集中供熱系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)的實踐研究

李哲

（太原熱力集團有限責任公司第五供熱分公司，山西太原 030000）

0 引言

目前，國內(nèi)的集中供熱系統(tǒng)在技術(shù)與控制方面日臻完善，同時節(jié)能建筑的大規(guī)模建設使得供熱壓力得以緩解，因此針對不同區(qū)域的制定動態(tài)化的供熱工作計劃是降低供熱企業(yè)成本的重要方式[1]。由此可見，針對不同區(qū)域的供熱需求變化，企業(yè)應結(jié)合差異化的供熱工作計劃進行供熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)。因此，針對集中供熱系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)進行深入研究對于滿足動態(tài)化供熱需求以及維護供熱企業(yè)的健康發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義[2-3]。

1 集中供熱運行調(diào)節(jié)現(xiàn)狀

目前，太原市集中供熱共有熱力站2000 余座，供熱面積2.12億m2，服務用戶150 萬戶。用戶二次網(wǎng)供熱系統(tǒng)由于建設時間、技術(shù)要求和設計方式的不同，實際情況較為復雜，整體來說可以按照二次網(wǎng)和樓棟（單元）立管的形式進行分列，其中二次網(wǎng)系統(tǒng)分為同程式和異程式，樓棟（單元）立管主要分為四類，分別為：①三供一業(yè)改造后的二次網(wǎng)，樓棟單元平衡，戶閥可遠控。②熱計量入網(wǎng)用戶，戶閥可遠控，有戶表和樓棟表計。③僅僅實現(xiàn)分護控制，單元和戶均沒有調(diào)節(jié)閥。④上供下回的供熱系統(tǒng)。

目前，太原市參與“三供一業(yè)”的改造面積約2000 萬m2，24萬余戶，加裝分戶計量用戶4800 萬m2，實施熱計量收費2340 萬m2。上述用戶基本能實現(xiàn)自動調(diào)控，其余上供下回供熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)手段有限，自動化調(diào)控手段較為欠缺。

2 集中供熱系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)實踐分析

2.1 正常的維持供熱系統(tǒng)水力工況水壓條件

供熱系統(tǒng)中水力工況主要表示內(nèi)部流量壓力分布情況。供熱系統(tǒng)的工作效率通常與其內(nèi)部的水力工況關系密切。供熱系統(tǒng)出現(xiàn)局部供熱失常問題時，其主要原因多為系統(tǒng)水力工況失調(diào)。

2.1.1 穩(wěn)定的資用壓頭

資用壓頭主要表示供暖系統(tǒng)維持內(nèi)部熱量所克服的對應壓力，若系統(tǒng)水流壓力顯著低于室內(nèi)環(huán)境壓力，則供熱系統(tǒng)將無法實現(xiàn)有效供熱。針對室內(nèi)供熱系統(tǒng)的差異化問題，室外系統(tǒng)的安裝方案也存在一定差異，因此室內(nèi)安裝的資用壓頭需進行對應調(diào)整。在集中供熱導入到室內(nèi)供熱系統(tǒng)的過程中，室內(nèi)系統(tǒng)的資用壓頭一般在3~5mH2O。但就實際而言，隨著裝修改造日漸復雜，多數(shù)地區(qū)的室內(nèi)供熱系統(tǒng)呈現(xiàn)多樣化發(fā)展，除鐵片形式的散熱器外，部分地區(qū)大規(guī)模安裝了地暖、風暖等系統(tǒng)，且整體結(jié)構(gòu)變?yōu)橥毯彤惓淌?，因此部分區(qū)域的室內(nèi)采暖系統(tǒng)壓力存在較大出入，因此資用壓頭方面還需針對室內(nèi)供熱改造方案進行對應調(diào)整，詳細確定系統(tǒng)內(nèi)壓力，否則可能造成系統(tǒng)供熱失常問題，無法滿足用戶的正常采暖需求[4]。

2.1.2 應低于設備標準壓力的運行壓力

在集中供熱運行中，一次網(wǎng)的設備組件標準壓力普遍超過2.5MPa，二次網(wǎng)設備組件的標準壓力普遍超過1.6MPa，在普通類型建筑物供暖方面可維持穩(wěn)定，設備組件壽命較長，但在散熱組件方面需進行對應調(diào)整，避免出現(xiàn)壓力過高導致壽命縮短問題。例如早期階段鑄鐵暖氣片標準壓力介于4~6mH2O，鋼制散熱器可承受10mH2O 以上，而當供熱時間逐漸增加后，建筑物底層的住戶的設備組件的壓力逐漸升高。因此，在運行壓力控制方面，技術(shù)人員僅需檢查承壓最大的散熱設施的承壓能力即可，并結(jié)合最大承壓選擇散熱設備[5-6]。

2.1.3 避免系統(tǒng)高點倒空

在系統(tǒng)高點時水壓力處于壓力波谷狀態(tài)，若此時出現(xiàn)倒空，則可能導致系統(tǒng)內(nèi)部淤積大量的空氣，不斷阻礙系統(tǒng)正常運行，同時空氣霧化作用下增加了管道內(nèi)部損耗速度。因此，只要確保頂端的水壓需求，則可避免倒空，另外在調(diào)控過程中仍需預留富余量，來保證系統(tǒng)的正常運行。

2.1.4 避免系統(tǒng)汽化

若系統(tǒng)內(nèi)部的壓力顯著低于水流的汽化壓力時，則可能出現(xiàn)汽化問題，如此一來，即可導致系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)水擊現(xiàn)象，使得系統(tǒng)內(nèi)部存在安全風險。汽化問題的主要發(fā)生點位集中在的位置系統(tǒng)高點處。當處于標準大氣壓時，汽化溫度為100℃，因此在調(diào)節(jié)系統(tǒng)運行方案時，應維持水溫處于50~65℃，同時注意避免倒空出現(xiàn)，即可消除汽化問題。

2.2 水力工況的構(gòu)建與調(diào)整

2.2.1 確定系統(tǒng)的靜壓力

靜水壓力在系統(tǒng)待機時通常維持不變。在工程實際中，靜水壓線表示供熱系統(tǒng)待機過程中，各個子設備中滿水條件下的最低壓力值。這一數(shù)值是由設計人員在設計準備階段統(tǒng)一計算確定。其數(shù)值主要參考自供暖用戶的散熱設備的承壓能力，靜水壓力值應確保低于設備的標準壓力值，以免影響壽命。當然，在實際運行過程中，企業(yè)仍需維持供熱系統(tǒng)運行必要條件，既不超壓、不倒空、不汽化。在實際作業(yè)中，部分地區(qū)受地形影響，供水壓線的標準值設定較低，使得很多用戶無法滿足供熱需求，因此需結(jié)合系統(tǒng)進行分部設計。

2.2.2 規(guī)劃定壓點及定壓方式

定壓點的規(guī)劃工作意義重大，是維持系統(tǒng)穩(wěn)定的關鍵。從理論上來講，當系統(tǒng)處于任何狀態(tài)下，該定壓點的壓力應始終維持不變。而該數(shù)值，即為水壓圖中靜水壓線的值。當標定定壓點后，需進行對應的水力計算，從而確定整個系統(tǒng)的水壓圖，進而推進后續(xù)調(diào)節(jié)方案。在運行過程中，定壓點位置主要集中在循環(huán)水泵的入口處，該點位的壓力值即為整個系統(tǒng)的靜壓點。通常而言，循環(huán)水泵位置處于系統(tǒng)壓力的波谷位置，若將水泵壓力作為該系統(tǒng)的基礎壓力值或作為系統(tǒng)運行的壓力起始點，則定壓點則可稱為系統(tǒng)回水的終末位置，流經(jīng)定壓點的水可通過水泵循環(huán)在此進入系統(tǒng)中。當受水泵故障或系統(tǒng)運行失常問題影響，定壓點的壓力數(shù)值可能隨著整個系統(tǒng)的運行波動出現(xiàn)變化，因此在波動狀態(tài)下，該系統(tǒng)的水壓圖可能出現(xiàn)失穩(wěn)，若波動幅度較大，則可能影響整個系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行，因此針對定壓點的維穩(wěn)工作，是維護系統(tǒng)運行正常的必要條件。

2.3 水力工況對熱力工況的影響

在實際作業(yè)過程中，當整個系統(tǒng)水力調(diào)節(jié)維持正常時，用戶的室溫與供暖計劃溫度相近；當系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)水力失調(diào)現(xiàn)象，例如低點位用戶流量超標過多，則可導致在流量上升期間，室溫隨之升高，但是兩者之間的上升趨勢并非呈正比上升，室溫上升幅度通常較低；而末端用戶流量較低時，內(nèi)部供暖系統(tǒng)壓力較低，室溫將低于規(guī)定供暖溫度，既水力失調(diào)度遠遠小于1 時，室溫下降幅度十分明顯。而當水力工況失調(diào)出現(xiàn)時，環(huán)境溫度降低可導致熱力工況出現(xiàn)急劇變化，因此室溫與環(huán)境溫度存在一定的關聯(lián)性。所以水力工況失穩(wěn)將導致室內(nèi)系統(tǒng)的熱力工況失常，針對此類問題技術(shù)人員應重點關注。通過經(jīng)驗統(tǒng)計，多數(shù)供熱系統(tǒng)運行過程中，水力工況失調(diào)問題主要集中在近端用戶，中段用戶的流量基本與設計方案相近，但遠端用戶的則無法滿足正常供熱需求，因此此類問題將嚴重影響室溫分布，也無法通過增加供水溫度環(huán)節(jié)，因而在實際運作過程中經(jīng)常出現(xiàn)近端用戶通風散熱，而末端用戶額外加熱的情況。因此水力工況的失穩(wěn)將導致整個系統(tǒng)運行失常，必須針對此類問題進行對應的調(diào)節(jié)方案降低供熱系統(tǒng)的水平失調(diào)問題。

2.4 解決熱力失調(diào)現(xiàn)象的主要思路與方式

2.4.1 熱力失調(diào)現(xiàn)象

針對供熱系統(tǒng)而言，水力失調(diào)以及遠端用戶供熱失調(diào)問題均可導致整個室內(nèi)供熱系統(tǒng)出現(xiàn)溫度分布不均勻問題，此類問題可統(tǒng)稱為熱力系統(tǒng)失調(diào)。單一用戶的室內(nèi)溫度與整個區(qū)域內(nèi)用戶平均溫度的比值稱為熱力工況失調(diào)度。當其為1 時，表明整個熱力工況正常，系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)；當該數(shù)值不為1 時，則可證明整個系統(tǒng)內(nèi)部的冷熱分布存在問題。從工程實際來說，等于1 的供熱系統(tǒng)并不常見。

2.4.2 解決熱力失調(diào)現(xiàn)象的方法探討

（1）采用大流量、小溫差方案。為進一步緩解熱力失調(diào)的問題，使得系統(tǒng)供熱穩(wěn)定，多數(shù)企業(yè)結(jié)合運行經(jīng)驗制定了二次管網(wǎng)的大流量、小溫差工作方案。要顯著提高供熱系統(tǒng)的循環(huán)水量，就單一供熱企業(yè)而言常用方案包括循環(huán)水泵優(yōu)化或采用并聯(lián)多臺循環(huán)水泵以及在系統(tǒng)部分區(qū)域架設對應循環(huán)水泵。通過提高循環(huán)水量，對于部分熱力失調(diào)現(xiàn)象具有一定的緩解效果，降低了整個系統(tǒng)的供暖壓力。加速末端用戶系統(tǒng)水流量，則可在末端用戶室內(nèi)形成更快的溫度交換，進而保持了散熱器的平均溫度，使得散熱器的整體加熱效果顯著提高。但在近端位置的散熱器受流量加速影響而出現(xiàn)溫度迅速升高現(xiàn)象，但就實際而言，散熱器自身的散熱效果存在設計上限，因此，當更換對應的散熱器后，近端用戶的整體室溫不會隨著水流加快而進一步上升，因此與遠端用戶的室溫差將會減小，進而保證整個供熱系統(tǒng)的熱力工況維持穩(wěn)定，降低多余的熱量損耗。

（2）初期調(diào)節(jié)。在供熱工作過程中，技術(shù)人員應重點關注水力工況問題，確保整個供熱系統(tǒng)的水量處于平穩(wěn)狀態(tài)。通常而言，水平調(diào)節(jié)工作模式應結(jié)合供暖用戶的分布位置進行對應調(diào)整，具體應按照從遠到近的順序逐步提高閥門開放度，在遠端用戶數(shù)量較多的區(qū)域，應保證閥門盡量開大，同時區(qū)域內(nèi)的近距離供暖用戶數(shù)量較多，則可降低閥門開啟幅度。針對供熱企業(yè)的二次管網(wǎng)系統(tǒng)，若在室外入口處安裝了調(diào)節(jié)閥，則可根據(jù)對應需求進行供暖規(guī)劃調(diào)整，并根據(jù)相關流量監(jiān)測數(shù)據(jù)確定具體流量，確保整個流量滿足設計方案，在調(diào)平后應進行校準，并對流量進行再次監(jiān)測。針對缺少對應的調(diào)節(jié)閥的用戶，同時二次系統(tǒng)規(guī)模較為復雜的供熱企業(yè)，應結(jié)合可供暖規(guī)劃進行對應調(diào)節(jié)。在工程實際中，部分工作人員在調(diào)節(jié)過程中憑借經(jīng)驗進行對應調(diào)整，在調(diào)整過后應進一步對整個管道的流量進行數(shù)據(jù)測量，以此確保管閥調(diào)節(jié)符合供暖規(guī)劃需求。針對垂直雙管模式或者采用垂直雙管供暖系統(tǒng)，在管閥調(diào)整時應保證系統(tǒng)各位置的管閥調(diào)整保持同步性，因此要求運管員對區(qū)域內(nèi)各處的閥門進行逐一調(diào)節(jié)。

（3）量調(diào)節(jié)。此類調(diào)節(jié)方案主要針對供水溫度處于恒定狀態(tài)，技術(shù)員通過改變供熱系統(tǒng)流量實現(xiàn)可控調(diào)節(jié)。在落實階段中，循環(huán)水量變化的宏觀表現(xiàn)在于回水溫度的變化，從而提高末端散熱設施的整體散熱量，提高室內(nèi)溫度。其主要方式是在系統(tǒng)內(nèi)部進行對應調(diào)節(jié)。對于缺少水泵變頻功能的熱力系統(tǒng)，在實現(xiàn)量調(diào)節(jié)的過程中應重點控制閥門的開度。但就實際而言，此類方式的原理在于調(diào)整水泵的工況，特殊情況下可能影響水泵效率，在能耗方面降低閥門開度可降低水泵的整體運作功率，但相較具備變頻調(diào)速的供熱系統(tǒng)而言，調(diào)整閥門在整體精度以及使用壽命方面存在較多缺陷。采用水泵變頻調(diào)速的供熱系統(tǒng)，可通過簡單調(diào)整流量，即可自動實現(xiàn)水泵功率調(diào)整，而無須針對供熱系統(tǒng)中閥門進行對應調(diào)整，整體操作僅需通過變頻器控制即可，因此該系統(tǒng)在節(jié)能環(huán)保方面具有一定優(yōu)勢。在進行實際操作過程中，實踐經(jīng)驗豐富的運管人員，可結(jié)合區(qū)域內(nèi)的實際供熱需求以及系統(tǒng)壓力進行對應調(diào)整，同時在不同時段分配不同方案，尤其對于公共建筑，白天和夜間的流量可根據(jù)實際情況進行較大幅度的調(diào)整。

3 案例分析

3.1 對不熱用戶進行測流量

我們選擇的不熱用戶是太原熱力集團有限責任公司第五供熱分公司所管理的小窯頭熱力站所帶的用戶，小區(qū)物業(yè)相關人員對小窯頭熱力站及庭院管網(wǎng)情況進行了調(diào)查，針對該小區(qū)冬季不熱問題，提出該小區(qū)流量測量方案，以及提出該小區(qū)庭院網(wǎng)調(diào)節(jié)辦法。

站內(nèi)測點選擇90kW 循環(huán)泵進、出口；22kW 循環(huán)泵進、出口；熱力站二次網(wǎng)供水管。

庭院網(wǎng)測點選擇各單元地下室供、回水管。

方案：按照嚴寒期的運行工況進行測量。

調(diào)取2019 年1 月3 日熱力站運行參數(shù)，運行站內(nèi)90kW 循環(huán)泵，頻率35Hz，根據(jù)站內(nèi)管道空間位置，分別測量循環(huán)泵進、出口流量及二次網(wǎng)供水流量，判斷站內(nèi)是否有短路循環(huán)。測量各單元供、回水流量，判斷庭院網(wǎng)是否流量失調(diào)。

按照2019 年1 月3 日站內(nèi)供、回水溫差及各單元面積，熱指標選擇50W/m2，計算出各單元及各樓應供流量，并根據(jù)計算值對各樓及各單元實際流量分配情況進行比對，指導二次網(wǎng)運行調(diào)節(jié)。

3.2 熱力站及小區(qū)情況簡介

該站設計供熱面積8 萬m2，實際供熱面積3.5 萬m2，站內(nèi)共設置兩組循環(huán)泵，一組循環(huán)泵的參數(shù)為H=40m、G=540t/h、P=90kW，另一組循環(huán)泵的參數(shù)為H=33m、G=160t/h、P=22kW。熱力站二次網(wǎng)出口管徑為DN350。

小區(qū)住戶家中的采暖系統(tǒng)為地暖。小區(qū)庭院網(wǎng)主管道管徑在出站后變?yōu)镈N200，庭院網(wǎng)末端主管道變?yōu)镈N150，小區(qū)供熱半徑約700m，熱力站位于小區(qū)最西側(cè)。小區(qū)共有12 棟樓，合計32個單元，每個單元供熱管道管徑均為DN50，其中，西1#、西2#及6#~9#樓進單元管道的管道材質(zhì)為PPR，其余進單元管道的管道材質(zhì)為鋼管。小區(qū)冬季主要反映不熱的用戶主要集中在6#~9#樓以及西1#樓2 單元、西2#樓5 單元、西3#樓三單元。

3.3 方案的選取

調(diào)取2019 年1 月3 日（本采暖季室外溫度最低的一天）熱力站運行參數(shù)，運行站內(nèi)90kW 循環(huán)泵，頻率33Hz，根據(jù)站內(nèi)管道空間位置，分別測量循環(huán)泵進口流量及二次網(wǎng)供水流量，判斷站內(nèi)是否有短路循環(huán)。測量各單元供水流量，根據(jù)當日熱力站供回水溫差及各單元供熱面積（熱指標選擇50W/m2），得出各單元的計算流量和計算管徑，并與實際流量進行對比，判斷庭院網(wǎng)是否流量失調(diào)。

3.4 測量結(jié)果

實測站內(nèi)90kW 循環(huán)泵進口流量為215t/h，站內(nèi)二次網(wǎng)供水流量為240t/h。

由于1#樓、2#樓單元入口管道水平直管段長度較?。ㄩL度僅為15~20cm），儀器無法測量，共計5 個單元無法測量流量。

由于測量儀器、測量條件及系統(tǒng)運行方面的影響，測量結(jié)果存在一定偏差，27 個單元（5 個單元無法測量） 合計流量為248.05t/h，已大于二次網(wǎng)供水流量。

3.5 結(jié)果分析

雖然測量結(jié)果存在偏差，但仍具備一定的參考價值。

（1）站內(nèi)90kW 循環(huán)泵入口流量與站內(nèi)二次網(wǎng)供水流量相差不大，表明站內(nèi)幾乎不存在短路循環(huán)。

（2）小區(qū)二次網(wǎng)計算流量為181.3t/h，實測二次網(wǎng)流量為240t/h，表明在熱指標選取已經(jīng)較大的情況下，小區(qū)二次網(wǎng)流量完全達標。

（3）根據(jù)實測站內(nèi)二次網(wǎng)流量計算可得，小區(qū)二次網(wǎng)每萬m2流量為68t/h，遠大于地暖系統(tǒng)每萬㎡的應供流量（地暖系統(tǒng)每萬m2流量為35~40t/h），小區(qū)二次網(wǎng)流量完全達標。

（4）利用站內(nèi)二次網(wǎng)實測流量及二次網(wǎng)溫差，計算得出小區(qū)實際熱指標為63.6W/m2，表明小區(qū)因外墻未做保溫及地處地勢較高區(qū)域，熱耗較大。

（5）對小區(qū)6#樓2 單元用戶入戶管道的測量結(jié)果顯示，6#樓樓內(nèi)采暖系統(tǒng)存在失調(diào)問題，需物業(yè)對樓內(nèi)的閥門及排氣閥進行檢查。

（6）其他主要反映不熱的用戶，單元供水及入戶流量均達標。這些用戶多數(shù)位于該樓的西側(cè)，熱損失較大。

3.6 熱成像情況

在流量測量的同時，另一組同事對冬季反映不熱的用戶的地暖盤管情況進行了熱成像檢測，結(jié)果顯示9#樓602 整體、9#樓301、303 的小臥室盤管數(shù)量和間距極不規(guī)范，影響供熱效果；8#樓 1 單元 102、6# 樓 2 單元 202、5# 樓 2 單元 101 地暖系統(tǒng)尚可，但也不規(guī)范。由此可見小區(qū)地暖系統(tǒng)情況不佳也是造成用戶不熱的主要原因。

3.7 其他用戶

小區(qū)西2#樓、西1#樓1 單元、3#樓2 單元、5#樓1 單元存在供回水接反情況，同樣影響上述用戶的供熱效果。

4 結(jié)語

進年來，隨著國內(nèi)大規(guī)模進行煤改氣、煤改電，導致供熱企業(yè)的運營成本也隨之上升，因此針對供熱系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)優(yōu)化工作成為維持企業(yè)健康發(fā)展的重要方式。在實際運行過程中，由于供熱用戶分布不均，且室內(nèi)供熱系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)設計差異，因此導致供熱系統(tǒng)存在熱力失調(diào)問題，針對此類問題，供熱企業(yè)應針對系統(tǒng)的水力工況以及熱力工況進行分析，并結(jié)合供熱需求采用大流量、小溫差等方案進行對應調(diào)整，以此解決遠近端用戶的溫差問題。