基于調節型噴射泵的二級管網平衡調控系統

何子峰, 郝 磊, 閆靜蕾, 王振華, 魏學樂, 唐 亮,喬建榮, 周海貝, 劉兆軍, 周 濤, 尹業彬

(1.東方綠色能源(河北)有限公司石家莊熱力分公司,河北石家莊005035;2.北京新寶同懷節能科技有限公司,北京100176)

1 概述

20世紀50年代我國從前蘇聯引進了固定型噴射泵技術,但并沒有得到廣泛推廣,主要原因是固定型噴射泵的噴嘴直徑固定不變,不能適應供熱系統調節需要[1]。2005年,石兆玉等在固定型噴射泵的基礎上進行調節型噴射泵的研制,以解決二級管網水力平衡問題,取得了一定效果[1]。2016年,余寶法[2]結合國內噴射泵研究成果并在德國可調噴射泵技術基礎上,開發出一款適合國內供熱行業的調節型噴射泵,經過推廣使用取得了消除水力失調和一定的節熱、節電效果。

根據近年來我們使用調節型噴射泵的經驗,雖然調節型噴射泵在出廠前根據熱用戶供熱面積和熱負荷預設定了開度,但由于每棟居民樓每年入住率不同、居住建筑與公共建筑熱負荷不同,實際運行中仍然需要進行二級管網水力平衡初調節。二級管網水力平衡初調節通常采用回水溫度一致法[3]。在二級管網水力調節方法中,由于水溫測量比流量測量、熱量測量成本低,因此回水溫度一致法成為二級管網水力調節應用較多的方法。回水溫度一致法是指將具有溫度采集功能的調節閥安裝在各熱力入口的回水管上,對回水溫度進行監測、采集,結合二級管網總供回水溫度、室外溫度等參數計算出目標回水溫度。根據目標回水溫度,通過多次調節熱力入口閥門,使各熱力入口回水溫度基本一致,以實現二級管網水力平衡。

若熱力入口沒有安裝具有溫度采集功能的調節閥,在實際平衡調節中,則需要采用遠紅外線測溫槍對各個熱力入口回水管道進行測溫,經過對測溫結果進行統計和分析,指導調節和評估平衡狀態。對于較大規模的二級管網,熱力入口眾多,采用遠紅外線測溫槍測溫方法需要大量調節人員和較長調節時間,不僅無法保證測溫時間的一致,而且不能及時了解二級管網回水溫度分布狀態。

本文提出將熱力入口供回水無線測溫技術與熱力入口噴射泵混水系統結合,建立二級管網水力平衡調控系統,介紹調控系統主要組成及功能。結合工程實例,評價調控系統初調節效果。為方便闡述,未特殊指明固定型噴射泵的噴射泵,均指調節型噴射泵。

2 調控系統

調控系統主要組成為熱力入口噴射泵混水系統、溫度采集終端、監測軟件。現場通過手機App登錄調控系統,可以查看每個熱力入口同一時間供回水溫度,掌握各熱力入口回水溫度分布狀態,便于進行水力工況的分析。監測軟件內置噴射泵調節特性曲線和算法,根據熱力入口實際回水溫度與目標回水溫度的偏差計算噴射泵調節量,指導調節工作。

2.1 熱力入口噴射泵混水系統

熱力入口噴射泵混水系統見圖1。噴射泵通過引射部分樓棟回水與熱力站供水混合,通過調節機構調節混合比,改變供水溫度,從而實現回水溫度調節。在噴射泵安裝中,保留了原回水管道及閥門,供水溫度傳感器安裝在供水管上,測量樓棟供水溫度。回水溫度傳感器安裝在回水管道上,測量樓棟回水溫度。噴射泵安裝結束后,閥1保持常閉,閥2、3保持常開。

圖1 熱力入口噴射泵混水系統

2.2 溫度采集終端

溫度采集終端由低功耗溫度傳感器(簡稱溫度傳感器)、單片機、無線通信模塊、電池組成,每個熱力入口安裝1套溫度采集終端。

單片機的A/D轉換器將溫度傳感器的電信號轉換成數字量,采用TTL串行通信方式向無線通信模塊發出連接主站和數據發送指令,無線通信模塊將數據發送到監測軟件(部署在租用的云服務器)。

無線通信模塊與云服務器的通信方式可選擇NB-IoT、Cat.1,以適應不同場景的使用需求。NB-IoT帶寬消耗小,可直接部署于GSM網絡、LTE網絡,將現場數據遠程傳輸至云服務器。NB-IoT通信方式功耗低、信號強度低,適用于通信良好的環境。Cat.1具有高數據速率、寬帶傳輸、無線即時通信、兼容性高的特點,不僅具備無線遠程數傳功能,而且能傳輸圖片、音頻、視頻等。與NB-IoT相比,Cat.1功耗略高,但信號強、覆蓋面廣,適用于通信環境較差的環境。

溫度采集終端采用電池供電方式,根據供熱系統的需求,溫度采集終端配置的電池使用壽命不低于5個供暖期。

2.3 監測軟件

監測軟件部署在云服務器,計算機、手機可通過互聯網登錄。使用時,先在監測軟件中按不同熱力公司和熱力站建立安裝噴射泵的樓棟臺賬,臺賬中錄入樓棟名稱、建筑類型、供熱面積等參數。

監測軟件針對熱力入口噴射泵混水系統進行了專門開發,內置調節型噴射泵特性曲線。初調節階段,監測軟件將二級管網平均回水溫度作為目標回水溫度,自動計算每個熱力入口噴射泵需要調整的相對開度。二級管網平衡調節完成后,可通過軟件監測熱用戶供回水溫度,及時發現二級管網熱力入口溫度異常情況。

2.4 調控系統界面

調控系統界面見圖2。由圖2可知,調控系統界面可反映熱力入口位置、建筑類型、供熱面積、熱力入口供水溫度、熱力入口回水溫度、回水溫度偏差、噴射泵調節量等。

圖2 調控系統界面(軟件截圖)

根據以往經驗,回水溫度偏差(指實際回水溫度減目標回水溫度)0.2 ℃對應噴射泵的相對開度變化量為-1%,回水溫度偏差-0.2 ℃對應噴射泵的相對開度變化量為1%。噴射泵調節機構旋鈕順時針旋轉1周,對應相對開度變化量-5%。逆時針旋轉1周,對應相對開度變化量5%。

3 應用案例

3.1 項目概況

趙二街熱力站位于石家莊市中華北大街,供熱面積約22×104m2。趙二街熱力站二級管網水力失調明顯,近端和遠端住戶室內溫度差異比較大。因此,采取基于調節型噴射泵的二級管網平衡改造,建立調控系統。改造項目共安裝噴射泵、溫度采集終端114臺(套)。為確保通信質量,無線通信模塊與云服務器的通信方式選擇Cat.1。

根據以往工程經驗,若對114臺噴射泵進行調試,需要6組調試人員每日調節2次,至少2 d才能完成。由于該項目建立了調控系統,調試效率大幅提高,因此僅安排3組調試人員。

3.2 調試工作及效果

項目于2022年10月28日前完成改造工作,10月28日對二級管網進行注水和排氣。11月1日開始升溫運行,先使用原直供系統運行7 d,將管道中殘留的空氣和污物通過排氣閥和除污器排凈,避免影響噴射泵工作。

11月8日上午進行原直供系統切換噴射泵混水系統,調控系統界面顯示,系統切換前二級管網最高回水溫度37.4 ℃,最低回水溫度32.8 ℃,平均回水溫度35.1 ℃,最高、最低回水溫度與平均回水溫度偏差比較大。調試中,3組調試人員通過手機App登錄調控系統,根據監測軟件給出的調節量,對回水溫度偏差超過±0.5 ℃的熱力入口噴射泵進行第1次調試。第1次調試后,調控系統界面顯示二級管網最高回水溫度36.4 ℃,最低回水溫度33.8 ℃,平均回水溫度34.7 ℃,最高、最低回水溫度與平均回水溫度偏差仍較大。11月8日下午進行了第2次調試,仍對回水溫度偏差超過±0.5 ℃的熱力入口噴射泵進行調試。11月9日上午,調控系統界面顯示二級管網最高回水溫度35.0 ℃,最低回水溫度33.6 ℃,平均回水溫度34.2 ℃,最高、最低回水溫度均接近平均回水溫度。

根據實際數據,改造前,二級管網流量為654 m3/h,平均供回水溫差為5.5 ℃。改造及噴射泵調節完成后,二級管網流量為407 m3/h,供回水溫差為8.6 ℃。改造及噴射泵調試完成后,不僅二級管網水力失調得到了改善,而且實現了大溫差小流量運行。

4 結束語

熱力入口噴射泵混水系統在國內多個地區使用多年,是一項較為成熟的二級管網水力平衡技術。將熱力入口供回水無線測溫技術與熱力入口噴射泵混水系統結合,建立調控系統。不僅便于查看每個熱力入口同一時間供回水溫度,還便于進行水力工況的分析和判斷。監測軟件內置調節型噴射泵調節特性曲線和算法,可根據熱力入口實際回水溫度與目標回水溫度的偏差計算噴射泵調節量,方便調節工作。