關(guān)于解決供熱系統(tǒng)水力失調(diào)方法的研究

劉 錦 孔 嬋 任佳藝

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

1 概述

用戶熱負荷受多種因素的影響，如室外氣溫、管網(wǎng)流量、采暖供水溫度、圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)等。當(dāng)用戶熱負荷變化時，為維持適宜的室內(nèi)溫度，實現(xiàn)用戶的按需供熱，就需要對供熱系統(tǒng)的流量、供水溫度等進行調(diào)節(jié)。進行供熱調(diào)節(jié)的目的是為了使供暖用戶的散熱設(shè)備的散熱量與用戶熱負荷的變化規(guī)律相適應(yīng)，以防止供暖用戶出現(xiàn)室溫過高或過低。

但是，目前不管采用哪種供熱調(diào)節(jié)方法，都會出現(xiàn)近處用戶首先實現(xiàn)供熱調(diào)節(jié)，遠端用戶要經(jīng)過一段時間后才能開始實現(xiàn)供熱調(diào)節(jié)，這樣由于供熱距離的影響，使得流量分配不平衡，進而導(dǎo)致相同供熱調(diào)節(jié)時間段內(nèi)，遠端用戶的供熱效果不如近端用戶，甚至出現(xiàn)更嚴重的熱力失調(diào)現(xiàn)象。

2 水力失調(diào)問題解決現(xiàn)狀

水力失調(diào)是熱力失調(diào)發(fā)生的根源。目前，針對熱網(wǎng)水力、熱力失調(diào)，國內(nèi)常采用大流量運行方式解決。大流量運行方式不能從根本上解決供熱系統(tǒng)的水平熱力失調(diào)問題，反而因為增加了水泵流量，導(dǎo)致系統(tǒng)運行能耗的增加，和供熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能變壞。據(jù)有關(guān)的統(tǒng)計和分析顯示，若管網(wǎng)水力失調(diào)問題得到有效控制，可節(jié)省總耗熱量的30%，這個比例是非?？捎^的。另一方面，當(dāng)循環(huán)流量增加之后，不僅將直接導(dǎo)致運行水耗增加，并且由于循環(huán)水泵的功率和熱網(wǎng)循環(huán)流量的三次方成正比，電能消耗也勢必隨著管網(wǎng)循環(huán)流量的增加而大幅上升。

目前，流量平衡調(diào)節(jié)的方法有很多種。如：比例法、補償法、計算機模擬法、模擬阻力法(CCR法)等等，都是較為常見的調(diào)節(jié)方法。比例法的調(diào)節(jié)原理是，兩個用戶之間的流量比僅取決于上游用戶(按供熱水流動方向)之后管段的阻抗，而與上游用戶和熱源之間的阻抗無關(guān)，也就是說，對系統(tǒng)上游用戶流量的調(diào)節(jié)將會引起該系統(tǒng)下游用戶之間的流量成比例的變化[1]。比例法原理比較簡單，也有比較好的調(diào)節(jié)效果，但操作過程中需要將所有樓門處熱力入口開至最大后再逐個進行調(diào)節(jié)，不僅操作量大，而且對于往年調(diào)節(jié)過流量的系統(tǒng)，會完全打破已經(jīng)接近于平衡的狀態(tài)，額外增加了工作量。補償法也是一種能獲得較為準確結(jié)果的方法，但其弊端是需要較多參與人員，不適用于調(diào)節(jié)面積大、人員有限的情況。而計算機模擬法、模擬阻力法等方法雖然計算和結(jié)果方面準確、快速，但是對調(diào)節(jié)人員的專業(yè)技術(shù)和儀器設(shè)備水平有較高的要求，大多數(shù)的供熱企業(yè)，尤其是進行實際操作的一線工作人員難以滿足要求。

如果通過流量平衡調(diào)節(jié)來解決上述問題，使流量在各支路入口處按需分配，則能夠從根本上解決末端不利的問題。在熱源溫度不變的前提下，使不利用戶溫度達到設(shè)計溫度，這樣既能節(jié)省系統(tǒng)流量，又可以兼顧前、后端用戶的供熱效果，從而達到整個供熱系統(tǒng)節(jié)能降耗的目的[2]。

本文通過對相關(guān)理論、調(diào)節(jié)方法和操作方法的深入研究，提出了一種貼合供熱系統(tǒng)運行實際，有力可靠、方便掌握的水力平衡調(diào)節(jié)方法，使供熱用戶在一個供熱調(diào)節(jié)時間段內(nèi)獲得相同的供熱效果。

3 調(diào)節(jié)方法介紹

本文提出的調(diào)節(jié)方法主要考慮消除供熱距離對用戶供熱效果的影響，通過對閥門的控制，按照一定的時間間隔，使供熱介質(zhì)優(yōu)先流向遠端用戶，最后同時到達各個用戶，使所有用戶在一個供熱調(diào)節(jié)時間段內(nèi)獲得相同的供熱效果。圖1是本調(diào)節(jié)方法的控制系統(tǒng)圖。

本文中所論述調(diào)節(jié)步驟基于以上供熱控制系統(tǒng)實現(xiàn)，在供熱調(diào)節(jié)開始時，首先關(guān)閉所有用戶閥門，使用編號器對所有用戶由近及遠地進行編號，室外溫度采集器采集室外溫度，再由參數(shù)計算器根據(jù)一系列參數(shù)計算出供熱調(diào)節(jié)需要的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)作為閥門管理器判斷閥門開閉時間和開啟度的依據(jù)，實現(xiàn)對于用戶流量的調(diào)節(jié)。具體步驟如下。

4 調(diào)節(jié)步驟介紹

在進行供熱調(diào)節(jié)前，關(guān)閉所有用戶的入口閥門。

第一步，對供熱用戶進行編號。

以用戶距熱源的距離為原則，使用編號器由近及遠對用戶進行編號：1，2，…，n。

第二步，采集室外溫度。

每次運行調(diào)節(jié)前，由室外溫度采集器采集室外溫度，作為當(dāng)次運行調(diào)節(jié)的計算依據(jù)。

第三步，計算運行調(diào)節(jié)所需參數(shù)。

將編號器和室外溫度采集器統(tǒng)計到的數(shù)據(jù)傳遞給參數(shù)計算器，使其分別計算各個用戶所需的用戶熱負荷Qi、用戶供熱所需流量Gi以及供熱介質(zhì)從熱源出口流入用戶所需時間ti。

1)計算各個用戶所需熱負荷Q1，Q2，…，Qn。

(i=1,2,3,…,n)。

2)根據(jù)供熱系統(tǒng)不同的調(diào)節(jié)方式，確定在室外溫度Tw下滿足用戶i熱負荷所需流量Gi的值。

當(dāng)系統(tǒng)采用分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)時：Gi=C·Gi′。

其中，Gi′為用戶i的設(shè)計流量，m3/s；Gi為用戶i室外溫度Tw下的流量，m3/s；Tg為熱源供水溫度；Th為熱源回水溫度。

3)計算供熱介質(zhì)從熱源出口流入用戶i最遠端散熱器所需時間ti。

(i=1，2，3，…；j=1，2，3，…)。

其中：

即：

其中，Vij為熱源到用戶i最遠端散熱器的不同管段j的流速，m/s；Lij為熱源到用戶i最遠端散熱器不同流速所對應(yīng)的不同管段j的長度，m；dij為熱源到用戶i最遠端散熱器不同流速所對應(yīng)的不同管段j的直徑，mm；Gi為用戶i的流量，m3/s。

供熱介質(zhì)從熱源出口處流入其他用戶所需時間tn-1，tn-2，…，t1計算方法同上。

第四步，確定首先供熱用戶。

當(dāng)循環(huán)水泵內(nèi)的循環(huán)水量較小時，泵的效率降低，影響泵的正常運轉(zhuǎn)[3]。所以在確定首先供熱用戶時，由閥門管理器對參數(shù)計算器計算得到的數(shù)據(jù)進行判斷，根據(jù)系統(tǒng)最小運轉(zhuǎn)流量與遠端用戶的所需流量進行比較，使得首先供熱的用戶總流量不小于水泵的最小運轉(zhuǎn)流量，從而確定開啟遠端的幾個用戶的閥門，使得供熱介質(zhì)優(yōu)先流入遠端用戶。

調(diào)節(jié)時首先開啟的末端用戶運行流量需滿足系統(tǒng)最小運轉(zhuǎn)流量，并保證先開啟的用戶獲得相同的供熱效果，具體計算方法如下：

(i=k，k+1，…，n-1，n)。

第五步，運行調(diào)節(jié)其余供熱用戶。

在步驟四中，已經(jīng)確定了在調(diào)節(jié)開始時首先打開的用戶閥門k～n，接下來需要依據(jù)遠端用戶與近端用戶調(diào)節(jié)的時間差，由遠端用戶向近端用戶逐個打開用戶閥門，在打開閥門的同時調(diào)節(jié)循環(huán)水泵的供熱流量，保證n個用戶在一個調(diào)節(jié)時間段Δt′內(nèi)的供熱效果一致。

具體操作方法為，經(jīng)過時間Δt1后，打開用戶k-1的入口閥門，并調(diào)整閥門開度使其通過的流量為計算流量，同時調(diào)節(jié)循環(huán)水泵的流量，使之總流量為用戶k-1至用戶n的流量之和；再經(jīng)過時間Δt2后，打開用戶k-2的入口閥門，并調(diào)整閥門開度使其通過的流量為計算流量，同時調(diào)節(jié)循環(huán)水泵的流量，使之總流量為用戶k-2至用戶n的流量之和；并依次操作，直至在經(jīng)過時間Δtk-1后，打開用戶1的入口閥門；保證n個用戶在一個調(diào)節(jié)時間段Δt′內(nèi)的供熱效果一致。

一個調(diào)節(jié)時間段Δt′指開始運行調(diào)節(jié)至下一次運行調(diào)節(jié)之前的時間間隔，滿足Δt′≥tn+Δt″。

其中，Δt″為供熱介質(zhì)從用戶n最遠端散熱器流至熱源所需時間。

時間間隔應(yīng)滿足如下關(guān)系：

Δt1=tn-tk-1;
Δt2=tk-1-tk-2;
Δt3=tk-2-tk-3;
……;
Δtk-2=t3-t2;
Δtk-1=t2-t1。

其中,tn,tk-1,tk-2,tk-3,…,t3,t2,t1分別為供熱介質(zhì)從熱源出口處流入用戶n,k-1,k-2,k-3,…,3,2,1最遠端散熱器所需的時間。

圖2是本調(diào)節(jié)方法的閥門控制原理圖。

第六步，在下一次供熱調(diào)節(jié)時，重復(fù)步驟二～步驟五實現(xiàn)用戶的等效供熱直到所用n個用戶的閥門全部打開，實現(xiàn)n個用戶等效果的供熱。

5 結(jié)語

本文考慮了供熱距離對用戶的影響，不僅從根本上消除了供熱系統(tǒng)的水平熱力失調(diào)，使得近遠端用戶都能達到同樣的供熱效果，還改善了管網(wǎng)的調(diào)節(jié)特性，避免了大流量運行方式所帶來的運行能耗的增加，也不需增大供熱主管路的管徑。但在實現(xiàn)閥門管理器的精確控制上，還需要其他專業(yè)人士進行配合實施，有待于更深一步的研究。