供熱管網(wǎng)水力平衡調(diào)節(jié)技術(shù)綜述

唐志炳 陸王琳 王次成 陸啟亮

上海發(fā)電設備成套設計研究院有限責任公司

0 引言

隨著我國社會和技術(shù)的進步，集中熱網(wǎng)產(chǎn)業(yè)得到了快速的發(fā)展，與此同時，人們對供熱品質(zhì)的要求也越來越高，但現(xiàn)階段我國集中供熱產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與人們的需求仍存在嚴重的不平衡和不匹配問題。一方面，熱網(wǎng)規(guī)模擴大，但能源結(jié)構(gòu)合理性和能源利用效率并沒有隨之提高，不僅帶來了嚴重的環(huán)境污染問題，而且相比于北歐國家，我國建筑冬季耗熱量高出2～3倍[1]。另一方面，隨著熱網(wǎng)的擴建，系統(tǒng)的可靠性及供熱效率不高[2]，水力失衡問題嚴重，導致用戶舒適度差且系統(tǒng)輸送能耗高。因此，解決熱網(wǎng)的水力失調(diào)是提升用戶體驗和降低系統(tǒng)能耗的關(guān)鍵問題之一，對于居民生活質(zhì)量的改善、系統(tǒng)運行水平和經(jīng)濟性的提高[3]都具有重要意義。

我國集中供熱產(chǎn)業(yè)起步較晚，至今發(fā)展僅七十年，在設計階段和運行管理方面仍存在許多問題[4]。2001年前，我國城鎮(zhèn)居民供暖大都采用單管垂直串聯(lián)的系統(tǒng)形式，垂直失調(diào)問題嚴重，供熱品質(zhì)較差[5]；熱網(wǎng)調(diào)節(jié)設備不完善，系統(tǒng)的動態(tài)運行過程中水力熱力工況分配不均，造成了大量的能源浪費情況。本文介紹了供熱系統(tǒng)水力失調(diào)的概況及產(chǎn)生的原因，總結(jié)了當下設計和運行階段失衡的誘因，對常用的調(diào)節(jié)技術(shù)進行了闡述和分析，并從管網(wǎng)的調(diào)節(jié)特性分析、調(diào)節(jié)設備的優(yōu)化、水力模型的應用等方面總結(jié)了國內(nèi)外的研究進展，對未來的發(fā)展方向進行簡要概括。

1 水力失調(diào)概況及成因

熱網(wǎng)是由熱源、換熱站、用戶及管網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成的復雜整體，結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。熱源廠、主管網(wǎng)和區(qū)域換熱站（與主管網(wǎng)換熱的部分）組成的整體為供熱一次網(wǎng)；區(qū)域換熱站（與二次管網(wǎng)換熱的部分）、二次管網(wǎng)和用戶組成的整體為供熱二次網(wǎng)。

圖1 熱網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

熱網(wǎng)的水力失調(diào)是指在運行過程中由于某些原因，使用戶最終獲得的流量與設計流量不一致。通常，可以用它們的比值來表示水力失調(diào)度x，如公式（1）所示：

式中:Vm——用戶獲得的實際流量，m3/h；

Vg——設計流量，m3/h;

水力失調(diào)度是衡量水力失調(diào)程度的重要參數(shù)，x越接近1，實際流量與設計流量越接近，水力失調(diào)程度越低，系統(tǒng)越符合預期。通常情況下，水力失調(diào)可分為靜態(tài)失調(diào)和動態(tài)失調(diào)兩類，靜態(tài)失調(diào)是指由于設計、施工導致的系統(tǒng)管道阻力與設計值不一致，從而實際流量偏離平衡狀態(tài)；動態(tài)失調(diào)則是運行過程中用戶熱需求根據(jù)環(huán)境發(fā)生改變、對閥門進行調(diào)整使系統(tǒng)的阻力分布產(chǎn)生變化，從而導致系統(tǒng)流量的不穩(wěn)定。水力失調(diào)的產(chǎn)生使用戶的供暖體驗不平衡更加嚴重，靠近供熱源的用戶實際流量常常高于設計流量，室內(nèi)溫度過高，距離供熱端遠的用戶獲取到的流量低于原設計值，室內(nèi)溫度達不到預期，水力失調(diào)直接導致了系統(tǒng)的遠近熱力失調(diào)狀況[6]。

通常，可將導致水力失調(diào)的原因分為兩類。一類是在設計階段，熱網(wǎng)設計原則中規(guī)定必須滿足最不利環(huán)路用戶所需的資用壓力[7]，因而其他管路必然存在一部分的富裕壓力，使流量分配不均，必然導致了某些程度的水力失調(diào)，此時需要在管網(wǎng)投入使用前進行初調(diào)節(jié)；在設備選型時，若循環(huán)水泵的型號選取不合理[8]，運行狀態(tài)偏離設計工況，形成了管路的水力失調(diào)。第二類在運行階段，系統(tǒng)增加了某幾個用戶或是用戶內(nèi)部得熱量的變化，改變了原本系統(tǒng)的特性，使熱網(wǎng)進行流量的重新分配，與設計工況偏離；運行期間通過閥門等調(diào)節(jié)裝置對某部分用戶進行調(diào)整時，由于沒有考慮到其他用戶情況，也會導致未被調(diào)節(jié)的用戶或設備的水力失衡；在系統(tǒng)進行改擴建時，沒有及時對系統(tǒng)整體進行優(yōu)化和調(diào)整，打破了原有的平衡狀態(tài)。

2 現(xiàn)有水力調(diào)節(jié)的方法

相應地，根據(jù)水力失調(diào)的原因不同，可以將現(xiàn)有的調(diào)節(jié)手段分為初調(diào)節(jié)和運行調(diào)節(jié)。初調(diào)節(jié)是指在管網(wǎng)運行初期，利用某些調(diào)節(jié)設備和技術(shù)[9]，使管網(wǎng)的阻力情況與設計工況一致，各管路流量與設定值相符；運行調(diào)節(jié)則是由于運行期間用戶熱負荷改變,或由某些突發(fā)情況使管網(wǎng)特性發(fā)生改變而需對熱源、換熱站、熱用戶進行動態(tài)調(diào)整[10]。

1）初調(diào)節(jié)方法

在熱網(wǎng)事業(yè)發(fā)展的初期，對管網(wǎng)流量進行初調(diào)節(jié)大多通過在管路添加閥門的方式。這種附加阻力的方法能有效地減小室內(nèi)過熱而造成的熱量浪費，但大量的能量會通過閥門的節(jié)流裝置損失掉。

早期的熱網(wǎng)系統(tǒng)使用的是截斷類閥門（如閘板閥、截止閥），這類快開型閥門不具有調(diào)節(jié)的功能，無法滿足熱網(wǎng)水力平衡的要求。隨著供熱系統(tǒng)規(guī)模的不斷增大和科技的發(fā)展，各類具有調(diào)節(jié)功能的閥門相繼問世，在熱網(wǎng)的水力平衡調(diào)節(jié)中發(fā)揮著重要作用。目前，市場上的平衡閥主要分為兩類：靜態(tài)平衡閥和動態(tài)平衡閥。靜態(tài)平衡閥用于初調(diào)節(jié)中，通過調(diào)節(jié)閥門開度，使各熱用戶支路的阻力損失相等，從而達到水力平衡的目的。但是，在一次調(diào)節(jié)后閥門會鎖定，在系統(tǒng)發(fā)生變化后，需要重新進行調(diào)整。動態(tài)平衡閥用于運行調(diào)節(jié)中，具有一定的抗干擾能力，常用的有動態(tài)流量平衡閥和動態(tài)壓差平衡閥。動態(tài)流量平衡閥適用于定流量系統(tǒng)，它可以在一定的壓差范圍內(nèi)，根據(jù)系統(tǒng)的壓力變化（如：個別用戶調(diào)節(jié)或關(guān)掉閥門）自動調(diào)整其阻力系數(shù)，而使通過閥門的流量保持不變；相反，動態(tài)壓差平衡閥適用于變流量系統(tǒng)，它可以在一定的流量范圍內(nèi)，根據(jù)系統(tǒng)的壓力變化（如：個別用戶調(diào)節(jié)或關(guān)掉閥門），改變管路阻力，消除富余壓頭，保持閥門兩端的壓差不變。

在初調(diào)節(jié)中，通過對閥門開度的調(diào)節(jié)，改變各管路的阻抗，可以使整個管路阻抗的分布與設計值相同，常見的調(diào)節(jié)方法有溫度調(diào)節(jié)法、比例調(diào)節(jié)法和補償調(diào)節(jié)法[11]。其中，溫度調(diào)節(jié)法是通過調(diào)節(jié)閥門來實現(xiàn)各用戶室內(nèi)溫度和供回水溫度一致的方法。通常，各用戶的供水溫度較為接近，因此，溫度調(diào)節(jié)法通常將回水總管的溫度作為基準值，逐個調(diào)節(jié)各用戶的閥門，使各用戶的回水溫度保持一致[12]。比例調(diào)節(jié)法的原理是當用戶系統(tǒng)阻力特性系數(shù)一定時，系統(tǒng)上游端的調(diào)節(jié)將引起下游端各用戶的流量成比例變化。利用上游端的調(diào)節(jié)引起下游端各用戶的流量一致等比失調(diào)的規(guī)律，即可實現(xiàn)系統(tǒng)的水力平衡調(diào)節(jié)。補償調(diào)節(jié)法是在調(diào)節(jié)其他用戶的閥門以達到設計流量時，會改變基準用戶的水力失調(diào)度，因此，需要調(diào)整合作閥進行補償，使基準用戶水力失調(diào)度保持基本不變的情況下，其他用戶也達到設計流量值。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，越來越多的供熱系統(tǒng)將計算機模擬分析的技術(shù)引入管網(wǎng)的調(diào)節(jié)?；诠芫W(wǎng)的基本節(jié)點方程和能量方程，對管網(wǎng)各組成部分的精細化建模[13]，在云平臺中模擬閥門、水泵的調(diào)節(jié)控制，從而更直觀地看到調(diào)節(jié)的效果，也省去了現(xiàn)場調(diào)節(jié)所造成的大量的能量浪費。模擬分析法在熱網(wǎng)運行的實時調(diào)控中也有廣泛的應用。

2）運行調(diào)節(jié)方法

傳統(tǒng)的管網(wǎng)運行調(diào)節(jié)通常采用調(diào)節(jié)管路中的閥門、水泵的變頻方式進行。調(diào)節(jié)閥門開度來適應某些用戶側(cè)變化，需要同時兼顧對其他用戶的影響，在緩解局部的水力失調(diào)時起到了一定的作用[14]，但是，節(jié)流損失仍然存在。特別是系統(tǒng)在部分負荷運行時，通過閥門的調(diào)節(jié)可能帶來大量的能量損失。因此，當用戶側(cè)負荷改變較大時，通過水泵的變頻，整體減小或增大系統(tǒng)的循環(huán)流量來響應用戶側(cè)的需求，能夠最大程度地節(jié)約能源。但是，當系統(tǒng)內(nèi)部流量改變過大時，會加劇水力工況的不穩(wěn)定性[15]。

傳統(tǒng)的熱網(wǎng)系統(tǒng)僅在熱源處設置總循環(huán)泵，如圖2（a）所示，此方式使熱源、熱網(wǎng)和各熱力站之間流量耦合關(guān)系較強[16]，熱源處流量的改變使整個管網(wǎng)其他各處流量均隨之變化，加劇了水力調(diào)節(jié)的難度。而分布式變頻泵系統(tǒng)很好地解決了這個問題。圖2（b）展示了一次網(wǎng)側(cè)分布式變頻泵集中供熱系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)，相比于傳統(tǒng)的熱網(wǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在熱源處設置了旁通管，其作用是方便系統(tǒng)控制和保證熱源的穩(wěn)定運行。在滿負荷運行的情況下，旁通管內(nèi)的流量接近0；在部分負荷運行的情況下，旁通管則將多余的流量送回到熱源。其次，該系統(tǒng)在各換熱站的一次網(wǎng)回水管上設置了一級循環(huán)泵，代替閥門進行流量調(diào)節(jié)[17]。因此，熱源側(cè)的熱源循環(huán)泵只需滿足熱源側(cè)的運行需求，各換熱站的一級循環(huán)泵則各自負責其一次網(wǎng)的運行需求，從而解決了熱源和熱網(wǎng)的強耦合關(guān)系。同理，二次網(wǎng)側(cè)的分布式變頻泵系統(tǒng)也是在各用戶側(cè)回水管上設置二級循環(huán)泵，替代原有的二次網(wǎng)集中泵站[18]。此方式雖然增加了水泵臺數(shù)，但使每臺水泵的型號均不會過大，在運行時按需設置，減小了每臺水泵的服務范圍，緩解了支路閥門調(diào)節(jié)的壓力，節(jié)省了大量的運行能耗，并從根本上解決了熱源、換熱站、熱用戶流量、壓力之間的強耦合關(guān)系。

圖2 傳統(tǒng)熱網(wǎng)系統(tǒng)和分布式變頻泵系統(tǒng)的一次網(wǎng)側(cè)

3 國內(nèi)外研究進展

集中供熱系統(tǒng)作為能源系統(tǒng)的重要組成部分，不論是國內(nèi)還是國外，均已有了很快的進展。國內(nèi)外學者結(jié)合計算機的模擬技術(shù)和實際的工程案例，在系統(tǒng)的管網(wǎng)特性、水力失調(diào)的規(guī)律和不同調(diào)節(jié)方式的優(yōu)化等方面，都有了更全面的理解，并通過建立管網(wǎng)模型，很大程度上提高了熱網(wǎng)的供熱效果和節(jié)能效率。

明確管網(wǎng)的水力特性和失調(diào)規(guī)律對于系統(tǒng)的調(diào)節(jié)而言是基礎性工作，已有不少研究人員利用多種技術(shù)手段對不同類型的管網(wǎng)作了特性分析。劉成從管網(wǎng)的相對流量和用戶水力失調(diào)度之間的聯(lián)系出發(fā)，針對單熱源枝狀網(wǎng)，研究了采用不同的采暖方式時，管網(wǎng)的水力穩(wěn)定性及用戶的水力工況的變化情況，并總結(jié)了19種采暖形式下，管網(wǎng)穩(wěn)定性隨系統(tǒng)參數(shù)的變化規(guī)律[19]。李浩然的研究對象為變流量的供熱系統(tǒng)，分析了用戶水力失調(diào)與系統(tǒng)流量的關(guān)系，并確定了不同的變流量運行形式下，系統(tǒng)的流量下限范圍[20]。張立勇基于管網(wǎng)的水力計算，首先對水力工況進行了定性分析，并利用圖論建立了管網(wǎng)的數(shù)學模型，計算得到任意管段流量與壓降的規(guī)律。對管網(wǎng)調(diào)節(jié)時用戶水力失調(diào)規(guī)律和管網(wǎng)穩(wěn)定特性的分析，為實現(xiàn)系統(tǒng)的準確調(diào)節(jié)和調(diào)高系統(tǒng)的水力平衡程度提供了理論基礎[21]。

目前，國內(nèi)外大多數(shù)管網(wǎng)仍是依靠閥門和水泵實現(xiàn)對管網(wǎng)的調(diào)節(jié)，因此水泵和閥門的調(diào)節(jié)方式和效果依舊是實現(xiàn)水力平衡的關(guān)鍵。THORSEN.JAN ERIC匯總了現(xiàn)階段引起水力失調(diào)的各類因素，并指出利用壓差控制閥門來平衡不同管路之間的壓力和流量，仍是管網(wǎng)水力調(diào)控的關(guān)鍵技術(shù)[22]。Ding Mao等提出了“可靠性段”的概念，建立了一種閥門網(wǎng)絡模型，并針對單熱源網(wǎng)絡提出了可靠性設計準則，從設計階段結(jié)合閥門的特性減小水力失衡的可能性[23]。Lipeng Zhang等提出了在每個用戶處安裝恒溫器、散熱器閥和自力式壓差閥的方法來實現(xiàn)水力平衡和減少供熱過剩，其中，散熱器閥是流量控制裝置，其流量由恒溫器控制，自力式壓差閥可以避免用戶間的相互影響[24]。樸東為和劉兆軍結(jié)合實際項目中“大流量小溫差”的問題，提出了針對性的一種利用閥門來調(diào)節(jié)水力工況的方法，對于小型的供熱一次網(wǎng)提高水力平衡效果明顯。分布式變頻泵技術(shù)自提出以來也有了很大的進展[25]。張嬌嬌利用數(shù)學模型，優(yōu)化了泵組的配置方案以及零壓點位置，通過準確計算各管路的水力工況情況，總結(jié)了變頻泵的選擇規(guī)律和系統(tǒng)的設計方法[26]。Jihao Gu等結(jié)合電動閥和分布式變頻泵的控制方法，并以沈陽熱網(wǎng)為案例進行試驗，驗證了該方法可以降低鍋爐出口壓力，確保熱網(wǎng)的安全運行，并有效減小一次網(wǎng)的水力不平衡。結(jié)果還表明，該控制方法的年平均用電量比傳統(tǒng)中央循環(huán)泵系統(tǒng)少28.52%[27]。孫春華等對于變頻泵中均壓管的安裝位置進行了詳細的對比分析，確定了變流量系統(tǒng)中在第一用戶處安裝均壓管能提高水力穩(wěn)定性[28]。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，模擬分析法在熱網(wǎng)的實際調(diào)節(jié)中的應用越來越廣泛。通過對熱網(wǎng)物理模型的建立和運行過程中SCADA數(shù)據(jù)的收集，實現(xiàn)熱網(wǎng)水力工況的提前預測和可視化的調(diào)控分析。胡樹云等將數(shù)據(jù)驅(qū)動和機理模型結(jié)合，并利用機器學習算法建立了熱網(wǎng)穩(wěn)態(tài)水力模型，并明確了管路的阻力情況，和真實熱網(wǎng)情況相差較小[29]。由世俊等針對調(diào)節(jié)頻繁、范圍較大的熱網(wǎng)建立了非穩(wěn)態(tài)的水力模型，并構(gòu)建了非穩(wěn)態(tài)模型的數(shù)值求解方法，利用該模型和方法明確了閥門和水泵調(diào)節(jié)時管道水力工況動態(tài)變化特性[30]。Zheng Xuejing等利用兩種模型對熱網(wǎng)的瞬態(tài)水力工況進行分析，并通過改變調(diào)節(jié)位置和距離分析網(wǎng)絡的水力瞬變情況[31]。Aibin Yan等開發(fā)了采用分布式變頻泵的熱網(wǎng)系統(tǒng)的水力模型，為了使模擬結(jié)果更接近于實測數(shù)據(jù)，提出了阻力比新參數(shù)來修正原有模型。模擬結(jié)果表明，當換熱站熱需求降低時，隨著流量的減少，分布式變頻泵熱網(wǎng)系統(tǒng)壓降會隨之降低，而傳統(tǒng)中央循環(huán)泵系統(tǒng)的壓降會升高[32]。

綜上所述，在節(jié)能環(huán)保和提高用戶舒適度的雙重要求下，集中熱網(wǎng)的水力調(diào)控理論和方法越來越完善。從對管網(wǎng)運行的特性認識，到閥門和水泵此類調(diào)節(jié)設備的控制方法完善，從對管網(wǎng)進行穩(wěn)態(tài)建模分析到對各種瞬態(tài)水力工況的建模求解，并利用多種機器學習算法，不斷提高水力調(diào)控的穩(wěn)定性和準確性。

4 結(jié)語

本文總結(jié)了引起水力失衡的原因，并對現(xiàn)有的水力調(diào)節(jié)方法作了介紹。從管網(wǎng)特性認識、調(diào)節(jié)設備和方法完善、管網(wǎng)建模分析三方面簡述了國內(nèi)外的研究進展。供熱系統(tǒng)的水力調(diào)控是一個長期且復雜的工作，不論是科研工作者還是工程人員，都必須提高對管網(wǎng)的認識。隨著城市的發(fā)展和供熱面積的擴大，管網(wǎng)的控制必須全方面地考慮，從設計階段因地制宜，到運行階段科學的調(diào)控，全周期做好管網(wǎng)水力工況檢測和調(diào)節(jié)工作。