應用熱計量設備實現水力平衡的自動調節研究

文_王建浮 任啟貴 王炎 吳鈞 唐曉 梁飛 北京華源熱力管網有限公司

集中供熱管網的水力失調是導致用戶端超量供熱的基礎性問題，也是供熱行業多年來難以根本性解決的問題。這是因為供熱系統屬于大滯后、強耦合的復雜系統，末端缺乏集控、檢測、調節設備，系統調節主要依賴人工、經驗式調節，這種調節方式所需周期長、精度低，一般只能解決近端熱遠端冷的問題，不能實現水力平衡的準確調節。

隨著國家熱計量政策的推廣，大量熱量表、電控閥、數據采集器等集控設備的安裝應用為水力平衡的自動調節提供了手段。但各種熱計量系統在實際應用時都以計費結算為主，力圖通過熱費高低來促使用戶自主節能，而熱的復雜性又導致用熱量難以準確計量，因此供熱計量設備被大量棄用，造成社會資源的浪費。

本文通過改變現有“通斷法”熱計量系統的運行控制方式，應用供熱系統“基爾霍夫”定律，通過調整同一時刻不同樓棟內總用戶的通斷比實現樓間摩阻比的調節，從而調整樓間流量分配，實現水力平衡的自動調節，并通過試驗予以驗證。

1 水力失調的決定因素

1.1 水力失調

熱水供熱系統中各熱用戶的實際流量與需求的流量之間的不一致性，稱為水力失調。

1.2 決定需求流量的參數

當熱水網路在穩定狀態下運行，不考慮管網沿途熱損失，則網路的供熱量等于供暖用戶系統散熱設備的放熱量，同時也等于供暖熱用戶的熱負荷，即滿足如下熱平衡方程式：

Q1--建筑物的供暖設計熱負荷，W；Q2--在供暖室外計算溫度下，散熱器放出的熱量，W；Q3--在供暖室外計算溫度下，熱水網路輸送給供暖熱用戶的熱量，W；Vg—供暖熱用戶的循環水量，kg/h；tg—進入供暖熱用戶的供水溫度，℃；th--供暖熱用戶的回水溫度，℃。

由上式可知熱用戶的需求流量由建筑物的供暖設計熱負荷決定，而建筑物的耗熱量指標（即供暖設計熱負荷）又滿足如下公式：

Q1=QHT=εiKiFiζi(tn-te)

εi——外圍護結構傳熱系數的修正系數；

Ki——外圍護結構傳熱系數［W/（m2·K）］；

Fi——外圍護結構的面積（m2）；

tn——室內計算溫度；

te——計算供暖期室外平均溫度（℃），取0.1℃；

ζi——溫差修正系數。

因此熱用戶的需求流量由上述εi、Ki、Fi、ζi、tn、te6個參數決定。由于建筑物固有的結構及保溫特性等參數，導致處于不同樓層、不同位置熱用戶、參數不同，當室外平均溫度相同的情況下保持各熱用戶室內溫度相同時所需的流量不同（即所需熱量不同）。

1.3 水力失調的原因

決定供熱系統流量分配的關鍵參數是系統摩擦阻力系數，當系統各環節摩擦阻力系數與需求的摩擦阻力系數不一致時就引起水力失調。因此水力失調的可分為初始設計導致的失調、管網改造導致的失調、供熱運行導致的失調3類。

2 水力平衡調節的難點

2.1 調節過程

水力平衡調節是由大量的測量、比較、調整等PID調節過程嵌套組合成的大滯后PID調節系統，其調節過程是先支路后干路，首先測量被調支路內各用戶的流量，并計算各用戶的水力失調度，并以水力失調度最小的用戶作為參照，逐個調節其他用戶，直至支路內各用戶達到水力平衡，此時由各用戶確定的支路管阻已經確定，依此方法再調節其他支路，當各支路內水力平衡調節完成后再調節支路干管閥門，進行供熱干路調節，調節原理與支路調節相同，通過調整支路干管閥門阻力實現干路水力平衡。

2.2 調節難點

供熱系統是一個強耦合系統，系統中任意一點的變化都會影響整個系統，因此供熱系統越大一個調節周期就越長，而整個系統的水利平衡調節是從影響系統穩定的每一個閥門開始調節，按上述調節過程不斷循環重復的過程，而目前這一調節過程還是以人工調節為主，實際操作時難以按照理論進行，只能通過解決最不利點溫度達標為目標進行調節，因此就造成了能源浪費。

3 “通斷法”熱計量系統組成及缺陷

通斷時間面積法供熱計量系統由室溫控制器、通斷控制器、樓棟熱量表、樓棟處理器以及數據信息管理系統等構成，其特點是每戶入戶管路上都安裝電控閥門并能進行集中控制，具備分戶通斷控制的能力，同時熱量表可以進行流量檢測反饋。

“通斷法”熱計量系統是以用戶通過溫控器進行分散控制調節進行分攤計費為運行邏輯，但在實際應用中溫控器安裝使用率極低，難以實現初始設計目標，造成大量設備閑置浪費。

4 利用“通斷法”熱計量設備實現二網水力平衡的自動調節

4.1 調節原理

利用“通斷法”熱計量系統單戶閥門可以集中控制的特點，依據供熱系統“基爾霍夫定律”，同時控制調節二網側樓內全部用戶閥門的通斷比例，調整各樓間系統的阻力系數比，實現各樓間流量的分配調節。依據分戶需熱量的決定參數確定分戶間不同的通斷比，實現樓內分戶熱平衡的調節。

4.2 實現方法

依據建筑物εi、ki、fi、ζi確定樓內各戶的通斷比，并對通斷比相近的戶進行分組。

依據分組情況確定每棟樓內分戶循環關斷的運行邏輯，實現可依據關閥比例指令進行按比例要求同時關斷用戶閥門，并循環執行。

由上位平臺采集計算小區初始平方米流量、各樓棟平方米流量，并將樓棟平方米流量與小區初始平方米流量進行比較，偏差值大小作為下發關閥比例的依據，同時給各樓棟下發關閥比例指令，各樓棟獨立執行關閥比例，待系統穩定后再進行上述循環操作，直至偏差值滿足上下限值要求，即實現水利平衡調節。

5 調節試驗

依據上述調節方法，選取某小區進行調節試驗，試驗數據如下：

5.1 試驗對象

該小區為新供熱小區，供熱系統采用雙管異程分戶供暖方式，安裝通斷時間面積法供熱計量系統，分戶控制閥為電動球閥，室內溫控器安裝率較高。小區共4棟樓7個熱力入口，每個熱力入口均安裝遠傳熱量表。換熱站主循環泵采用定頻運行，供熱系統未進行過初始水力平衡調節。

5.2 供熱系統響應時間測定

因每個供暖系統都有其固有的響應時間（從系統調節結束至系統再次穩定的時間），系統越大響應時間越長，響應時間決定了系統的最高調節頻率。為保證調節精度，必須先測定系統響應時間。

調節熱網任意閥門，采集樓棟入口流量數據進行比較，直至前后兩次數據基本不變化為止，計算調節結束時刻與系統穩定時刻的時間差即為系統響應時間。本小區供熱系統響應時間為2h。

全國各地的高校教師崗前培訓通常的授課內容為：《高等教育心理學》《高等教育學》《高等教育法規概論》《大學教學技能課程》和《高等學校教師職業道德修養》。這套課程安排在全國培訓中基本成為范式。培訓中心要求學員評價這種課程安排的合理性，即“目前崗前培訓的課程哪一門最不重要？”近40%人認為《高等教育法規概論》最不重要，20%人左右認為《高等學校教師職業道德修養》和《高等教育學》其次不重要，重要的是《高等教育心理學》和《大學教學技能課程》。這一評價反映出學員認為法律法規和職業道德修養知識實用性不大，更應該注重實踐技能的培訓。

5.3 樓間水利平衡調節過程及數據分析

5.3.1 樓間水利平衡調節過程

將本小區所有用戶電動閥門全部強制開通，經過一個響應周期，采集熱力入口流量，計算小區平方米流量與樓棟平方米流量及樓棟初始流量偏差值。

依據樓棟初始流量偏差值調整樓棟內用戶的關閥數量，直至流量偏差值滿足要求，即認為達到水力平衡。

5.3.2 樓間水利平衡測試數據

數據1：萬平方米流量=單塊熱表瞬時流量/該熱表供熱面積×10000。

數據2：平衡度偏差=（萬平方米流量-小區萬平方米流量）/小區萬平方米流量×100的絕對值；小區萬平方米流量=小區各熱表瞬時流量總和/小區總面積×10000。

5.3.3 樓間水利平衡數據分析

通過調節同一時刻不同熱量表下整體用戶的通斷比可以實現流量分配調節。

表1 小區分組平衡調節數據匯總表

5.4 樓內熱平衡調節過程

5.4.1 確定分戶通斷比

依據每戶戶εi、Ki、Fi、ζi及位置參數將用戶通斷比分成10種，并依此將樓內用戶分成10組（分組越多樓棟阻力調節越精確）。

5.4.2 過程及記錄

依據關閥比例指令進行循環關閥并檢測室內溫度，自當日20時開始至次日3時進行分組停熱調節，以2h為周期記錄室溫。

5.4.3 樓內熱平衡調節測試數據（表2）

5.4.4 樓內熱平衡調節數據分析

調節前后整個單元分戶溫度未出現明顯的溫差變化，說明分組分戶挺熱對用戶室內溫度未有明顯影響。底層及邊用戶室溫較低，說明依據每戶戶εi、Ki、Fi、ζi分組時底層及邊戶關斷比例不合理，需提高這些用戶的導通比例.說明通過分戶關斷比的調整可以實現分戶熱平衡的調節。

表2 四號樓一單元分戶調節分時段室溫匯總表

5.5 試驗總結

因為目前所有通斷時間面積法供熱計量系統都不具備上文所述的主動調節供熱管網水力平衡功能，試驗過程只能依靠人工手動調節完成，響應及時性與調節精度受到限制，但試驗結果完全可驗證調節方法的可行性。

6 結語

本文通過理論分析和試驗驗證，證明了利用熱計量設備精確調節水力平衡的可行性，并提出了自動化調節的控制策略，對于已經大面積安裝但未投入使用的通斷時間面積法熱計量設備提供了綜合節能應用的改進方向，也為供熱企業的水力平衡調節提供了新的技術手段。