混水供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用分析

王曉峰

(工大科雅(唐山)能源科技有限公司，唐山 063004)

0 引 言

自2020年第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)以來(lái)，碳達(dá)峰和碳中和已成為關(guān)注焦點(diǎn)，而我國(guó)的冬季供暖一直是碳排放的重要來(lái)源之一。混水供熱系統(tǒng)對(duì)于高溫側(cè)的水溫要求相對(duì)較低，在利用低溫?zé)崴陀酂岱ζ矫婢哂幸欢ǖ膬?yōu)勢(shì)[1]；同時(shí)，可在板換式供熱機(jī)組后再增加混水機(jī)組，以靈活適應(yīng)熱用戶(hù)不同采暖方式的需求，更能增加供熱系統(tǒng)的節(jié)能降耗[2]，因此混水供熱系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用有助于節(jié)能減排工作的進(jìn)一步推進(jìn)。混水供熱系統(tǒng)為高溫側(cè)和低溫側(cè)的循環(huán)水直接連通，相對(duì)于板換式供熱機(jī)組，在換熱效率、建設(shè)投資等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。混水供熱系統(tǒng)具有初期建設(shè)投資低的優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)最初的供熱系統(tǒng)中進(jìn)行了大范圍的應(yīng)用[3]。但是由于最初的混水供熱系統(tǒng)自動(dòng)化程度低，經(jīng)常因某個(gè)換熱站二級(jí)網(wǎng)漏水引起成片區(qū)停暖的問(wèn)題，因此混水供熱系統(tǒng)又逐漸被板換供熱機(jī)組替代。

隨著供熱自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，混水供熱系統(tǒng)已可實(shí)現(xiàn)很好的自動(dòng)控制和供熱效果，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)熱計(jì)量和運(yùn)行監(jiān)測(cè)。對(duì)于自動(dòng)化程度較高的混水供熱系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)也進(jìn)行了相關(guān)的研究。徐在亮等[1]進(jìn)行了混水系統(tǒng)利用汽輪機(jī)乏汽進(jìn)行供暖的方案分析，并對(duì)混水系統(tǒng)的水泵安裝方式進(jìn)行了研究，但缺少對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備選型的分析。何樂(lè)[4]分析了分布式混水直供機(jī)組在供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用，但缺少對(duì)電調(diào)閥控制混水供熱系統(tǒng)的分析。李德英[5]在分析對(duì)應(yīng)不同高度的建筑即壓力需求不同，選擇不同的混水供熱系統(tǒng)，但對(duì)整網(wǎng)的選型缺少應(yīng)用分析。王魁吉等[6]通過(guò)設(shè)定用戶(hù)的需求壓力，分析了管網(wǎng)前端、中間、末端的混水供熱系統(tǒng)的應(yīng)用，但是在實(shí)際供熱管網(wǎng)中高低區(qū)用戶(hù)的需求壓力差別較大，因此對(duì)于不同壓力需求的混水供熱系統(tǒng)應(yīng)用仍需進(jìn)一步分析。本文通過(guò)對(duì)混水供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理的分析，設(shè)計(jì)出四類(lèi)混水供熱系統(tǒng)，既避免了把混水泵安裝在低溫側(cè)回水管道上造成的能源浪費(fèi)[6]，又能滿(mǎn)足不同水力工況下的應(yīng)用；并結(jié)合高溫側(cè)水壓圖和低溫側(cè)熱用戶(hù)壓力需求，對(duì)混水供熱系統(tǒng)的選型進(jìn)行了應(yīng)用分析。本設(shè)計(jì)和自控方案可以實(shí)現(xiàn)較好的自動(dòng)控制和供熱運(yùn)行，對(duì)在一次供熱管網(wǎng)上直接連接混水供熱系統(tǒng)和板換供熱機(jī)組后再增加混水系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

1 混水供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

混水供熱系統(tǒng)的運(yùn)行原理是將低溫側(cè)的部分回水與高溫側(cè)的供水混合后為熱用戶(hù)供熱，混合后的溫度介于參與混水的二者之間。為達(dá)到熱用戶(hù)所需的供水溫度，需要調(diào)控參與混水的流量。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)較好的混水效果，需保證參與混水的高溫側(cè)和低溫側(cè)的水壓接近，偏差過(guò)大會(huì)出現(xiàn)無(wú)法混水，甚至倒流的現(xiàn)象。為滿(mǎn)足混水供熱系統(tǒng)的運(yùn)行工況需求，所需的主要運(yùn)行和調(diào)控設(shè)備包括混水泵、加壓泵和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。混水泵安裝在混水供熱系統(tǒng)的不同位置可起到不同的作用，安裝在供回水旁通上，主要作用為混水；安裝在低溫側(cè)供水管道上，主要作用為混水和加壓[5]。加壓泵具有加壓和流量調(diào)節(jié)作用，主要作用為提高循環(huán)水壓力，以滿(mǎn)足所需的壓力和流量。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥主要作用為減壓和流量調(diào)節(jié)作用，主要作用為降低循環(huán)水壓力，達(dá)到所需的壓力和流量值。

混水供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行的關(guān)鍵，直接決定自動(dòng)控制和供熱運(yùn)行的效果。混水供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)主要有三點(diǎn)：

(1)結(jié)合高溫側(cè)供回水壓力、低溫側(cè)建筑的資用壓頭和建筑高度，通過(guò)對(duì)比高溫側(cè)和低溫側(cè)的壓力參數(shù)，選取電動(dòng)調(diào)節(jié)閥或分布泵；

(2)盡量保證參與混水的高溫側(cè)和低溫側(cè)的水壓接近；

(3)混水后的溫度調(diào)控需求，即低溫側(cè)熱用戶(hù)的熱量需求。

結(jié)合混水供熱系統(tǒng)主要設(shè)備的運(yùn)行原理和設(shè)計(jì)依據(jù)，通過(guò)混水泵、加壓泵、循環(huán)泵和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的組合，可設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足不同壓力、溫度需求的熱用戶(hù)的用熱需求的混水供熱系統(tǒng)。此外，混水供熱系統(tǒng)的主要監(jiān)測(cè)儀表為流量計(jì)、溫度傳感器和壓力傳感器。在工程投資允許的情況下，可在混水供熱系統(tǒng)的高溫側(cè)供回水管道上安裝流量計(jì)，可用于監(jiān)測(cè)供回水流量，二者的差值即為低溫側(cè)的失水量。溫度傳感器和壓力傳感器可監(jiān)測(cè)高溫側(cè)和低溫側(cè)的運(yùn)行情況，同時(shí)可作為系統(tǒng)調(diào)控的目標(biāo)，形成閉環(huán)控制。

2 混水供熱系統(tǒng)的工況分類(lèi)

設(shè)定高溫側(cè)供水壓力Pg1，高溫側(cè)回水壓力Ph1，高溫側(cè)供水溫度Tg1，高溫側(cè)回水溫度Th1，低溫側(cè)供水壓力Pg2，低溫側(cè)回水壓力Ph2，低溫側(cè)供水溫度Tg2，低溫側(cè)回水溫度Th2。暫不考慮熱用戶(hù)所需靜壓值的富余量，即熱用戶(hù)的建筑高度為定壓值。對(duì)比高溫側(cè)供回水壓力和低溫側(cè)熱用戶(hù)的壓力需求，將兩組壓力的大小情況進(jìn)行組合，混水供熱系統(tǒng)的運(yùn)行工況可分為四類(lèi)，見(jiàn)表1，對(duì)應(yīng)混水供熱系統(tǒng)亦可分為四類(lèi)。

表1 混水供熱系統(tǒng)工況分類(lèi)

3 混水供熱系統(tǒng)的應(yīng)用分析

在一次供熱管網(wǎng)上直接連接混水供熱系統(tǒng)和板換供熱機(jī)組后再增加混水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理相同，而且利用一次網(wǎng)水壓圖分析混水供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更直觀，因此在本文應(yīng)用分析中只列舉在整網(wǎng)直接采用混水供熱系統(tǒng)的情況。

3.1 第一類(lèi)混水供熱系統(tǒng)

假設(shè)熱用戶(hù)A建筑高度為35 m，高溫側(cè)與低溫側(cè)的水壓對(duì)比如圖1所示。

圖1 第一類(lèi)混水供熱系統(tǒng)對(duì)應(yīng)水壓圖

由于Pg1大于Pg2，因此在高溫側(cè)供水上應(yīng)選用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，二者的壓力差值就是電動(dòng)調(diào)節(jié)閥選型需要參考的壓降值；Ph1小于Ph2，為保證低溫側(cè)回水定壓需在高溫側(cè)回水上選用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，同樣二者的壓力差值就是電動(dòng)調(diào)節(jié)閥選型需要參考的壓降值；結(jié)合混水泵在不同位置的作用[4]，混水泵的安裝位置為旁通，其揚(yáng)程可根據(jù)Pg2和Ph2進(jìn)行確定，其流量可根據(jù)低溫側(cè)熱量需求進(jìn)行確定，系統(tǒng)選擇統(tǒng)組成詳如圖2所示。

圖2 第一類(lèi)混水供熱系統(tǒng)組成

在自動(dòng)控制方面，高溫側(cè)供水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥與低溫側(cè)溫度形成閉環(huán)控制，當(dāng)實(shí)際溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，則增大閥門(mén)開(kāi)度，即增加參與混水的高溫水流量，反之則減小閥門(mén)開(kāi)度；高溫側(cè)回水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥與低溫側(cè)回水壓力形成閉環(huán)控制，當(dāng)?shù)蜏貍?cè)實(shí)際回水壓力低于設(shè)定壓力時(shí)，則關(guān)小閥門(mén)開(kāi)度，反之則增大閥門(mén)開(kāi)度。

3.2 第二類(lèi)混水供熱系統(tǒng)

假設(shè)熱用戶(hù)B建筑高度為45 m，高溫側(cè)與低溫側(cè)的水壓對(duì)比如圖3所示。

由于Pg1小于Pg2，因此在高溫側(cè)供水上應(yīng)選用分布泵，二者的壓力差值就是分布泵選型需要參考的揚(yáng)程；Ph1小于Ph2，為保證低溫側(cè)回水定壓需在高溫側(cè)回水上選用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，同樣二者的壓力差值就是電動(dòng)調(diào)節(jié)閥選型需要參考的壓降值；結(jié)合混水泵在不同位置的作用[4]，混水泵的安裝位置為低溫側(cè)供水，即采用吸入口混水模式，其揚(yáng)程可根據(jù)Pg2和Ph2進(jìn)行確定，其流量可根據(jù)低溫側(cè)熱量需求進(jìn)行確定，系統(tǒng)選擇統(tǒng)組成詳如圖4所示。

圖4 第二類(lèi)混水供熱系統(tǒng)組成

在自動(dòng)控制方面，高溫側(cè)供水分布泵與低溫側(cè)溫度形成閉環(huán)控制，當(dāng)實(shí)際溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，則增大分布泵頻率，即增加參與混水的高溫水流量，反之則減小分布泵頻率；高溫側(cè)回水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥與低溫側(cè)回水壓力形成閉環(huán)控制，當(dāng)?shù)蜏貍?cè)實(shí)際回水壓力低于設(shè)定壓力時(shí)，則關(guān)小閥門(mén)開(kāi)度，反之則增大閥門(mén)開(kāi)度。

3.3 第三類(lèi)混水供熱系統(tǒng)

假設(shè)熱用戶(hù)C建筑高度為25 m，高溫側(cè)與低溫側(cè)的水壓對(duì)比如圖5所示。

圖5 第三類(lèi)混水供熱系統(tǒng)對(duì)應(yīng)水壓圖

由于Pg1大于Pg2，因此在高溫側(cè)供水上應(yīng)選用電調(diào)閥，二者的壓力差值就是電調(diào)閥選型需要參考的壓降值；Ph1大于Ph2，為保證低溫側(cè)回水定壓需在高溫側(cè)回水上選用分布泵，同樣二者的壓力差值就是分布泵選型需要參考的揚(yáng)程；結(jié)合混水泵在不同位置的作用[4]，混水泵的安裝位置為旁通，其揚(yáng)程可根據(jù)Pg2和Ph2進(jìn)行確定，其流量可根據(jù)低溫側(cè)熱量需求進(jìn)行確定，系統(tǒng)選擇統(tǒng)組成詳如圖6所示。

圖6 第三類(lèi)混水供熱系統(tǒng)組成

在自動(dòng)控制方面，高溫側(cè)供水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥與低溫側(cè)溫度形成閉環(huán)控制，當(dāng)實(shí)際溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，則增大閥門(mén)開(kāi)度，即增加參與混水的高溫水流量，反之則減小閥門(mén)開(kāi)度；高溫側(cè)回水分布泵與低溫側(cè)回水壓力形成閉環(huán)控制，當(dāng)?shù)蜏貍?cè)實(shí)際回水壓力低于設(shè)定壓力時(shí)，則減小分布泵頻率，反之則增大分布泵頻率。

3.4 第四類(lèi)混水供熱系統(tǒng)

假設(shè)管網(wǎng)末端熱用戶(hù)D建筑高度為35 m，高溫側(cè)與低溫側(cè)的水壓對(duì)比如圖7所示。

圖7 第四類(lèi)混水供熱系統(tǒng)對(duì)應(yīng)水壓圖

由于Pg1小于Pg2，因此在高溫側(cè)供水上應(yīng)選用分布泵，二者的壓力差值就是分布泵選型需要參考的揚(yáng)程；Ph1大于Ph2，為保證低溫側(cè)回水定壓需在高溫側(cè)回水上選用分布泵，同樣二者的壓力差值就是分布泵選型需要參考的揚(yáng)程；結(jié)合混水泵在不同位置的作用[4]，混水泵的安裝位置為低溫側(cè)供水，即采用吸入口混水模式，其揚(yáng)程可根據(jù)Pg2和Ph2進(jìn)行確定，其流量可根據(jù)低溫側(cè)熱量需求進(jìn)行確定，系統(tǒng)選擇統(tǒng)組成詳如圖8所示。

圖8 第四類(lèi)混水供熱系統(tǒng)組成

在自動(dòng)控制方面，高溫側(cè)供水分布泵與低溫側(cè)溫度形成閉環(huán)控制，當(dāng)實(shí)際溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，則增大分布泵頻率，即增加參與混水的高溫水流量，反之則減小分布泵頻率；高溫側(cè)回水分布泵與低溫側(cè)回水壓力形成閉環(huán)控制，當(dāng)?shù)蜏貍?cè)實(shí)際回水壓力低于設(shè)定壓力時(shí)，則減小分布泵頻率，反之則增大分布泵頻率。

4 工程案例

華北地區(qū)某熱力公司的熱源為工業(yè)余熱，出口供回水溫度為70/40 ℃，供回水壓力為0.6/0.2 MPa，總供熱面積約300萬(wàn)m2。由于熱源供水溫度較低，所以全網(wǎng)均為混水供熱系統(tǒng)，共40余套混水供熱系統(tǒng)。在2019年開(kāi)始進(jìn)行混水供熱系統(tǒng)的工藝和自控改造，在管網(wǎng)前端主要采用了第一類(lèi)雙閥+旁通混水供熱系統(tǒng)，在管網(wǎng)末端主要采用了第四類(lèi)雙泵+供水循環(huán)泵混水供熱系統(tǒng)，在管網(wǎng)中間部分主要采用第三類(lèi)閥泵+旁通混水泵，而對(duì)于高層建筑主要采用了第二類(lèi)混水供熱系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)混水工藝和自控系統(tǒng)改造后，現(xiàn)已穩(wěn)定運(yùn)行兩個(gè)供熱季，運(yùn)行效果良好。該熱力公司典型混水供熱系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 典型混水供熱系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)

在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，鑒于老舊小區(qū)供熱設(shè)施老化，管網(wǎng)故障率較高，并本部分混水供熱系統(tǒng)的高溫側(cè)供回水管道均安裝了流量計(jì)，用于監(jiān)測(cè)二次網(wǎng)失水情況。經(jīng)過(guò)項(xiàng)目實(shí)施和運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，混水供熱系統(tǒng)機(jī)組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，項(xiàng)目建設(shè)投資明顯低于板換換熱機(jī)組，且混水供熱效率高。為減少低溫側(cè)水質(zhì)對(duì)整網(wǎng)以及熱源的影響，在高溫側(cè)的供水管道和低溫側(cè)的回水管道均安裝過(guò)濾器，即保證站內(nèi)儀表位于過(guò)濾器后安裝，增大設(shè)備使用壽命；又大大降低低溫側(cè)水質(zhì)對(duì)高溫側(cè)的影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

混水供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行的關(guān)鍵，直接決定自動(dòng)控制和供熱運(yùn)行的效果。本文通過(guò)對(duì)混水供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理的分析，通過(guò)對(duì)高溫側(cè)壓力和低溫側(cè)熱用戶(hù)需求壓力的對(duì)比，對(duì)混水供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用進(jìn)行了分析，并提出對(duì)應(yīng)的自動(dòng)控制方案。

(1)分析混水供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，提出混水供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)和注意事項(xiàng)；

(2)結(jié)合混水供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，對(duì)混水供熱系統(tǒng)的運(yùn)行工況進(jìn)行了劃分，并結(jié)合高溫側(cè)壓力和低溫側(cè)熱用戶(hù)需求壓力的對(duì)比，對(duì)混水供熱系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用分析；

(3)工程案例應(yīng)用證明，合理設(shè)計(jì)混水供熱系統(tǒng)可在整網(wǎng)不同的工況下進(jìn)行應(yīng)用，并且可以實(shí)現(xiàn)較好的自動(dòng)控制和供熱運(yùn)行；

(4)本設(shè)計(jì)和自控方案可以實(shí)現(xiàn)較好的自動(dòng)控制和供熱運(yùn)行，對(duì)在一次供熱管網(wǎng)上直接連接混水供熱系統(tǒng)和板換供熱機(jī)組后再增加混水系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。