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        供熱系統(tǒng)熱網(wǎng)水力平衡調(diào)節(jié)淺析

        2014-07-28 09:53:38劉鳳玲趙新宇
        應(yīng)用能源技術(shù) 2014年4期
        關(guān)鍵詞:回水溫度換熱站熱網(wǎng)

        劉鳳玲,趙新宇

        (1.黑龍江省龍聚科技發(fā)展有限責(zé)任公司,哈爾濱 150001;2.哈爾濱國安特種設(shè)備技術(shù)服務(wù)有限公司,哈爾濱 150000)

        0 引 言

        我國北方地區(qū)集中供熱普及率逐年提高,供熱管網(wǎng)普遍存在的最突出的問題是高、低溫水管網(wǎng)系統(tǒng)水力失衡,能源浪費現(xiàn)象嚴(yán)重[1]。在設(shè)計管網(wǎng)系統(tǒng)時,熱網(wǎng)系統(tǒng)水力穩(wěn)定性是重要指標(biāo),它可以指導(dǎo)管網(wǎng)參數(shù)的合理選擇,幫助供熱企業(yè)確定合理的經(jīng)濟指標(biāo)[2-3]。

        對于一個運行良好的供熱系統(tǒng),其控制系統(tǒng)進行運行調(diào)節(jié)或增減熱網(wǎng)系統(tǒng)熱負(fù)荷時,水力平衡及穩(wěn)定性基本不受干擾。通過對水力工況的調(diào)節(jié),可以明確系統(tǒng)的控制效果,找到系統(tǒng)控制中的薄弱環(huán)節(jié),確定相應(yīng)的調(diào)節(jié)手段和對應(yīng)策略。

        1 熱網(wǎng)運行調(diào)節(jié)方式

        以熱源廠作為主要熱源的城鎮(zhèn)集中供熱系統(tǒng),熱力網(wǎng)的供回水溫度、調(diào)溫曲線和調(diào)節(jié)方式將關(guān)系到系統(tǒng)設(shè)備選型、熱力網(wǎng)的管徑、系統(tǒng)的投資和運行費用。為使熱用戶室溫達到設(shè)計要求,除在系統(tǒng)運行前需要進行初調(diào)節(jié)之外,還應(yīng)在整個供暖季節(jié)隨室外氣溫的變化,隨時或分階段對供水溫度、流量等進行調(diào)節(jié)。

        運行調(diào)節(jié)方式采用分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié),即把整個供暖期按室外溫度的高低分為二個或三個階段,在室外溫度較低的階段采用較大的流量,而在室外溫度較高的階段采用小的流量,在每一個階段內(nèi)則維持流量不變而采用改變供水溫度的質(zhì)調(diào)節(jié)。

        計算公式為:

        式中:Φr為相對熱負(fù)荷W Φr=(ti- to)/(tito′);B為與散熱器及連接方式有關(guān)的系數(shù) 四柱散熱器B=0.35;ti為室內(nèi)計算溫度,℃;to為室外溫度,℃;to′為室外計算溫度,℃;t1、t2為任意室外溫度下供、回水溫度,℃;t1′、t2′為設(shè)計供、回水溫度,℃。

        某供熱單位由于管網(wǎng)老化等原因,一、二次網(wǎng)運行參數(shù)為:

        一、二次網(wǎng)供回水溫度隨室外氣溫變化調(diào)節(jié),供暖期按室外溫度高低分成二個階段:

        (1)室外溫度最低時:低于 -16℃保持100%負(fù)荷流量2 800 m3/h。

        (2)室外溫度較高時:-16~5℃保持70%負(fù)荷流量1 960 m3/h。

        表1 一次網(wǎng)供回水溫度隨室外氣溫變化表

        表2 二次網(wǎng)供回水溫度隨室外氣溫變化表

        2 管網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)

        2.1 水力失調(diào)

        當(dāng)前在集中供熱系統(tǒng)中無論直供管網(wǎng)還是間供管網(wǎng),影響供熱質(zhì)量的最大問題仍然是熱源或換熱站附近用戶室溫超標(biāo),遠處用戶室溫過低,用戶室溫不達標(biāo)便私自安裝小型循環(huán)泵、甚至采取大量放水等方法,這是熱網(wǎng)普遍存在的水力失調(diào)問題。有些供熱企業(yè)為了解決這一問題,采取加大供熱量,或是更換大功率的循環(huán)水泵。結(jié)果問題不但沒有得到很好的解決,而且進一步造成了能源浪費。供熱效果好壞實際上是流量(熱量)合理分配的問題。這個問題不可能在設(shè)計階段完全解決,即使設(shè)計、施工、運行情況良好,水力不平衡的情況也會出現(xiàn)在每個輸配環(huán)節(jié)中。若要在整個供熱系統(tǒng)中實現(xiàn)良好的水力工況,必須在運行階段進行認(rèn)真地、反復(fù)地、細致地調(diào)節(jié)。

        實踐證明,解決水力失調(diào)問題的關(guān)鍵在于調(diào)控設(shè)備。以前曾經(jīng)用調(diào)節(jié)閥等,這樣不但都需要分層次調(diào)節(jié),而且必須反復(fù)調(diào)節(jié)、經(jīng)常調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)的工作量相當(dāng)大,而且只能在一定程度上改善熱網(wǎng)的水力工況,不能從根本上消除水力不平衡狀態(tài)。目前大多數(shù)供熱企業(yè)都不同程度地處在這種調(diào)控階段。

        管網(wǎng)系統(tǒng)水力計算時,為使計算更接近實際管網(wǎng)運行工況,尚需考慮如下幾種情況:

        (1)熱負(fù)荷的準(zhǔn)確性

        熱負(fù)荷的準(zhǔn)確性與否直接涉及到各支路熱量配置的合理性、科學(xué)性。綜合熱指標(biāo)的確定常規(guī)是依據(jù)構(gòu)筑物的使用性質(zhì)及供熱面積與熱指標(biāo)采取加權(quán)平均得出綜合熱指標(biāo)值。考慮國家對節(jié)能建筑的要求,在建、擬建節(jié)能建筑物綜合熱指標(biāo)按較低選取的原則。在二次網(wǎng)水力計算中,需要增加一些內(nèi)容,如構(gòu)筑物位置、朝向、樓層高低、墻體保溫狀況等等。

        熱指標(biāo)合理性是熱負(fù)荷確定準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)。管道阻力計算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集整理工作比較繁雜,此過程需細致準(zhǔn)確,否則會影響管網(wǎng)水力計算結(jié)果,導(dǎo)致管網(wǎng)水力失調(diào)。

        (2)流量計算的準(zhǔn)確性

        水力計算中流量計算與實際運行溫差密切相關(guān),溫差的選擇決定流量,常規(guī)二次網(wǎng)水力計算溫差按Δ=25℃選取,由于同一構(gòu)筑物內(nèi)可能同時存在散熱器和地?zé)岵膳瘍煞N形式,供熱單位運行溫差往往在10~15℃,因此在進行水力計算或水力校核計算時力求接近于實際運行溫差。例如溫差按25℃和12.5℃進入計算,流量相差一倍,管段阻力相差一倍,計算結(jié)果直接影響用戶室內(nèi)溫度,特別是末端熱用戶。

        (3)流量分配的合理性

        盡量消除近端管網(wǎng)超流量短路,遠端熱用戶流量小回水溫度過低現(xiàn)象。筆者曾經(jīng)對某換熱站回水溫度做過調(diào)查(24 h低溫常供),見表3。

        表3 某換熱站回水溫度℃

        從上表分析換熱站近端用戶由于管路壓差大、流速高、用戶室內(nèi)過熱;遠端用戶管路壓差小(甚至無壓差)、流速低、用戶室溫嚴(yán)重不達標(biāo),回水最大絕對溫差32.2℃,換熱站回水溫度實際上是近端、遠端的混水溫度,即遠端較低與近端較高回水的混合溫度。從上表看出交通局熱用戶回水55℃,室溫30℃;末端開發(fā)家屬樓回水只有23.3℃ 室溫只有10℃。

        第二年該管網(wǎng)各樓前加裝了(末端未加裝)自立式流量控制閥,現(xiàn)將同時期調(diào)整后重新檢查數(shù)據(jù)列于表4。

        表4

        從表4看出遠、近端用戶回水溫度基本一致,回水最大絕對溫差2.2℃,由于確保遠、近端熱用戶回水溫度基本相同,既滿足了室內(nèi)溫度質(zhì)量,又節(jié)約了能源。

        只有做好基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的普查收集,通過計算力求將管網(wǎng)各個并聯(lián)支路阻力相同,即各支路最末端的熱用戶資用壓頭基本相同。各并聯(lián)支路的供暖半徑長短不一,設(shè)計者需要采取有效措施調(diào)整相關(guān)管路的比摩阻使各并聯(lián)支路阻力相同,這是最主要因素。把每個與熱源或換熱站采暖循環(huán)泵相連接的用戶之間視為并聯(lián)系統(tǒng),這樣近端與遠端相比,熱源近端與遠端用戶干管部分阻力兩者接近相同,這就相當(dāng)于近端管徑應(yīng)設(shè)計比常規(guī)時略小些,而末端管徑設(shè)計比常規(guī)時略大些,而且供熱半徑越長這種差距越大。

        (4)管網(wǎng)剩余壓頭的消除

        在進行管網(wǎng)設(shè)計時,設(shè)計人員大多遵循著這樣的設(shè)計原則:先滿足最不利點的資用壓頭,這樣使得其他各個點的資用壓頭過大,而且越是距熱源或換熱站近剩余壓頭越大,解決的辦法只能是通過調(diào)節(jié)管徑或加裝調(diào)節(jié)手段的方式消耗掉資用壓頭的富裕量,而管道管徑可選擇種類并不多,閥門調(diào)節(jié)功能也是有限度的,這樣必然使流量分配偏離設(shè)計狀態(tài),導(dǎo)致用戶冷熱不均。而在設(shè)計計算過程中管道、水泵、散熱器等選型常常都會習(xí)慣地采用一定的“保險”系數(shù),這就造成了“先天性”的水力失調(diào)。

        2.2 科學(xué)可行的調(diào)控手段

        (1)必要的調(diào)控手段

        要實現(xiàn)熱網(wǎng)平衡,除了上述設(shè)計理念,還需必要的調(diào)控手段。不僅要對干線、支干線、支線、進戶線的流量控制閥進行調(diào)控,還要對支戶線、樓內(nèi)水平分支、水平分支上垂直立管甚至分戶支管的閥門進行調(diào)節(jié),這就相當(dāng)于需要3~5級調(diào)控,越接近于近端,調(diào)節(jié)力度越大、調(diào)控級數(shù)越多;越接近于末端調(diào)節(jié)力度越小、調(diào)控級數(shù)也越少。但現(xiàn)實中往往由于規(guī)劃、設(shè)計、管理、閥門質(zhì)量等因素,造成管網(wǎng)錯綜復(fù)雜,各用戶可調(diào)控級數(shù)不同,某些用戶甚至直接接于近端干管上,只有2~3級甚至1級調(diào)控,造成熱力系統(tǒng)難于平衡。在設(shè)計時,近端用戶可控級數(shù)應(yīng)最多,即支干線不斷向后延展、分級,而末端管網(wǎng)要盡量減少分級,并根據(jù)供熱半徑大小等情況適當(dāng)加大一些管徑。在管網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)控中,采用優(yōu)質(zhì)的靜態(tài)平衡閥、動態(tài)平衡閥、自力式流量控制閥、必要的配套精密儀表,以及專業(yè)的調(diào)節(jié)經(jīng)驗和模式,加之理論與實踐、硬件與軟件緊密結(jié)合的全局觀念和技能,高度責(zé)任心及分析能力,不厭其煩反復(fù)調(diào)節(jié)等,方可保證管網(wǎng)調(diào)節(jié)平衡。

        (2)流量調(diào)節(jié)閥安裝

        在一次網(wǎng)進入換熱站和各個構(gòu)筑物入口設(shè)置自力式流量調(diào)節(jié)閥、自力式流量平衡閥、管網(wǎng)分支處設(shè)置平衡閥,使管網(wǎng)平衡的調(diào)節(jié)手段得以加強非常重要。常規(guī)蝶閥、截止閥、閘閥不具備可靠地調(diào)節(jié)功能。當(dāng)需要調(diào)節(jié)某一個普通閥門時,該回路流量隨之變動,但同時其它支路閥門通過的流量也在變化,這種調(diào)節(jié)手段只能相對提高水力平衡效果,但不可能維持平衡穩(wěn)定,管網(wǎng)任何一處閥門調(diào)整都會造成系統(tǒng)平衡變化。

        近年來很多熱網(wǎng),包括新建和改造熱網(wǎng)都較多采用自力式流量控制閥,該閥的特點是可以根據(jù)用戶的實際需要保持恒定流量,自動消除剩余壓頭,維持為用戶設(shè)定的入戶壓力差,且不受外界流量變化干擾,維持流量恒定。

        最近幾年又研制成功等比例變流量調(diào)節(jié)動態(tài)阻力平衡閥,最初該閥多在熱網(wǎng)改造中應(yīng)用,尤其是控制近熱源端用戶的流量恒定和改善熱網(wǎng)的水平失調(diào)效果非常明顯。在集中供熱系統(tǒng)中,裝在各個換熱站一次網(wǎng)的出口或入口,實施手動調(diào)節(jié);也可安裝閥門執(zhí)行器、溫度傳感器、氣候補償器和其它自控儀表實施自動控制技術(shù)指標(biāo)。

        (3)相對增大用戶系統(tǒng)的壓降

        相對增大用戶系統(tǒng)的壓降也是提高熱網(wǎng)水力穩(wěn)定性的另一個須同時采用的主要方法。在這點上,常規(guī)設(shè)計并未給予充分重視,使預(yù)留的剩余壓頭不大。這樣雖然可以減少整個管網(wǎng)的資用壓頭、節(jié)省電能,而且由于換熱器前調(diào)節(jié)閥選型較大,給今后增加供熱面積預(yù)留了較大的余地,但卻大大降低了熱網(wǎng)的水力穩(wěn)定性。

        提高管網(wǎng)的壓差,增加了耗電量,但帶來的卻是提高了熱網(wǎng)水力工況的穩(wěn)定性,改善了熱網(wǎng)的水力工況,使全網(wǎng)減少了無效熱能和電能的消耗。

        2.3 實施分布式混水加適當(dāng)調(diào)控手段

        常規(guī)供熱系統(tǒng)二次網(wǎng)采用換熱站內(nèi)集中設(shè)置循環(huán)水泵的,若實施分布式混水循環(huán)方式可以消除近端壓差大遠端壓差小的弊病,再適當(dāng)輔以調(diào)控手段,則可有效地解決水力失調(diào)問題。該方式在解決水力失調(diào)的同時還節(jié)約了電耗。換熱站集中循環(huán)系統(tǒng)造成近端熱用戶壓差過大,以至于不得不加裝流量調(diào)節(jié)裝置進行限流,造成大量電能的無謂浪費。采用分布式混水泵系統(tǒng),不但避免了上述電能的浪費,而且大大降低主循環(huán)泵配套電機功率,從而實現(xiàn)在最小的耗電功率下達到合理供熱量的輸送,因此分布式混水技術(shù)備受青睞。

        3 提高對管網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)認(rèn)識

        水力失調(diào)是供熱管網(wǎng)普遍存在的現(xiàn)象,它的出現(xiàn)造成近端過熱,遠端過冷的狀況,雖然通過系統(tǒng)水力計算解決了部分管網(wǎng)阻力平衡問題,但管網(wǎng)的運行工況十分復(fù)雜,不可能在設(shè)計階段完全解決。

        城市不斷發(fā)展伴隨著規(guī)劃調(diào)整、供熱面積增加、熱網(wǎng)增容、熱負(fù)荷變化等對熱網(wǎng)系統(tǒng)影響巨大,系統(tǒng)阻力相應(yīng)隨之增加,各點作用點壓頭不斷變動。管網(wǎng)系統(tǒng)會出現(xiàn)由平衡到不平衡過程,形成對管網(wǎng)水力工況重新計算和再調(diào)整過程。如果認(rèn)識不到重新計算和再調(diào)整的重要性,必然會降低供熱系統(tǒng)的效率,惡化供熱質(zhì)量,同時能耗和運行費用也大幅度增加,特別是供熱面積大、管線距離長、分支節(jié)點多,用戶結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型管網(wǎng)就顯得更為突出。

        許多供熱企業(yè)對熱網(wǎng)水力工況的科學(xué)性、重要性認(rèn)識不足,熱網(wǎng)中安裝的調(diào)控設(shè)備陳舊、落后,甚至不知曉、不進行熱網(wǎng)的水力平衡調(diào)節(jié),造成用戶冷熱不均現(xiàn)象嚴(yán)重,熱費收繳困難。有些供熱企業(yè)為了解決這一問題,采取了一些錯誤辦法,或是加大供熱量,或是更換大功率的循環(huán)水泵。還有的對低溫用戶采取更換大管徑、甚至大量放水等方法,結(jié)果問題不但沒有得到很好的解決,而且進一步造成了能源浪費。

        4 結(jié)論

        理論和實踐均證明,熱網(wǎng)的水力穩(wěn)定性高可以達到如下目的:

        (1)經(jīng)常變化的熱網(wǎng)始終保持良好的水力工況。

        (2)使熱網(wǎng)的初調(diào)節(jié)和運行調(diào)節(jié)容易進行。

        (3)可大量減少無效的熱能和電能損失。

        因此提高熱網(wǎng)的水力平衡是管網(wǎng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵,是保證大型供熱系統(tǒng)供熱質(zhì)量首要問題。

        [1]李志剛,孫麗萍,劉嘉新.熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].森林工程,2013(4):90-95+160.

        [2]石兆玉.供熱系統(tǒng)多熱源聯(lián)網(wǎng)運行的再認(rèn)識[J].中國建設(shè)信息供熱制冷,2006(2):52-58.

        [3]秦 冰,秦緒忠,謝勵人,等.分布式變頻泵供熱系統(tǒng)的運行調(diào)節(jié)方式[J].煤氣與熱力,2007(2):73-75.

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