基于供熱調節方式的混水直連模式的適用性

晉娜娜，田琦，王美萍，孫玉峰

（1.太原理工大學 環境科學與工程學院，山西 太原030024；2.太原理工大學 信息工程學院，山西 太原030024）

隨著城鎮化進程的不斷加深，集中供熱規模的逐步擴大，相應給供熱企業提出了更高的要求，熱力供應在保證品質的同時更要謀求供熱的經濟性.混水直連供熱系統因其運行穩定、經濟、節能空間大等優點，在供熱領域中得到越來越廣泛的應用［1－12］.混水直連供熱系統能否發揮其優勢的關鍵是混水方式的正確選擇，混水方式的選擇又與一、二次網的水力工況息息相關.因此，供熱系統在變工況時的水力工況分析是選擇混水直連方式的重要依據，只有正確選擇混水直連供熱系統的混水方式，才能使其發揮出最大的節能潛力.目前，大部分文獻在混水直連供熱系統的應用中關于混水方式的選擇，都沒有綜合考慮供熱系統所選的供熱調節方式，故存在一定的局限性.文獻［5］只依據管網設計壓力進行了靜態的選用；文獻［7－8］只是單純地按照建筑是高層或多層以及供暖小區所處的地勢高低來選擇混水方式，沒有考慮管網壓力大小；文獻［9－10］雖然提出要按照管網水壓圖來進行設計，但沒有綜合考慮系統所選用的供熱調節方式來進行動態的分析和選用.本文針對目前較常用的質調節及分階段改變流量的質調節，對混水方式的選擇進行分析研究.

圖1 混水直連供熱系統通用示意圖Fig.1 General schematic drawing of mixing water direct heating system

1 水力工況的基本計算公式

根據電學的基爾霍夫電壓電流定律，可對圖1混水系統的流量、壓力建立如下基本關系［13－14］，即

式（1）～（4）中：G1，G2，Gw分別為一、二次網和混水旁通管的流量；ΔH1，ΔH2，ΔHw分別為一、二次網和混水旁通管的管段壓力降；P1，P2，Pw分別為一、二次網和混水旁通管的混水裝置的揚程；P1g，P1h，P2g，P2h分別為一、二次網設計工況的供、回水壓力；P′1g，P′1h，P′2g，P′2h分別為一、二次網在分階段改變流量的質調節后的供、回水壓力.

2 混水直連系統動態壓力特性分析

混水泵連接方式需要根據供熱系統運行調節方式，并分析整個采暖季的水力工況來確定，以保證任何時候系統的安全穩定運行.

2.1 一、二次網均采用質調節

該調節方式的供熱系統在運行過程中只改變供、回水溫度，其流量不改變，管網的壓降也不變，因而一、二次網的壓力不變.在設計工況下選擇的混水連接方式，在整個采暖期間都滿足系統要求.

2.2 一、二次網均采用分階段改變流量的質調節

該調節方式因流量的改變，管網壓力也相應的改變.在調節時，混水比不變，則一、二次網的壓力變化情況可由式（3），（4），以及ΔH1＝P1g－P1h，ΔH2＝P2g－P2h來確定.

供熱調節之前的一、二次網供水壓力為

而供熱調節之后的一、二次網供水壓力則為

由此，十八大后的這兩個“一號文件”將新時代“三農”工作所處的歷史方位日益勾勒清晰，對進一步解放思想，穩中求進，改革創新，堅決破除體制機制弊端，堅持農業基礎地位不動搖，加快推進農業現代化和社會主義新農村建設取得新進展提出了要求，也為新時代“三農”工作由“補短腿、補短板”向“強美富”發展舉好旗定好向，為改革創新再出發奠定了堅實基礎。

二次網的回水壓力即為二次網定壓壓力.在實際工程中，混水旁通管可以設計得很短，設計時選取較小的比摩阻，適當選用較大的管徑，使其壓降很小，即ΔHw趨近于0［14］.

由式（5），（6）可得一、二次網調節之前和調節之后的供水壓力之間的關系為

對于混水直連供熱系統來說，要求在進行分階段改變流量的質調節時，一、二次網調節后的供、回水壓力也要滿足所選混水方式的壓力要求.

2.3 混水形式的壓力分析

根據混水泵安裝位置的不同，可以將混合水直連供熱系統分為以下3種基本形式［10］.

2.3.1 混水泵置于二次網供水管 這種情況應用條件是二次網所需的供水壓力在一次網以上，二次網的回水壓力大于一次網的回水壓力.在設計工況P1g＜P2g，P1h＜P2h的條件下，分階段改變流量的質調節后P2h不變，P′1h減小，故P2h＞P′1h.由式（7）可知，P′1g始終小于P′2g.所以，根據設計工況的一、二次網供、回水壓力，選用混水泵置于二次網供水管的混水方式，其在分階段改變流量的質調節的整個調節過程中都適用.

2.3.2 混水泵置于混水旁通管 這種情況應用條件是二次網所需的供水壓力小于一次網供水壓力，且二次網供水壓力經由系統阻力消耗后仍比一次網回水壓力高.在設計工況P1g＞P2g，P1h＜P2h的條件下，分階段改變流量的質調節后P2h不變，P′1h減小，故P2h＞P′1h.由式（7）可知有

因此，在設計工況P1g＞P2g，P1h＞P2h的條件下，一、二次網的供水壓力變化有如下2種情況.1）［（P1g－P1h）－（P2g－P2h）］＞P2h－P′1h，原混水方式仍適用.2）［（P1g－P1h）－（P2g－P2h）］＜P2h－P′1h，原混水方式不適用，需在二次網供水上增設混水泵.

由于一次網供、回水壓力在供熱調節后的不確定性，在具體選用混水方式時，需畫出供熱系統在各個調節階段的水壓圖；然后與調節后的二次網供、回水壓力比對，并參考上述兩種情況進行相應的操作.

2.3.3 混水泵置于二次網回水管 這種情況應用條件是當一次網的供水壓力大于二次網供水壓力，一、二次網在混合水供熱后，使得二次網的回水壓力不足，不能靠自身流回一次網系統中.在設計工況P1g＞P2g，P1h＞P2h，分階段改變流量的質調節后，一、二次網的供、回水壓力如式（7）所示，由此可知，調節后的一次網供水壓力與調節后的回水壓力以及設計工況下的供、回水壓力有關.由于二次網的回水壓力為二次網的定壓壓力，故調節后的二次網供水壓力僅與設計工況的供、回水壓力有關，即已知二次網設計工況的供、回水壓力，則可知調節后的供、回水壓力.

由式（8）可知，分階段改變流量的質調節之后，在設計工況P1g＞P2g，P1h＞P2h的條件下，一、二次網的供、回水壓力變化有如下4種情況.1）P′1h＞P2h，［（P1g－P1h）－（P2g－P2h）］＞P2h－P′1h，原混水方式仍適用.2）P′1h＞P2h［（P1g－P1h）－（P2g－P2h）］＜P2h－P′1h，原混水方式不適用，需在二次網供水管及回水管上增設混水泵.3）P′1h＜P2h，［（P1g－P1h）－（P2g－P2h）］＞P2h－P′1h，原混水方式不適用，需在旁通管上增設混水泵.4）P′1h＜P2h，［（P1g－P1h）－（P2g－P2h）］＜P2h－P′1h，原混水方式不適用，需在二次網供水管上增設混水泵.

由于一次網供、回水壓力在供熱調節之后的不確定性，在具體選用混水方式時，需畫出供熱系統在各個階段的水壓圖；然后與調節后的二次網供、回水壓力比對，參考上述4種情況進行相應的操作.

圖2 供熱系統圖Fig.2 Heating system diagram

3 實例驗證

某單熱源枝狀供熱管網（圖2），該供熱系統含5個二級熱力站，二級熱力站設計采用混水換熱方式，每個熱力站的設計熱負荷為6.976MW，一次網系統的設計供、回水溫度分別為115，55℃，二次網設計供、回水溫度分別為80，55℃.每個二級站用戶一次側設計流量為100m3·h－1，總流量為500m3·h－1.一次網系統的定壓為274.4kPa，每個二級站用戶二次側的定壓分別為313.6，303.8，313.6，392.0，392.0kPa.

各個熱力站在分階段改變流量的質調節時，每個階段的供、回水壓力的水力計算值，如表1所示.由表1可知：按照設計工況選擇的混水方式，其在分階段改變流量的質調節過程中出現的變化情況與前面理論分析結果完全相符，且每個二級熱力站的混水連接方式如圖2所示.

表1 供熱調節時一、二次網供、回水壓力情況Tab.1 Pressure of supply and return water when in heating regulation kPa

4 結論

通過理論分析及實例驗證，可以得到以下4點主要結論.

1）混水直連供熱系統在選用混水方式時，不能僅以設計工況為依據來選擇，還要根據選用的具體供熱調節方式來進行動態的綜合分析和選用.

2）如果供熱系統調節方式選用質調節，則按照設計工況選擇的混水方式在整個質調節過程中都能滿足系統要求.

3）如果供熱系統調節方式選用分階段改變流量的質調節，那么根據設計工況的一、二次網供、回水壓力，選用混水泵置于二次網供水管.這種混水方式在分階段改變流量的質調節的整個供熱調節過程中都適用；而選用混水泵置于二次網回水管及混水泵置于旁通管的混水方式，由于一次網供、回水壓力在供熱調節之后的不確定性，在具體選用混水方式時，需畫出供熱系統在各個調節階段的水壓圖，并參照相應的具體情況做相應的操作.

4）在分階段改變流量的質調節過程中，一次網調節后的供、回水壓力之間是一次線性關系，已知設計工況及二次網定壓，便可知二次網調節后的供水壓力大小.

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