.自力式平衡閥的原理及在供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2006，16（11）：261～262.

沈立挺（1988—），男，初級工程師，主要是在集中供熱領(lǐng)域中對智能熱網(wǎng)研究。