實(shí)現(xiàn)供熱管網(wǎng)水力平衡及節(jié)能的方法研究

沈立挺 費(fèi)盼峰 張軍輝

【摘 要】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(shí)，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(duì)供熱系統(tǒng)中存在的這個(gè)問題，研究并提出了一種新的解決方案：基于水力計(jì)算模型，通過自力式壓差平衡閥改造并調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)供熱管網(wǎng)水力平衡。

【關(guān)鍵詞】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(shí)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(duì)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(duì)于供熱系統(tǒng)而言，水力失衡就會(huì)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(fèi)。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(fèi)為20～30%[2]。

從上述的研究可以看出，實(shí)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(duì)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(duì)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(shí)，各支線會(huì)等比例地相應(yīng)變化，產(chǎn)生供熱量波動(dòng)，影響熱用戶供熱效果。并且，對(duì)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(shí)，會(huì)對(duì)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(shí)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(jì)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(jì)算

水力計(jì)算主要計(jì)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(duì)供熱管網(wǎng)主干線進(jìn)行分段，以主干線上各個(gè)分支點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)，對(duì)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(jì)算出每條支線上供熱總面積所需的流量，把計(jì)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(jì)算出各管段的流速，可根據(jù)流量及管段管徑進(jìn)行計(jì)算，其表達(dá)式為：

（1）

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

其中管道內(nèi)流量通過理論計(jì)算給定：

（2）

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

根據(jù)流速和管道尺寸及流體粘度，可計(jì)算出雷諾數(shù) ，再結(jié)合管壁相對(duì)粗糙度 ，查圖可得到管道阻力損失系數(shù) ，最終則可計(jì)算出每個(gè)管段的壓降。根據(jù)每個(gè)管段的壓降，可計(jì)算出主干線上各個(gè)節(jié)點(diǎn)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?yàn)?，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(huì)對(duì)熱用戶產(chǎn)生影響。因此，自力式壓差平衡閥可在實(shí)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(jì)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。考慮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(gè)換熱站的支線為例對(duì)上述方法進(jìn)行具體說明，如圖1所示。

圖1 換熱站某支線供熱情況

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(jì)算結(jié)果見下表1所示。

表1 支線上各樓宇流量計(jì)算

樓宇 供熱面積

m2 采暖熱指標(biāo)

w/m2 二網(wǎng)供回水溫差

℃ 流量

t/h

1# 16148.6 38 8 33.0

2# 11849.2 38 8 24.2

3# 15828.6 38 8 32.4

4# 16577.6 38 8 33.9

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

表2 主干線各管段壓力損失計(jì)算

管段 流量 管道內(nèi)徑 流速 折算長度 阻力損失系數(shù) 壓降

t/h m m/s m Pa/m pa

站—4# 123.6 0.2 1.10 179.4 0.021 11011

4#—3# 89.4 0.15 1.42 27.3 0.022 3870

3#—2# 57.3 0.125 1.31 74.1 0.023 11226

2#—1# 33.0 0.1 1.18 31.2 0.025 5200

表1中的計(jì)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(shí)現(xiàn)均勻分配，并且能夠消除管網(wǎng)波動(dòng)及其他熱用戶產(chǎn)生的影響，保障供熱效果并實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

3實(shí)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(shí)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(fèi)大量水，而且浪費(fèi)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(shí)，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(duì)改造前后的能耗水平進(jìn)行對(duì)比分析，見表3。

表3 改造前后能耗對(duì)比

指標(biāo) 單位 改造前 改造后

補(bǔ)水率 t/d 110 20

熱耗 GJ/m2 0.452 0.316

從表2中統(tǒng)計(jì)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(duì)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(shí)現(xiàn)節(jié)能。

4 結(jié)語

（1）在外界擾動(dòng)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(shí)現(xiàn)供熱管網(wǎng)水力平衡。

（2）供熱管網(wǎng)實(shí)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(shí)現(xiàn)節(jié)水30t/d，每天不僅可節(jié)水30t，同時(shí)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。

參考文獻(xiàn)：

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*通訊作者：沈立挺（1988—），男，初級(jí)工程師，主要是在集中供熱領(lǐng)域中對(duì)智能熱網(wǎng)研究。