宋躍文，曲學軍

(沈陽航空航天大學 a.后勤服務中心;b.航空航天工程學部，沈陽 110136)

冬季供暖在我國北方是城市基本建設及居民生活的重要方面。而目前我國供暖仍然以煤為主要燃料，能源消耗量大，如何提高效率、減少能源消耗、降低成本，是供熱運行管理的關鍵。對于供熱系統(tǒng)來說，通過提高鍋爐熱效率、提高煤的燃燒充分度、減少供熱管道的熱損失、以及對各供熱單元的熱平衡調節(jié)等可以實現(xiàn)節(jié)約能耗，特別是隨室外溫度變化及時調整供回水溫度是降低外網供熱損失和過度熱消耗的重要方面。隨著自動控制技術發(fā)展，基于混水原理的供熱運行調節(jié)方式，因其調節(jié)及時、準確、可以提高鍋爐運行穩(wěn)定性等優(yōu)點而越來越多應用于鍋爐運行自動控制系統(tǒng)。本文對某供熱運行自控系統(tǒng)進行了分析，提出了混水方式的改進，并對改進后的系統(tǒng)進行了節(jié)能分析、定量計算以及水溫控制方程推導等。

1 分流混水供熱原理及分析

冬季室外溫度是隨時變化的，尤其是晝夜溫差相差較大，同時不同熱用戶的供熱需求也是不同的，如果不能夠根據室外溫度變化和實際熱需求調整供熱運行狀態(tài)，會產生極大的無效供熱和能源的浪費。為此一些供熱公司特別是大的熱源廠開始引入供熱運行自動控制系統(tǒng)，如圖1所示是某公司智能化供熱運行自動控制系統(tǒng)原理圖，該系統(tǒng)根據室外溫度變化和熱負荷情況動態(tài)調節(jié)熱量供給，分時段、分區(qū)域供熱，實現(xiàn)熱量的供需平衡，最大限度提高系統(tǒng)的運行效率，有效降低系統(tǒng)的能源消耗。

該供熱系統(tǒng)在鍋爐出口即總供水管加裝電動三通閥，并設置支管與總回水管相連，使少部分熱水不經管網換熱重新進入鍋爐循環(huán)，達到調節(jié)進入熱網水量的目的，進而實現(xiàn)隨室外氣溫和熱負荷變化調節(jié)進入管網的熱量，最大限度減少不必要的能量消耗，達到節(jié)能目的。由于其原理是將少部分供水通過支管分流至回水管，因此我們將其定義為分流式混水供熱系統(tǒng)(Backflow mix water heating system)。

在實際運行中分流混水供熱存在以下不足，首先對外網的水力運行有影響，由于經過分流，進入管網的水量減少，導致外網的總壓力降低，影響外網的水力平衡，如果分流過大很容易造成管網水力失調。其次由于分流前后供水溫度沒有變化，在室外環(huán)境變暖，需要減少熱量供給時，供水溫度卻沒有降低，因此仍然存在熱量過度消耗現(xiàn)象，特別是對于距離熱源較近的熱用戶，達不到供熱調節(jié)目的，而對于末端用戶，由于水量減少又會產生供熱溫度不足現(xiàn)象，導致熱量分配不平衡。針對以上弊端，我們對此系統(tǒng)進行了改進，采用回流混水供熱方式(Bypass mix water heating system)，可以有效解決上述問題。

圖1 某分流混水供熱自控系統(tǒng)原理圖

2 回流混水供熱原理及分析

常規(guī)供熱系統(tǒng)設計中，在鍋爐的進水口和出水口之間都要加裝一個連通管，稱為熱源旁通管，其作用主要有降低鍋爐阻力，提高供水壓力;鍋爐故障或檢修時確保系統(tǒng)水循環(huán)正常等?；亓骰焖岬男问胶团酝ü芟嗨?，如圖2所示，在循環(huán)泵與鍋爐進水口之間加裝一根支管(在此稱為混水管)，直接與鍋爐出口的供熱主管線相連，使一小部分回水不用通過鍋爐加熱，直接進入系統(tǒng)循環(huán)，從而對供水溫度起到調節(jié)作用。同時加裝自動控制閥門，該閥門連接自動氣候補償器，并由預先設定的程序，根據室外氣溫計算出供水溫度，自動調節(jié)混水量，該計算程序須根據實際測量數據和相應公式編制(見本文第4節(jié))。

圖2 回流混水供熱原理圖

采用回流混水方式可以有效解決分流供熱帶來的弊端。首先混水前后供水溫度得以適當降低，保證了室外溫度變暖后對熱量供給進行了有效調節(jié)，減少了過度消耗和沿程熱損失。其次由于混水管設置在循環(huán)泵之后，因此對進入外網的流量和水力平衡沒有影響。采用回流混水供熱同樣可以通過氣候補償器等自動控制裝置，實現(xiàn)供水溫度隨室外溫度變化的即時調節(jié)，避免由于供水溫度過高造成熱量損失和過度消耗，達到節(jié)能降耗目的，并且響應快、準確度高。可以使鍋爐長時間保持穩(wěn)定運行，并始終處于最佳運行狀態(tài)，便于鍋爐實現(xiàn)自動化控制。另外可以提高鍋爐出口水溫，使鍋爐在額定狀態(tài)或接近額定工況下運行，提高鍋爐熱效率，大幅增加單臺鍋爐的供熱能力，對于供熱面積大，裝機容量小的熱源廠意義非常大。

3 回流混水供熱節(jié)能定量計算

由于目前大部分鍋爐自動控制系統(tǒng)都采用設定鍋爐出口水溫的方法，因此這里在鍋爐出口水溫保持不變前提下對回流混水供熱進行節(jié)能分析。

如圖3所示，未采用混水供熱的系統(tǒng)供回水溫度為tg0、th0，系統(tǒng)水流量為G，熱容為C，熱量輸出為q0;在室外溫度變暖后某時段，未采用混水控制的仍保持此溫度，采用混水控制的系統(tǒng)(見圖2)將供回水溫度調整到tg1、th1后即可保證供熱需求，其中 tg0=tg'、tg1＜ tg'，此時熱量輸出為 q1。根據等流量法有:

圖3 未采用混水供熱的系統(tǒng)

由上式得出，節(jié)能率是混水供熱前后的供回水溫差比值的函數。

下面討論供回水溫差同供水溫度的關系，設某系統(tǒng)供回水溫度為tg、th，系統(tǒng)水平均溫度為(tg+th)/2，室外溫度tw，整體供熱系統(tǒng)與室外環(huán)境當量換熱系數為K(在供熱面積和外網情況不變時為常量)，則換熱量為:

因此對于不同供回水溫度 tg0、th0和 tg1、th1，tg0＞ tg1，則有:

將式(5)和式(6)代入式(2)得:

式(7)即為在某一室外溫為tw時，降低供水溫度后的節(jié)能效率計算公式，設室外溫度為－10℃，鍋爐出口水溫為80℃，經混水后供水溫度降為75℃即可保證住戶室內溫度，由上式得出節(jié)能效率為5.56%，因此可以看出節(jié)能效果還是非常明顯的。

4 供水溫度自動控制方程

在供熱運行自動控制系統(tǒng)中，如何根據室外溫度確定供水溫度是實現(xiàn)自動控制的關鍵。目前的算法有幾種，一種是根據建筑設計時的熱負荷、建筑材料、外墻面積等參數以及管網設計情況進行計算，這種方法由于系統(tǒng)在實際運行中差異較大，因此有較大誤差，在實際運行一定時間后需要進行修正;另外一種算法是經過一定時間運行后，對運行數據進行統(tǒng)計分析并進行擬合后確定，這種算法會更接近實際情況，但不能揭示系統(tǒng)水溫與環(huán)境溫度的內在聯(lián)系。下面從理論分析的角度確定供水溫度的計算方法，通過推倒出的公式揭示供水溫度與熱用戶室內溫度和室外溫度變化之間的關系。

圖4 供熱系統(tǒng)熱流量示意圖

如圖4供熱系統(tǒng)熱流量示意圖，熱用戶室內平均溫度為tn，系統(tǒng)水與熱用戶室內當量換熱系數為Kn，用戶與室外當量換熱系數為Kw。根據供回水溫度可計算出鍋爐輸出的熱量為Q，該熱量與系統(tǒng)水傳遞給熱用戶的熱量和熱用戶與室外的換熱量相等，因此有熱平衡方程:

由以上3個等式可推導出供水溫度的自動控制方程為:

由式(9)可以看出在保持用戶溫度一定情況下供水溫度同室外溫度成反比的變化關系，采用此公式即可根據室外溫度計算出供水溫度，并自動調節(jié)混水供熱的混水量，實現(xiàn)供水溫度隨室外溫度變化的即時調節(jié)。其中C和G可通過測量得出，當量換熱系數可以根據實際測量數據統(tǒng)計得出，其實測數據隨供熱區(qū)域和系統(tǒng)熱負荷等情況不同而不同。

5 單臺鍋爐供熱能力及流量分配

混水供熱的另外一個作用就是通過提高鍋爐出口水溫，增加單臺鍋爐的供熱面積，并且在保持鍋爐穩(wěn)定運行狀態(tài)下，在一定范圍內調節(jié)供熱面積。下面通過舉例計算來說明。

將圖3所示供熱系統(tǒng)的鍋爐出口水溫提高至tg'(見圖2)，采用回流混水供熱，外網供水溫度提高至tg1(可在 tg'與 tg0之間調節(jié)，即 tg'＞tg1＞tg0)，回水溫度不變 th1=th0，此時 q1＞q0，由公式(1)計算出熱負荷增加比例為:

設流經鍋爐與混水管的流量分別為Gl、Gh，其流量分配計算如下:

設tg0=80℃、th1=th0=65℃，tg'=90℃，tg1=85℃，代入式(10)和式(12)，計算可增加供熱面積(熱負荷增加比例)為6.25%，此時流經鍋爐和混水管的流量比為4，由此可見在該設定工況下，流經混水管的流量是流經鍋爐流量的1/4，即總流量的1/5，因此混水管管徑的設計不宜過小，根據以往經驗，并且考慮到對系統(tǒng)壓力的影響，一般應為主供暖管線的1/3～1/4左右為宜。

6 結束語

混水供熱已經越來越多地應用于供熱運行自動控制系統(tǒng)，對于熱源混水來說，回流方式比分流方式有更多優(yōu)勢，而分流方式更多應用于各用熱單元和用戶，隨著節(jié)能降耗要求的提高以及用戶熱計量收費的逐步推廣，混水供熱方式已成為供熱自動運行控制和熱平衡調節(jié)的重要方法，將有效的減少供熱管網的能量損失和多余的熱量消耗。

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