熱力站二級(jí)網(wǎng)支路分解循環(huán)泵供熱技術(shù)

王全福趙云鵬 王振利倪珅

（1、黑龍江建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150025 2、河北唐儀自控設(shè)備有限公司，河北唐山 063010）

伴隨著我國(guó)鄭重向世界宣告“3060”碳達(dá)峰碳中和的目標(biāo)，各行業(yè)均積極開展相關(guān)研究以其能夠使我國(guó)順利實(shí)現(xiàn)這一宏偉目標(biāo)。同時(shí)我們看到近幾年，我國(guó)集中供熱面積迅速增加，據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止到2019 年底全國(guó)城市集中供熱面積為92.5 億m2，管道長(zhǎng)度為39.3 萬km[1]。如此大規(guī)模的供熱系統(tǒng)，能耗巨大，碳排放量也很大，這就決定了供熱行業(yè)在國(guó)家實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)過程中至關(guān)重要，所以各類供熱節(jié)能技術(shù)的研究與應(yīng)用迫在眉睫，部分工程技術(shù)人員已經(jīng)在供熱節(jié)能減排方面提出了相應(yīng)的研究成果[2-4]，本文則再此大背景下提出了新的思路：熱力站二級(jí)網(wǎng)支路分解循環(huán)泵供熱技術(shù)。

1 熱力站二級(jí)網(wǎng)傳統(tǒng)循環(huán)泵設(shè)計(jì)的弊端

傳統(tǒng)的熱力站二級(jí)網(wǎng)供熱系統(tǒng)組成如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)熱力站二級(jí)網(wǎng)供熱系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

圖1 示例出了目前廣泛采用的傳統(tǒng)集中供熱熱力站二級(jí)網(wǎng)系統(tǒng)的典型形式（以四路分支為代表），該系統(tǒng)是將整個(gè)供熱區(qū)域分成了若干個(gè)供熱環(huán)路，每一個(gè)環(huán)路分別負(fù)責(zé)向轄區(qū)內(nèi)局部區(qū)域的幾棟樓宇供熱，所有供熱環(huán)路在站內(nèi)均接至分集水器上。

該系統(tǒng)運(yùn)行的動(dòng)力源來自于回水母管上設(shè)置的二級(jí)網(wǎng)總循環(huán)泵，由該泵來完成熱水在熱力站內(nèi)部設(shè)備、區(qū)域內(nèi)供熱二級(jí)管網(wǎng)、區(qū)域內(nèi)用戶末端裝置（散熱器、地?zé)岜P管等）的循環(huán)功能。但是這種集中設(shè)置大循環(huán)泵的設(shè)計(jì)方法存在的諸多弊端在實(shí)際運(yùn)行中越來越得以顯現(xiàn)，嚴(yán)重影響供熱效果和節(jié)能減排，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

1.1 該泵的揚(yáng)程選擇上，需要滿足所有循環(huán)支路中阻力損失最大的環(huán)路熱水正常流動(dòng)的要求，導(dǎo)致總循環(huán)水泵裝機(jī)功率過大，耗電量過高。

1.2 總循環(huán)泵的揚(yáng)程只與最不利的一個(gè)環(huán)路阻力損失吻合，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)由于各支路存在明顯的阻力損失不平衡的現(xiàn)狀從而導(dǎo)致了各循環(huán)支路的流量分配不能滿足設(shè)計(jì)要求，阻力損失小的支路運(yùn)行流量會(huì)大于設(shè)計(jì)值，并且阻力損失越小流量偏差越大，進(jìn)而引起了最不利環(huán)路的這一支路流量小于設(shè)計(jì)值，出現(xiàn)了該支路區(qū)域供熱質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的問題，而其他支路又由于流量增大出現(xiàn)過熱的情況。所以，該系統(tǒng)在運(yùn)行過程中就自然而然出現(xiàn)了循環(huán)支路水力失調(diào)、各支路冷熱不均的狀況，由于過熱用戶的存在，產(chǎn)生了熱量的浪費(fèi)。

1.3 熱力站內(nèi)分集水器接出的各分支上雖然設(shè)置有相應(yīng)的閥門，但是經(jīng)實(shí)際調(diào)研發(fā)現(xiàn)，各循環(huán)支路上的閥門基本均為普通閘閥、蝶閥、球閥等快開特性的閥門，這種閥門不具備流量調(diào)節(jié)特性，所以用該閥門進(jìn)行各支路流量的平衡調(diào)節(jié)十分困難，根本無法實(shí)現(xiàn)真正的調(diào)平，也就無法消除各支路水力失調(diào)現(xiàn)象。

1.4 在沒有有效的支路調(diào)節(jié)手段的情況下，為了改善區(qū)域供熱質(zhì)量，使不達(dá)標(biāo)用戶的室溫提高，熱力公司往往采用加大熱力站二級(jí)網(wǎng)供熱系統(tǒng)總循環(huán)流量的運(yùn)行模式，該方法可以稍微緩解一下循環(huán)支路水力失調(diào)的問題，但是不能徹底解決問題，同時(shí)由于流量的增加，進(jìn)一步增大了熱力站二級(jí)網(wǎng)總循環(huán)泵的功耗，導(dǎo)致了熱力站耗電量的大幅增加。

2 熱力站二級(jí)網(wǎng)支路分解循環(huán)泵供熱技術(shù)的原理與特點(diǎn)

熱力站二級(jí)網(wǎng)支路分解循環(huán)泵供熱技術(shù)是在電網(wǎng)絡(luò)中的特蘭根定理指導(dǎo)下提出的。特蘭根定理的物理意義是：任一給定集中參數(shù)的電網(wǎng)絡(luò)，其各支路的電功率之和為零。通俗的講，就是指在一個(gè)特定電網(wǎng)絡(luò)中，電源所提供的電功率等于各支路消耗的電功率之和[5]。

集中供熱系統(tǒng)屬于流體網(wǎng)絡(luò)范疇，該網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與上述的電網(wǎng)絡(luò)完全一致，其遵循的基本規(guī)律也相同，所以特蘭根定理也同樣適用于集中供熱系統(tǒng)的分析。也就是說，在集中供熱系統(tǒng)中循環(huán)水泵提供的功率消耗，等于系統(tǒng)中各支路的功率（即各支路循環(huán)流量和壓降的乘積）之和。這進(jìn)一步證明了傳統(tǒng)的熱力站二級(jí)網(wǎng)系統(tǒng)存在電耗高的現(xiàn)實(shí)狀況。

熱力站二級(jí)網(wǎng)支路分解循環(huán)泵供熱技術(shù)的流程如圖2 所示（以四路分支為代表）。

從圖2 中可以看出，與傳統(tǒng)熱力站二級(jí)網(wǎng)系統(tǒng)不同，該系統(tǒng)取消了回水母管上設(shè)置的大流量大揚(yáng)程的總循環(huán)水泵，而是改成了在每個(gè)二級(jí)網(wǎng)循環(huán)支路的供水管上增設(shè)小流量小揚(yáng)程的循環(huán)泵（稱為支路分解循環(huán)泵）。每一個(gè)支路分解循環(huán)泵的流量完全由該支路轄區(qū)內(nèi)所有樓宇的總熱負(fù)荷大小決定的，每一個(gè)支路分解循環(huán)泵的揚(yáng)程只需要滿足該支路轄區(qū)內(nèi)最不利二級(jí)網(wǎng)管路阻力、最不利熱用戶內(nèi)部散熱設(shè)備阻力和熱力站內(nèi)二級(jí)網(wǎng)側(cè)阻力之和即可。這種水泵選型原則，就確保了熱力站每個(gè)支路分解循環(huán)泵的流量和揚(yáng)程均與自己支路的熱負(fù)荷需求及流動(dòng)動(dòng)力需求完全契合，真正實(shí)現(xiàn)了各支路的“按需分配”，徹底消除了熱力站各循環(huán)支路間的水力失調(diào)問題，實(shí)現(xiàn)了支路間的均衡供熱。

圖2 熱力站二級(jí)網(wǎng)支路分解循環(huán)泵供熱系統(tǒng)

熱力站二級(jí)網(wǎng)支路分解循環(huán)泵供熱技術(shù)會(huì)帶來如下的效益：（1）由于熱力站內(nèi)設(shè)置了支路分解循環(huán)泵，每個(gè)支路中的熱水流動(dòng)完全由自己的循環(huán)泵承擔(dān)，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的支路按需供熱，避免了傳統(tǒng)二級(jí)網(wǎng)系統(tǒng)中阻力損失小的支路出現(xiàn)的過熱問題，從而帶來了熱力站的節(jié)能效益；（2）由于支路分解循環(huán)泵的參數(shù)完全與其所對(duì)應(yīng)支路的熱負(fù)荷與動(dòng)力實(shí)際需求相吻合，所以消除了原有熱力站二級(jí)網(wǎng)系統(tǒng)中支路閥門的節(jié)流損失，依據(jù)特蘭根定理可知，該技術(shù)改造后的系統(tǒng)較傳統(tǒng)的熱力站二級(jí)網(wǎng)系統(tǒng)有明顯的降低功率的效果，從而帶來了熱力站的節(jié)電效益；（3）該技術(shù)改造過程中，取消了原熱力站中的分水器及其配套的相應(yīng)閥門，進(jìn)一步減小了二級(jí)網(wǎng)系統(tǒng)的站內(nèi)阻力損失，帶來了進(jìn)一步的節(jié)電效益。

3 通過局部支路混水實(shí)現(xiàn)熱力站低參數(shù)支路的靈活供熱

在對(duì)各地?zé)崃緹崃φ具M(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)走訪調(diào)研過程中，發(fā)現(xiàn)熱力站二級(jí)網(wǎng)供熱系統(tǒng)還普遍存在著一個(gè)突出的問題，那就是熱力站轄區(qū)內(nèi)的地?zé)嵊脩艉蜕崞饔脩艋旌显谝黄疬M(jìn)行供熱，比如一個(gè)熱力站內(nèi)，大部分循環(huán)支路對(duì)應(yīng)的樓宇為散熱器用戶，而少部分個(gè)別循環(huán)支路對(duì)應(yīng)的樓宇為地?zé)嵊脩?。這種現(xiàn)狀導(dǎo)致了供熱參數(shù)調(diào)節(jié)上的困惑，因?yàn)榈責(zé)嵊脩魧儆谳^低溫度大流量小溫差運(yùn)行模式，而散熱器用戶相對(duì)而言屬于較高溫度小流量大溫差運(yùn)行模式，當(dāng)兩者混合在一起的時(shí)候，熱力站調(diào)節(jié)上只能是綜合考慮，降低散熱器用戶的供水溫度和溫差，從而整體提高了系統(tǒng)的循環(huán)水量，散熱器和管路系統(tǒng)的阻力損失都相對(duì)增大，所以使熱力站的電耗增加。而且該混供的現(xiàn)狀，極容易導(dǎo)致地?zé)嵊脩舫霈F(xiàn)過熱的情況，從而帶來能耗的增加。

為了破解以上存在的地?zé)崤c散熱器混合供熱的難題，本項(xiàng)目有效的將局部支路混水的理念引入到熱力站二級(jí)網(wǎng)支路分解循環(huán)泵供熱技術(shù)中，使該技術(shù)具有更廣泛的適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)最大限度地節(jié)能、節(jié)電。嵌入局部支路混水模式的熱力站二級(jí)網(wǎng)支路分解循環(huán)泵供熱系統(tǒng)如圖3 所示（以四路分支為代表，其中一個(gè)支路為地?zé)嵊脩簦?/p>

圖3 熱力站二級(jí)網(wǎng)支路分解循環(huán)泵供熱系統(tǒng)（局部支路混水模式）

由圖3 可以看出，嵌入局部支路混水模式的熱力站二級(jí)網(wǎng)支路分解循環(huán)泵供熱系統(tǒng)就是結(jié)合熱力站的實(shí)際情況，對(duì)于全地?zé)嵊脩舻难h(huán)支路或者大部分用戶為地?zé)嵊脩舻难h(huán)支路（圖中的一區(qū)支路），單獨(dú)再配置一個(gè)支路混水循環(huán)泵，根據(jù)實(shí)際需要確定混水比，選擇合適的支路混水泵的流量及揚(yáng)程。系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，通過變頻控制支路混水泵，進(jìn)而調(diào)節(jié)送入支路供水管上的混水流量，適時(shí)改變?cè)撝返亩?jí)網(wǎng)供水溫度，以滿足所轄熱用戶的實(shí)際需求。

該局部支路混水理念的引入，除有效改善地?zé)嵊脩舻墓豳|(zhì)量外，還帶來了一個(gè)明顯的好處：可以使熱力站內(nèi)板式換熱器的二級(jí)網(wǎng)側(cè)由原來的小溫差運(yùn)行變成了大溫差運(yùn)行（溫差根據(jù)散熱器用戶確定），從而減小了板式換熱器二級(jí)網(wǎng)側(cè)循環(huán)流量，有效降低了站內(nèi)阻力損失，進(jìn)一步帶來了整體的節(jié)電效益。

4 運(yùn)用最優(yōu)支路流量調(diào)節(jié)法進(jìn)行熱力站二級(jí)網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)

為了在保證供熱質(zhì)量的前提下實(shí)現(xiàn)熱力站的深度節(jié)能、節(jié)電，在供熱二級(jí)網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)控制上不是采用傳統(tǒng)的單純質(zhì)調(diào)節(jié)、單純量調(diào)節(jié)或分階段變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)的方法，而是采用了更為優(yōu)越的調(diào)節(jié)方式——最優(yōu)支路流量調(diào)節(jié)法。

所謂最優(yōu)支路調(diào)節(jié)流量，就是指在某一工況下，每一循環(huán)支路系統(tǒng)需按某一計(jì)算流量運(yùn)行，只有在該流量下運(yùn)行才能保證熱用戶不出現(xiàn)水力失調(diào)，從而保證系統(tǒng)熱力工況的穩(wěn)定，否則就會(huì)出現(xiàn)用戶冷熱不均的失調(diào)現(xiàn)象，這一計(jì)算流量即為最優(yōu)支路流量。

對(duì)于室內(nèi)雙管系統(tǒng)，最優(yōu)支路流量的計(jì)算公式為：

tn——室內(nèi)空氣溫度，℃；

tw——某一室外溫度，℃；

t'n——室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，℃；

t'w——供暖室外計(jì)算溫度，℃；

B——傳熱指數(shù)；對(duì)于鋼制和鑄鐵散熱器B=0.2-0.35，對(duì)于地?zé)酈=1.032。

系統(tǒng)運(yùn)行過程中，根據(jù)每個(gè)循環(huán)支路的用戶特點(diǎn)分別進(jìn)行不同室外溫度條件下最優(yōu)支路流量的計(jì)算，再結(jié)合不同室外溫度下各支路的實(shí)際熱負(fù)荷需求，確定二級(jí)網(wǎng)供熱參數(shù)，通過自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行支路分解循環(huán)泵、局部支路混水泵的變頻調(diào)節(jié)，根據(jù)整體二級(jí)網(wǎng)的參數(shù)需求同步進(jìn)行一級(jí)網(wǎng)熱力站內(nèi)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的調(diào)整。并對(duì)調(diào)節(jié)后的效果進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，根據(jù)反饋的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行調(diào)節(jié)方案的優(yōu)化及方案執(zhí)行，直至達(dá)到最佳的供熱效果。熱力站自動(dòng)控制系統(tǒng)顯示界面如圖4、圖5 所示，圖4 為實(shí)際工程中熱力站二級(jí)網(wǎng)支路分解循環(huán)泵供熱系統(tǒng)的自控界面，圖5 為實(shí)際工程中熱力站二級(jí)網(wǎng)支路分解循環(huán)泵供熱系統(tǒng)（局部支路混水模式）的自控界面。

圖4 熱力站二級(jí)網(wǎng)支路分解循環(huán)泵供熱系統(tǒng)自控界面

圖5 熱力站二級(jí)網(wǎng)支路分解循環(huán)泵供熱系統(tǒng)（局部支路混水模式）自控界面

通過高效合理的自動(dòng)化運(yùn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)熱力站二級(jí)網(wǎng)側(cè)各支路的按需供熱、均衡供熱、節(jié)能降耗的目標(biāo)，保證了熱力站二級(jí)網(wǎng)支路分解循環(huán)泵供熱技術(shù)在實(shí)際工程應(yīng)用中逐漸逼近節(jié)能量節(jié)電量的最大值。

5 結(jié)論

傳統(tǒng)熱力站二級(jí)網(wǎng)供熱系統(tǒng)循環(huán)泵設(shè)置存在很多引起不節(jié)能不節(jié)電的弊端，為克服這些缺點(diǎn)，提出熱力站二級(jí)網(wǎng)支路分解循環(huán)泵供熱技術(shù)，通過取消傳統(tǒng)大循環(huán)泵、改成各支路單獨(dú)設(shè)置小循環(huán)泵（必要時(shí)增設(shè)局部支路混水泵）的方式，避免了支路閥門的節(jié)流損失，減小了系統(tǒng)的總循環(huán)水量，有效地降低了系統(tǒng)的運(yùn)行阻力，并采用基于“最優(yōu)支路流量調(diào)節(jié)”的自動(dòng)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了熱力站各循環(huán)支路的“按需供熱、均衡供熱”，從而帶來明顯的節(jié)能與節(jié)電效益。