供熱系統熱網水力平衡調節淺析

劉鳳玲，趙新宇

(1.黑龍江省龍聚科技發展有限責任公司，哈爾濱 150001;2.哈爾濱國安特種設備技術服務有限公司，哈爾濱 150000)

0 引 言

我國北方地區集中供熱普及率逐年提高，供熱管網普遍存在的最突出的問題是高、低溫水管網系統水力失衡，能源浪費現象嚴重［1］。在設計管網系統時，熱網系統水力穩定性是重要指標，它可以指導管網參數的合理選擇，幫助供熱企業確定合理的經濟指標［2－3］。

對于一個運行良好的供熱系統，其控制系統進行運行調節或增減熱網系統熱負荷時，水力平衡及穩定性基本不受干擾。通過對水力工況的調節，可以明確系統的控制效果，找到系統控制中的薄弱環節，確定相應的調節手段和對應策略。

1 熱網運行調節方式

以熱源廠作為主要熱源的城鎮集中供熱系統，熱力網的供回水溫度、調溫曲線和調節方式將關系到系統設備選型、熱力網的管徑、系統的投資和運行費用。為使熱用戶室溫達到設計要求，除在系統運行前需要進行初調節之外，還應在整個供暖季節隨室外氣溫的變化，隨時或分階段對供水溫度、流量等進行調節。

運行調節方式采用分階段改變流量的質調節，即把整個供暖期按室外溫度的高低分為二個或三個階段，在室外溫度較低的階段采用較大的流量，而在室外溫度較高的階段采用小的流量，在每一個階段內則維持流量不變而采用改變供水溫度的質調節。

計算公式為:

式中:Φr為相對熱負荷W Φr=(ti－ to)/(tito′);B為與散熱器及連接方式有關的系數 四柱散熱器B=0.35;ti為室內計算溫度，℃;to為室外溫度，℃;to′為室外計算溫度，℃;t1、t2為任意室外溫度下供、回水溫度，℃;t1′、t2′為設計供、回水溫度，℃。

某供熱單位由于管網老化等原因，一、二次網運行參數為:

一、二次網供回水溫度隨室外氣溫變化調節，供暖期按室外溫度高低分成二個階段:

(1)室外溫度最低時:低于 －16℃保持100%負荷流量2 800 m3/h。

(2)室外溫度較高時:－16～5℃保持70%負荷流量1 960 m3/h。

表1 一次網供回水溫度隨室外氣溫變化表

表2 二次網供回水溫度隨室外氣溫變化表

2 管網平衡調節

2.1 水力失調

當前在集中供熱系統中無論直供管網還是間供管網，影響供熱質量的最大問題仍然是熱源或換熱站附近用戶室溫超標，遠處用戶室溫過低，用戶室溫不達標便私自安裝小型循環泵、甚至采取大量放水等方法，這是熱網普遍存在的水力失調問題。有些供熱企業為了解決這一問題，采取加大供熱量，或是更換大功率的循環水泵。結果問題不但沒有得到很好的解決，而且進一步造成了能源浪費。供熱效果好壞實際上是流量(熱量)合理分配的問題。這個問題不可能在設計階段完全解決，即使設計、施工、運行情況良好，水力不平衡的情況也會出現在每個輸配環節中。若要在整個供熱系統中實現良好的水力工況，必須在運行階段進行認真地、反復地、細致地調節。

實踐證明，解決水力失調問題的關鍵在于調控設備。以前曾經用調節閥等，這樣不但都需要分層次調節，而且必須反復調節、經常調節，調節的工作量相當大，而且只能在一定程度上改善熱網的水力工況，不能從根本上消除水力不平衡狀態。目前大多數供熱企業都不同程度地處在這種調控階段。

管網系統水力計算時，為使計算更接近實際管網運行工況，尚需考慮如下幾種情況:

(1)熱負荷的準確性

熱負荷的準確性與否直接涉及到各支路熱量配置的合理性、科學性。綜合熱指標的確定常規是依據構筑物的使用性質及供熱面積與熱指標采取加權平均得出綜合熱指標值。考慮國家對節能建筑的要求，在建、擬建節能建筑物綜合熱指標按較低選取的原則。在二次網水力計算中，需要增加一些內容，如構筑物位置、朝向、樓層高低、墻體保溫狀況等等。

熱指標合理性是熱負荷確定準確性的基礎。管道阻力計算基礎數據收集整理工作比較繁雜，此過程需細致準確，否則會影響管網水力計算結果，導致管網水力失調。

(2)流量計算的準確性

水力計算中流量計算與實際運行溫差密切相關，溫差的選擇決定流量，常規二次網水力計算溫差按Δ=25℃選取，由于同一構筑物內可能同時存在散熱器和地熱采暖兩種形式，供熱單位運行溫差往往在10～15℃，因此在進行水力計算或水力校核計算時力求接近于實際運行溫差。例如溫差按25℃和12.5℃進入計算，流量相差一倍，管段阻力相差一倍，計算結果直接影響用戶室內溫度，特別是末端熱用戶。

(3)流量分配的合理性

盡量消除近端管網超流量短路，遠端熱用戶流量小回水溫度過低現象。筆者曾經對某換熱站回水溫度做過調查(24 h低溫常供)，見表3。

表3 某換熱站回水溫度℃

從上表分析換熱站近端用戶由于管路壓差大、流速高、用戶室內過熱;遠端用戶管路壓差小(甚至無壓差)、流速低、用戶室溫嚴重不達標，回水最大絕對溫差32.2℃，換熱站回水溫度實際上是近端、遠端的混水溫度，即遠端較低與近端較高回水的混合溫度。從上表看出交通局熱用戶回水55℃，室溫30℃;末端開發家屬樓回水只有23.3℃ 室溫只有10℃。

第二年該管網各樓前加裝了(末端未加裝)自立式流量控制閥，現將同時期調整后重新檢查數據列于表4。

表4

從表4看出遠、近端用戶回水溫度基本一致，回水最大絕對溫差2.2℃，由于確保遠、近端熱用戶回水溫度基本相同，既滿足了室內溫度質量，又節約了能源。

只有做好基礎數據的普查收集，通過計算力求將管網各個并聯支路阻力相同，即各支路最末端的熱用戶資用壓頭基本相同。各并聯支路的供暖半徑長短不一，設計者需要采取有效措施調整相關管路的比摩阻使各并聯支路阻力相同，這是最主要因素。把每個與熱源或換熱站采暖循環泵相連接的用戶之間視為并聯系統，這樣近端與遠端相比，熱源近端與遠端用戶干管部分阻力兩者接近相同，這就相當于近端管徑應設計比常規時略小些，而末端管徑設計比常規時略大些，而且供熱半徑越長這種差距越大。

(4)管網剩余壓頭的消除

在進行管網設計時，設計人員大多遵循著這樣的設計原則:先滿足最不利點的資用壓頭，這樣使得其他各個點的資用壓頭過大，而且越是距熱源或換熱站近剩余壓頭越大，解決的辦法只能是通過調節管徑或加裝調節手段的方式消耗掉資用壓頭的富裕量，而管道管徑可選擇種類并不多，閥門調節功能也是有限度的，這樣必然使流量分配偏離設計狀態，導致用戶冷熱不均。而在設計計算過程中管道、水泵、散熱器等選型常常都會習慣地采用一定的“保險”系數，這就造成了“先天性”的水力失調。

2.2 科學可行的調控手段

(1)必要的調控手段

要實現熱網平衡，除了上述設計理念，還需必要的調控手段。不僅要對干線、支干線、支線、進戶線的流量控制閥進行調控，還要對支戶線、樓內水平分支、水平分支上垂直立管甚至分戶支管的閥門進行調節，這就相當于需要3～5級調控，越接近于近端，調節力度越大、調控級數越多;越接近于末端調節力度越小、調控級數也越少。但現實中往往由于規劃、設計、管理、閥門質量等因素，造成管網錯綜復雜，各用戶可調控級數不同，某些用戶甚至直接接于近端干管上，只有2～3級甚至1級調控，造成熱力系統難于平衡。在設計時，近端用戶可控級數應最多，即支干線不斷向后延展、分級，而末端管網要盡量減少分級，并根據供熱半徑大小等情況適當加大一些管徑。在管網系統調控中，采用優質的靜態平衡閥、動態平衡閥、自力式流量控制閥、必要的配套精密儀表，以及專業的調節經驗和模式，加之理論與實踐、硬件與軟件緊密結合的全局觀念和技能，高度責任心及分析能力，不厭其煩反復調節等，方可保證管網調節平衡。

(2)流量調節閥安裝

在一次網進入換熱站和各個構筑物入口設置自力式流量調節閥、自力式流量平衡閥、管網分支處設置平衡閥，使管網平衡的調節手段得以加強非常重要。常規蝶閥、截止閥、閘閥不具備可靠地調節功能。當需要調節某一個普通閥門時，該回路流量隨之變動，但同時其它支路閥門通過的流量也在變化，這種調節手段只能相對提高水力平衡效果，但不可能維持平衡穩定，管網任何一處閥門調整都會造成系統平衡變化。

近年來很多熱網，包括新建和改造熱網都較多采用自力式流量控制閥，該閥的特點是可以根據用戶的實際需要保持恒定流量，自動消除剩余壓頭，維持為用戶設定的入戶壓力差，且不受外界流量變化干擾，維持流量恒定。

最近幾年又研制成功等比例變流量調節動態阻力平衡閥，最初該閥多在熱網改造中應用，尤其是控制近熱源端用戶的流量恒定和改善熱網的水平失調效果非常明顯。在集中供熱系統中，裝在各個換熱站一次網的出口或入口，實施手動調節;也可安裝閥門執行器、溫度傳感器、氣候補償器和其它自控儀表實施自動控制技術指標。

(3)相對增大用戶系統的壓降

相對增大用戶系統的壓降也是提高熱網水力穩定性的另一個須同時采用的主要方法。在這點上，常規設計并未給予充分重視，使預留的剩余壓頭不大。這樣雖然可以減少整個管網的資用壓頭、節省電能，而且由于換熱器前調節閥選型較大，給今后增加供熱面積預留了較大的余地，但卻大大降低了熱網的水力穩定性。

提高管網的壓差，增加了耗電量，但帶來的卻是提高了熱網水力工況的穩定性，改善了熱網的水力工況，使全網減少了無效熱能和電能的消耗。

2.3 實施分布式混水加適當調控手段

常規供熱系統二次網采用換熱站內集中設置循環水泵的，若實施分布式混水循環方式可以消除近端壓差大遠端壓差小的弊病，再適當輔以調控手段，則可有效地解決水力失調問題。該方式在解決水力失調的同時還節約了電耗。換熱站集中循環系統造成近端熱用戶壓差過大，以至于不得不加裝流量調節裝置進行限流，造成大量電能的無謂浪費。采用分布式混水泵系統，不但避免了上述電能的浪費，而且大大降低主循環泵配套電機功率，從而實現在最小的耗電功率下達到合理供熱量的輸送，因此分布式混水技術備受青睞。

3 提高對管網平衡調節認識

水力失調是供熱管網普遍存在的現象，它的出現造成近端過熱，遠端過冷的狀況，雖然通過系統水力計算解決了部分管網阻力平衡問題，但管網的運行工況十分復雜，不可能在設計階段完全解決。

城市不斷發展伴隨著規劃調整、供熱面積增加、熱網增容、熱負荷變化等對熱網系統影響巨大，系統阻力相應隨之增加，各點作用點壓頭不斷變動。管網系統會出現由平衡到不平衡過程，形成對管網水力工況重新計算和再調整過程。如果認識不到重新計算和再調整的重要性，必然會降低供熱系統的效率，惡化供熱質量，同時能耗和運行費用也大幅度增加，特別是供熱面積大、管線距離長、分支節點多，用戶結構復雜的大型管網就顯得更為突出。

許多供熱企業對熱網水力工況的科學性、重要性認識不足，熱網中安裝的調控設備陳舊、落后，甚至不知曉、不進行熱網的水力平衡調節，造成用戶冷熱不均現象嚴重，熱費收繳困難。有些供熱企業為了解決這一問題，采取了一些錯誤辦法，或是加大供熱量，或是更換大功率的循環水泵。還有的對低溫用戶采取更換大管徑、甚至大量放水等方法，結果問題不但沒有得到很好的解決，而且進一步造成了能源浪費。

4 結論

理論和實踐均證明，熱網的水力穩定性高可以達到如下目的:

(1)經常變化的熱網始終保持良好的水力工況。

(2)使熱網的初調節和運行調節容易進行。

(3)可大量減少無效的熱能和電能損失。

因此提高熱網的水力平衡是管網穩定運行的關鍵，是保證大型供熱系統供熱質量首要問題。

［1］李志剛，孫麗萍，劉嘉新.熱網監控系統的設計與實現［J］.森林工程，2013(4):90－95+160.

［2］石兆玉.供熱系統多熱源聯網運行的再認識［J］.中國建設信息供熱制冷，2006(2):52－58.

［3］秦 冰，秦緒忠，謝勵人，等.分布式變頻泵供熱系統的運行調節方式［J］.煤氣與熱力，2007(2):73－75.