探析城市集中供熱系統(tǒng)熱力失調(diào)問題

摘要：現(xiàn)如今，城市居民對集中供熱系統(tǒng)的要求越來越高，集中供熱系統(tǒng)熱力失調(diào)問題得到了人們的廣泛關(guān)注和重視。本文以某工程為實(shí)例，探討散熱器的熱特性，對供熱系統(tǒng)水力失調(diào)導(dǎo)致的熱力失調(diào)問題進(jìn)行分析，提出有效的解決措施。

關(guān)鍵詞：城市;集中供熱系統(tǒng);熱力失調(diào)

中圖分類號：TU995??? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A??? 文章編號：2096-6903（2021）08-0000-00

0 引言

現(xiàn)如今，隨著社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市居民對于生活質(zhì)量的要求也在不段提高，城市居民生活水平的顯著提升，因此加強(qiáng)集中供熱系統(tǒng)的建設(shè)具有重要意義。在這一背景下集中供熱系統(tǒng)熱力失調(diào)問題得到了人們的廣泛重視。通常情況下集中供熱系統(tǒng)熱力失調(diào)的主要問題為水利失調(diào)，主要包括熱源系統(tǒng)水力失調(diào)、庭院供熱管網(wǎng)失調(diào)以及一次網(wǎng)供熱失調(diào)等，對用戶的生產(chǎn)生活造成不良影響。因此對該問題進(jìn)行深入研究并采取有效的解決措施具有重要意義。

1 城市集中供熱系統(tǒng)熱力失調(diào)概述

1.1 含義

城市集中供熱系統(tǒng)龐大且復(fù)雜，其主要組成部分包括熱源、熱網(wǎng)與用戶。其中熱源主要指供熱來源，需要將熱水或者熱的蒸汽作為傳導(dǎo)媒介，將具有全封閉特點(diǎn)的熱網(wǎng)管道作為運(yùn)輸管道，對熱量進(jìn)行有效運(yùn)輸。熱源輸送至各用戶的熱量均勻，在實(shí)際應(yīng)用階段，不同用戶的供暖熱量不均存在明顯差異，該現(xiàn)象較為普遍，也就是熱力失調(diào)問題。

1.2 表現(xiàn)

對城市集中供熱系統(tǒng)熱力失調(diào)問題進(jìn)行分析，主要問題包括水利失調(diào)和溫度失調(diào)。其中前者主要指熱力中心在供暖階段中輸送至個用戶的實(shí)際水流量與預(yù)先設(shè)置的流量不符。因此導(dǎo)致一次熱網(wǎng)難以按照用戶的實(shí)際流量進(jìn)行合理分配，因此引發(fā)冷熱不均的問題^[1]。后者主要因?yàn)閾Q熱站的換熱器性能不佳、效率低下，導(dǎo)致?lián)Q熱不足引發(fā)的一次水溫果茶或者一次熱網(wǎng)溫度不足，因此熱量無法充分傳輸至用戶。通常情況下熱力失調(diào)均為水力失調(diào)。如果系統(tǒng)存在失調(diào)問題，講話導(dǎo)致管網(wǎng)遠(yuǎn)端用戶供暖熱量不足，近端供暖存在過熱情況。

2 工程概況

該項(xiàng)目為渭南市熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱的電廠一期供熱管網(wǎng)工程，主要供熱范圍包括渭南市中心區(qū)（臨渭區(qū)）和高新區(qū)北部區(qū)域。設(shè)計供暖建筑面積約為1289萬m，設(shè)計供暖熱負(fù)荷約696.36MW。該項(xiàng)目主要工程內(nèi)容為熱電廠圍墻外1米至臨渭區(qū)和高新區(qū)的一級熱水管網(wǎng)的設(shè)計。供熱管道管槽總長約41.77km，管網(wǎng)最大管徑為DN1400，最小管徑DN250，并設(shè)置中繼泵站一座（回水加壓）。

3 熱力管網(wǎng)流量分配

3.1 流量分配基本規(guī)律

對供熱系統(tǒng)管網(wǎng)的形式進(jìn)行劃分，可分為枝狀與環(huán)狀，其中前者在供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用頻率較高。相關(guān)工作人員需要合理設(shè)置管道阻力指數(shù)，保證供熱介質(zhì)在全部管道及支路中流量分配的科學(xué)性。管段壓降、流量與阻數(shù)的關(guān)系可通過以下公式表示：

其中△P表示管段壓降;S表示管段阻力數(shù);V表示熱媒體積流量。

熱網(wǎng)的阻力數(shù)可通過S表示，對其進(jìn)行劃分，可分為供水干線阻力數(shù)、回水干線阻力數(shù)以及用戶阻力數(shù)，組成方式為串聯(lián)或并聯(lián)。當(dāng)系統(tǒng)揚(yáng)程處于穩(wěn)定不變時，可導(dǎo)致系統(tǒng)某位置阻力數(shù)存在變化，因此其流量需要再次分配。

用戶流量與系統(tǒng)流量可通過下述公式進(jìn)行表示：

該公式中用戶m的阻力數(shù)為Sm;用戶n的總阻力數(shù)指S1-n;一干線Ⅱ之后管路總阻力數(shù)為SⅡ-n;系統(tǒng)總熱用戶數(shù)為n。

通過上述公式可得出用戶與用戶間的流量比：

該公式中用戶m的阻力數(shù)為Sm;用戶d的阻力數(shù)為Sd;用戶（d+1）至用戶n的總阻力數(shù)為Sd+1-n;干線（D+1）后的管路總阻力數(shù)為Sd+1-n。

3.2 水力失調(diào)

水力失調(diào)是一種常見的現(xiàn)象，主要為用戶實(shí)際流程與需求流程之間存在較大的偏差。因?yàn)楣嵯到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，是一種管網(wǎng)系統(tǒng)，各環(huán)路的水力情況會彼此影響，因此當(dāng)一個阻力值產(chǎn)生變化情況，可導(dǎo)致不同用戶和不同用戶之間的流量再次分配。

通過上述公式可知，前一用戶m對某兩個用戶流量的比有決定性作用，與用戶m的管段阻力值并無較大關(guān)聯(lián)，因此可對流量分配的主要規(guī)律進(jìn)行分析，包括下述幾個方面：（1）熱源出口的阻力值存在變化，引發(fā)水力失調(diào)問題。（2）熱網(wǎng)中間阻力值存在變化，導(dǎo)致該位置用戶之后等比失衡，之前的用戶未受到影響，整個系統(tǒng)存在不一致失衡情況。設(shè)置假設(shè)條件，系統(tǒng)中采暖用戶數(shù)量為5個，對流量的要求為100m/h，用戶1阻力數(shù)為50Pa/（m/h），用戶2為40Pa/（m/h），用戶3為30Pa/（m/h），用戶4為20Pa/（m/h），用戶5為10Pa/（m/h），對干管的阻力指數(shù)進(jìn)行測量，用戶1為0.4，用戶2為0.625，用戶3為1.11，用戶4為2.5，用戶5為10Pa（m/h），總阻力數(shù)為2.4Pa（m/h）。

關(guān)閉用戶3可導(dǎo)致總阻力數(shù)發(fā)生改變，其阻力值為3.132Pa（m/h）。重新分配的相關(guān)數(shù)值如表1所示。

通過以上分析能夠發(fā)現(xiàn)，關(guān)閉用戶3可導(dǎo)致其他用戶流量提升;用戶3之后的水力失調(diào)度呈增加趨勢，之前并不增加，因此整個系統(tǒng)表現(xiàn)為不等比的失衡。

4 供熱系統(tǒng)熱力特性分析

4.1 散熱器

供熱系統(tǒng)的熱力情況不但和水力工況關(guān)系密切，同時與換熱器的特性以及周圍結(jié)構(gòu)保溫、透氣情況關(guān)系密切。

對散熱器的熱力特性進(jìn)行分析，傳熱特性較為關(guān)鍵，易受到其他諸多因素的干擾，主要為熱媒流量、供水問題以及其本身的散熱特性等。散熱器對室內(nèi)的散熱量可通過下述公式表達(dá)：

該公式中散熱器相關(guān)的常數(shù)為a與b;散熱器的表面積為F;供水溫度與回水溫度為tg與th;室內(nèi)溫度為tn。

其散熱量能夠通過下述公式表達(dá)：

其中c表示熱媒比熱容，G表示熱媒質(zhì)量流量。

在室內(nèi)溫度處于穩(wěn)定不變的狀態(tài)下，相關(guān)因素均會對散熱量形成一定的影響。當(dāng)熱媒流量保持穩(wěn)定不變的情況，設(shè)備的散熱量與供水溫度呈正相關(guān)關(guān)系;當(dāng)供水溫度保持穩(wěn)定不變的情況下，設(shè)備的散熱量隨著流量的升高而逐漸趨于平衡。通過上述分析可知，散熱器受到流量和供水溫度的影響規(guī)律有所不同。流量處于穩(wěn)定不變的狀態(tài)下，散熱量易受到溫度的影響;如果流量較小，流量變化對散熱量的影響較大;流量較大則相反。

4.2 供熱系統(tǒng)熱力

為了對采暖房間熱力失調(diào)規(guī)律進(jìn)行深入分析，不降房間溫度作為定值，以下為房間向外界傳熱公式：

上述公式為熱力分析的基本方程組，通過該公式可知在室溫條件下，室內(nèi)溫度與供水溫度的變化規(guī)律。

5 城市集中供熱系統(tǒng)熱力失調(diào)分析

對熱力失調(diào)的類型進(jìn)行劃分，主要為水平方向與垂直方向的失衡，其中前者為用戶室溫之間冷熱的失衡性，后者為不同樓層用戶之間的冷熱失衡性。

5.1熱網(wǎng)局部阻力變化引發(fā)熱力失調(diào)

當(dāng)集中供熱系統(tǒng)處于穩(wěn)定的狀態(tài)下，如果其局部阻力指數(shù)存在變化，比如說某用戶的管段閥門開度改變，發(fā)生堵塞等問題，對處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下的集中供熱系統(tǒng)來說，如果局部阻力數(shù)存在變化情況，系統(tǒng)流量也會出現(xiàn)再分配的情況。因?yàn)閷?shí)際流量的變化程度較大，所以設(shè)備與室內(nèi)溫度也存在一定程度的變化。例如上述分析中將用戶3閥門關(guān)閉，導(dǎo)致其他用戶的室溫提升。局部阻力變化低總阻力數(shù)的影響程度對水力失調(diào)度有決定性作用，因此需要加大排查力度，避免用戶私自安裝供水泵、回水泵等情況。另外，如果系統(tǒng)中采取流量變化的熱調(diào)節(jié)，室外溫度存在明顯變化，通常情況需要需要對閥門的開度進(jìn)行合理調(diào)整，保證系統(tǒng)阻力值的有效變化。通過上述分析能夠發(fā)現(xiàn)，用戶的流量表現(xiàn)為等比變化。根據(jù)設(shè)備特點(diǎn)可知，流量與散熱量的關(guān)系較為復(fù)雜，雖然用戶的流量變化呈現(xiàn)一致的狀態(tài)，但是散熱量的變化存在差異，因此引發(fā)熱力失調(diào)。因流量調(diào)節(jié)導(dǎo)致的熱力失調(diào)，可通過相關(guān)公式對其進(jìn)行計算，水平失衡主要體現(xiàn)在近端熱與遠(yuǎn)端冷兩方面。

5.2 供水溫度變化對系統(tǒng)熱力失調(diào)的影響

通過以上分析可知，散熱器的散熱量和供水溫度表現(xiàn)為直線關(guān)系，但是并非絕對關(guān)系。如果垂直單管系統(tǒng)流量處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)下，立管之間的溫度存在一定的差異性，設(shè)備的熱量分配比也會有所不同，進(jìn)而引發(fā)垂直熱力師生情況，所以僅通過集中調(diào)節(jié)無法有效解決問題，滿足用戶需求，需要采用個別差異化調(diào)節(jié)方法。

6 城市集中供熱系統(tǒng)熱力失調(diào)解決措施

為了能夠有效解決熱力失調(diào)等相關(guān)問題，做好系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計工作十分必要，提高運(yùn)行調(diào)節(jié)水平及供熱管理水平，進(jìn)而提高整體供熱水平，全面滿足用戶的供熱需求。

（1）提高熱網(wǎng)的水力穩(wěn)定性。為了能夠有效降低系統(tǒng)的水力失調(diào)度，在設(shè)計工作展開過程中及初步調(diào)節(jié)的過程中，需要有效降低干線阻力，進(jìn)而提高用戶阻力，通過該方式強(qiáng)化熱網(wǎng)的水力穩(wěn)定性。（2）流量調(diào)節(jié)要求。為了有效降低系統(tǒng)中循環(huán)水泵的耗電量，需要采取分階段調(diào)整流量的調(diào)節(jié)方式。如果流量較低程度較小，熱力失調(diào)現(xiàn)象較為嚴(yán)重。因此在實(shí)際操作過程中，采用流量調(diào)節(jié)方式時需要對系統(tǒng)流量進(jìn)行有效控制，確保其高于60%。除此之外，如果集中調(diào)節(jié)難以滿足用戶需求，需要聯(lián)合個體調(diào)節(jié)應(yīng)用。（3）提高系統(tǒng)的自動化調(diào)控水平。隨著技術(shù)的發(fā)展，供熱系統(tǒng)愈發(fā)復(fù)雜，各熱力站流量調(diào)配的協(xié)調(diào)性、滿足全部用戶的需求成為工作的難點(diǎn)。所以需要引進(jìn)先進(jìn)的自動化控制技術(shù)，提高供熱系統(tǒng)的自動調(diào)控水平。（4）溫控裝置與熱計量儀表。目前熱量商品化為供熱用能的主要發(fā)展趨勢，結(jié)合當(dāng)下我國的熱量收費(fèi)方式，需要采用雙管采暖系統(tǒng)，其主要組成部分為溫控裝置與熱計量儀表，配備專門的溫控裝置，能夠根據(jù)實(shí)際需求用熱，配備專門的熱計量儀表，能夠根據(jù)熱量繳費(fèi)。（5）合理使用調(diào)節(jié)閥。調(diào)節(jié)閥對于改善系統(tǒng)熱力失調(diào)具有重要的作用，是確保水力平衡的主要途徑之一。對目前熱力管網(wǎng)中采用的調(diào)節(jié)閥類型進(jìn)行劃分，主要包括靜態(tài)調(diào)節(jié)閥、動態(tài)流量調(diào)節(jié)閥與動態(tài)壓差平衡閥。其中靜態(tài)調(diào)節(jié)閥對于水力平衡來說具有良好的調(diào)節(jié)作用，對其原理進(jìn)行分析，主要為調(diào)節(jié)管道內(nèi)部阻力進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對孔板的調(diào)節(jié)，同時對平衡管網(wǎng)中的阻力進(jìn)行調(diào)節(jié)。所以該調(diào)節(jié)閥需要通過人工操作發(fā)揮作用。

7 結(jié)語

綜上所述，導(dǎo)致城市集中供熱系統(tǒng)熱力失調(diào)的主要表現(xiàn)為水力失調(diào)，需要結(jié)合實(shí)際情況采取科學(xué)合理的解決措施，有效解決熱力失調(diào)問題，為系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

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收稿日期：2021-07-06

作者簡介：喬錦晶（1982—），男，陜西西鄉(xiāng)人，本科，工程師，研究方向：城市供熱。

Analysis on the Thermal Imbalance of the Urban Central Heating System

QIAO Jinjing

（China Municipal Engineering North China design and Research Institute Co.， Ltd Xi'an Branch， Xi'an Shaanxi? 710018）

Abstract： Nowadays， urban residents have higher and higher requirements for central heating system， and the thermal imbalance of central heating system has been widely concerned and valued by people. This paper takes a project as an example， discuss the thermal characteristics of the radiator， analyze the thermal imbalance caused by hydraulic imbalance of heating system， put forward effective solutions.

Keywords： City; Central heating system; Thermal imbalance