熱水低溫直供集中供暖系統輸熱能力提升技術分析

王全福，趙云鵬，倪 珅

（黑龍江建筑職業技術學院，黑龍江 哈爾濱 150025）

在城鎮集中供暖發展歷程中，早期最常采用的供熱方式是熱水低溫直供集中供暖系統，后續伴隨著城鎮供熱系統的整合，很多這類系統改造成了間供換熱站的供熱模式。但是目前仍有一定比例的熱水低溫直供集中供暖系統的存在，尤其是利用熱電廠凝汽器余熱的低真空供熱系統[1-2]。然而與此相矛盾的是，隨著區域供熱面積逐年遞增，導致原有的供熱管網輸熱能力不足。在此針對熱水低溫直供集中供暖系統輸熱能力提升技術進行研究分析。

1 熱水低溫直供集中供暖系統存在的問題

熱水低溫直供集中供暖系統的供熱主管道由熱電廠或區域鍋爐房等熱源內直接引出，沿相應的城鎮道路直埋敷設。將整個供熱區域分成多個小型的供熱區，每個小型供熱區設置一座分配站，并就近通過供熱支管與供熱主管道相連接，最終形成如圖1 所示的管道連接形式。

以上的系統形式在運行中出現了如下的問題：

（1） 由于熱源出來的主管道與眾多分配站直接連接，而分配站內僅僅設置了分集水器及手動關閉閥，這些閥門屬于快開特性的閥門，不具備良好的流量調節能力，這使得系統流量調節異常困難，基本沒有辦法真正調平，于是出現冷熱不均的問題。

（2） 該系統為了保證用戶溫度達到供熱條例和相應規范的要求，往往采用增大循環流量的方式，導致熱源廠內總循環泵的運行耗電量大幅增加。

（3） 由系統水壓圖2 明顯看到，該系統距離熱源廠近的分配站（比如1#）資用壓差很大，末端分配站（n#）資用壓差最小。而要保證供熱質量，就必須保證末端具有足夠的資用壓差，則系統前端大部分分配站的資用壓差將大于實際所需，尤其是距離熱源最近的幾個站剩余資用壓頭過大，這些站就需要采用閥門節流的方式將多余的資用壓頭消耗掉，而通過節流損失消耗掉的壓頭恰恰是系統耗電量的一部分，所以進一步加劇了電能的浪費。

（4） 伴隨著城鎮化的發展，各地城區的供熱面積都在逐年增加，給該系統帶來了更為嚴峻的問題。原有主管道管徑的選擇往往沒有充分考慮到城鎮化發展如此快速的情況，當建筑面積增加到一定程度，區域熱負荷就超過了原有管道所具備的輸熱能力，這時候就勢必影響到了正常的供熱質量。有些熱企在此時往往采用更換大管徑管道的方式解決這個問題，但是這帶來了較大的建設投資，而且破環了城鎮道路，影響正常的交通出行，有的時候城區的特殊路段還無法獲批施工。有的熱企又采用更換更大流量和揚程的循環泵試圖解決這個問題，結果非但沒有解決問題，反而還帶來了更為嚴重的冷熱不均現象。

2 供熱管道輸熱能力提升的途徑

由熱量計算公式（1）[3]我們可以看到，供熱管道輸熱能力取決于運行流量和供回水溫差。要想提升輸熱能力有兩個途徑：一是增大管網的循環流量；二是增大管網的供回水溫差。

式中，Q- 供熱管網輸送熱量，kW；c- 水的比熱容，kJ/(kg·℃)；G- 供熱管網的循環流量，t/h；Δt- 供回水溫差，℃；tg- 供熱管網供水溫度，℃；th- 供熱管網回水溫度，℃。在不更換大管徑管道的情況下增大循環流量，會使管道運行比摩阻過大，不滿足規范的要求。同時，增大流量會帶來阻力的增加，原有循環水泵可能無法滿足使用要求。所以，增大循環流量的方法并不是提升管道輸熱能力的最佳方案。如果采用增大管網的供回水溫差來提升輸熱能力，則維持了原有系統的循環流量，不改變原有系統的阻力，循環泵的功耗不增加。如果采用最小循環流量運行（滿足凝汽器冷卻運行需要），就會使系統運行阻力降低，減小循環水泵的電功耗。增大供回水溫差可以采用降低回水溫度或者增加供水溫度兩個方式來解決，回水溫度降低勢必會引起用戶側末端設備的平均水溫降低，導致用戶側室溫下降，所以不能隨意降低回水溫度；那么提高供水溫度就成為優選項，只要增大熱源供熱量就可以提高熱網的供水溫度，溫差增大的程度取決于實際熱負荷需求。

3 熱水低溫直供集中供暖系統輸熱能力提升技術

提高供水溫度增大供回水溫差雖然解決了主管網的輸熱能力問題，但是帶來了另外一個問題，就是可能出現與熱用戶所需供水溫度不匹配的問題，尤其是地熱用戶規范要求供水溫度不超過60 ℃[4]。原有系統為了兼顧散熱器和地熱兩種用戶需求，將供水溫度控制在≤60 ℃，但是當提高供水溫度后，就會出現超過60 ℃的情況，那么對于地熱而言就超出了規范的要求，也將嚴重影響舒適感。需要采用相應的技術手段來解決這一矛盾。解決矛盾也存在兩種方法：一是增設板式換熱器，通過間接換熱的方式降低用戶側供水溫度，但這也降低了用戶側回水溫度，同時增加的間接換熱環節也會產生散熱損失；二是通過向供水中混入適當的回水流量從而改變用戶側供水溫度，該方法不降低回水溫度，換熱效率也高，是理想的解決方法。

3.1 多元化混合回水模式的應用

混入適當的回水流量的方式很多，在輸熱能力提升改造過程中要結合實際情況綜合應用各種模式。

3.1.1 旁通加壓混合回水的應用

對于資用壓差足夠大、完全滿足二次側用戶管網系統循環阻力的分配站，應采用旁通加壓混合回水的方式進行改造，具體流程見圖3。

該模式是在需要改造的分配站內原有供回水管之間增設旁通管，并在旁通管上設置混合水泵。運行時，利用旁通管上的混合水泵將二次側回水管中的部分回水加壓后打入一次側供水中，混合降溫后形成二次側供水向用戶供熱，而另外的一部分二次側回水返回至一次側回水管中。該混合水泵的流量為實際需要的設計混合水量大小，揚程需要滿足二次用戶側管網阻力損失加上站內阻力損失及用戶內部阻力損失的和，同時水泵需要設置變頻器，以能夠適應靈活調節的需要。該模式由于水泵流量僅僅為混合回水量，小于二次側用戶循環水量，所以在各種混合回水模式中，這是運行狀態下泵功耗最小的方案，所以在條件允許的情況下應優先采用此方案。

在提高輸熱能力改造的過程中，應在供水管上安裝電動調節閥，以適應變流量運行需要。不必拆除原有減壓閥或手動調節閥，這樣可以使電動調節閥的閥權度處于合理范圍，保證其有效的調節能力。

3.1.2 供水加壓混合回水的應用

對于某一些二次側供水壓力需求大于一次側供水壓力的分配站，應采用供水加壓混合回水的方式進行改造，具體流程見圖4。

該模式是在旁通管和一次側供水管上加設電動調節閥，混合水泵設置在二次側供水母管上。該系統運行時，由混合水泵將一次側供水與二次側部分回水同時吸入，混合降溫后形成二次側供水向用戶供熱，而另外的一部分的二次側回水直接返回到一次側回水管中。兩個電動調節閥在如下情況下進行適當控制：當一次側供水壓力高于二次側回水壓力時，可調節一次側供水管上的電動調節閥使其閥后的壓力與二次側回水壓力平衡；而當二次側回水壓力高于一次側供水壓力時，可調節旁通管上的電動調節閥使其混入供水管中的壓力與一次側供水壓力平衡。該模式中混合水泵的流量需符合二次側用戶的實際流量的要求，揚程需要滿足二次側管網阻力損失加上站內阻力損失及用戶內部阻力損失的和，水泵需要設置變頻器。

3.1.3 回水加壓混合回水的應用

對于某一些二次側回水壓力小于一次側回水壓力的分配站，應采用回水加壓混合回水的方式進行改造，具體流程見圖5。

該模式是在旁通管和一次側供水管上加設電動調節閥，混合水泵設置在二次側回水母管上。該系統運行時，由混合水泵將二次側回水加壓，其中一部分回水直接進入一次側回水母管中，另外一部分回水則通過旁通管流入一次側供水母管中，混合降溫后形成二次側供水向用戶供熱，混合水量可由旁通管上電動調節閥控制。該模式中混合水泵選型原則同供水加壓混合回水模式。對于二次側回水壓力小于一次側回水壓力的分配站，有時也可以選擇如下的旁通加壓混水+一次側提升加壓回水的方案，流程見圖6。

該模式是在旁通管上設置混合水泵，同時在一次網回水管上設置提升加壓泵。運行時，利用旁通管上的混合水泵將二次網回水管中的部分回水加壓后打入一次網供水中，混合降溫后形成二次側供水向用戶供熱，而另外的一部分二次側回水經由一次側提升泵加壓后送回到一次側回水管中，以滿足系統回水壓力的需要。該混合水泵選型原則同旁通加壓混合回水模式；一次側提升泵流量滿足一次側設計流量的要求，揚程需滿足設計提升壓力差的要求。兩種水泵均需要設置變頻器。

3.2 最佳混合水量控制的應用

打破傳統二級網定流量質調節的運行方式，不斷尋求最優運行循環流量及最佳混合水量，以最大限度的節約電能和熱能。最優運行循環流量就是指在某一工況下每座熱力站對應唯一的可以保證區域熱用戶不出現水力失調的運行流量[5]，而在該流量基礎上計算出來的混合水量即為最佳混合水量。系統在最佳混合水量情況下運行，就可以保證系統熱力工況的穩定。公式（2）為室內雙管用戶系統對應的最佳混合水量的計算方法，公式（3）為室內單管用戶系統對應的最佳混合水量的計算方法。

式中：Gh- 最佳混合水量，t/h；tn- 室內空氣溫度，℃；tw-某一室外溫度，℃；t'n- 室內設計溫度，℃；t'w- 供暖室外計算溫度，℃；B- 傳熱指數；對于鋼制和鑄鐵散熱器B=0.2-0.35，對于地熱B=1.032；u- 設計混合比；t1- 一次網設計供水溫度，℃；θ1- 二次網設計供水溫度，℃；t2- 供熱管網設計供水溫度，℃。

在實際供熱系統運行過程中，根據每一座分配站的用戶實際情況并針對各種室外氣溫條件進行最佳混合水量的計算，并通過智能控制系統對混合水泵進行變頻調節、對電動調節閥開度進行適當調節，以實現輸熱能力提升后系統安全、穩定、節能、節電的最優化運行。

4 結論

熱水低溫直供集中供暖系統存在著能耗電耗高、供熱效果不均衡、面積增大后難以適應的弊端，為有效解決這些問題，提出了基于增大一次側供回水溫差和尋求最佳混合水量控制的輸熱能力提升技術。采用增大一次側供回水溫差方法實現在不改造原有供熱主管道的情況下提升輸熱能力的目的，同時配合采用多元化混合回水模式并通過自動控制系統尋求最佳混合水量控制的方法實現與用戶需求的良好契合。該技術的應用，可以有效的降低系統的能耗和電耗，帶來顯著的經濟效益、環保效益、社會效益。